基于重庆办公建筑的浅层地温能开发效益研究

陈 攀 陈 静

（重庆大学 重庆 400044）

0 引言

浅层地温能是指蕴藏在0～200m范围以内的浅层地表、温度低于25℃的岩土体、地下水、地表水中具有开发利用价值的地温能[1]，浅层地温能具有开发利用不受地区、资源等条件限制的特点[2]。

开发利用浅层地热能最主要的形式就是地源热泵系统。上世纪70年代地源热泵开始真正意义上的商业应用[3]；80年代初，土壤源热泵的研究逐渐活跃，欧洲先后开展了多次大型的土壤源热泵的专题国际学术会议[4]，这一时期主要是研究地埋换热器的地下换热过程以及建立相应的数学模型并进行数值仿真[5]；90年代末期，美国、欧洲等地对与地源热泵系统相关的环境开展了研究[6]。在地源热泵技术方面的研究，我国相对于西方发达国家起步较晚[7]；90年代后掀起了一波研究地源热泵的热潮；2005年以来，我国陆续对地源热泵系统进行了研究，例如：地下埋管管路在工作期间土壤温度的变化规律以及这种变化对换热的影响；地源热泵系统的数值模拟等。目前，我国的浅层地温能已经进入大规模的推广应用阶段。但国内外对于浅层低温能的开发效益研究的不多，本文通过对重庆典型办公建筑建立DeST能耗模型、效益计算等研究，分析其经济环境效益，得出在重庆地区利用浅层地温能具有很大的经济、环保效益。

1 典型办公建筑建模

根据中国建筑的相关数据、相关的规范、节能标准和调研数据等，利用DeST建立典型办公建筑模型[8]，反映重庆普遍的办公建筑的典型模型。图1是所建典型建筑模型图，图2是房间逐时温度设定图，图3是房间照明开关时间图。取重庆空调制冷季节为5月1日到9月30日，制热季节为12月1日到2月28日，则全年逐时空调负荷图如图4所示。即该某办公建筑面积为41280m2，全年最大热负荷为1792.75kW，全年最大冷负荷为4477.23kW，最大建筑热负荷指标为43.41W/m2，最大建筑冷负荷指标为108.61W/m2。

图1 某办公建筑计算模型Fig.1 Calculation model ofAn office building

图2 办公建筑房间逐时温度设定Fig.2 Hourly temperature setting of office building

图3 办公建筑房间照明设定Fig.3 Hourly lighting setting of office building

图4 办公建筑全年逐时空调负荷Fig.4 Year-round air conditioning load of office building

2 浅层地温能应用效益项目分类

环境效益和经济效益是浅层地温能利用评价中的必备因素。《可再生能源建筑应用工程评价标准》GBT50801-2013则规定了应用地源热泵系统项目的评价指标，且规定了环境效益和经济效益的计算方法。本文根据《可再生能源建筑应用工程评价标准》将效益分析的计算项目分为全年常规能源替代量（吨标煤）、二氧化碳减排量（吨/年）、二氧化硫减排量（吨/年）、粉尘减排量（吨/年）、年节约费用（元/年）。其计算方法规定如下。

2.1 常规能源替代量

（1）地源热泵系统常规能源替代量Qs应按下式计算：

式中，Qs为常规能源替代量，kgce；Qt为传统系统的总能耗，kgce；Qr为地源热泵系统的总能耗，kgce。

（2）对于采暖系统，传统系统的总能耗应按下式计算：

式中，Qt为传统系统的总能耗，kgce；q为标准煤热值，MJ/kgce，取值29.307MJ/kgce；QH为供暖季累计热负荷，MJ；ηt为以传统能源为热源时的运行效率。

（3）对于空调系统，传统系统的总能耗Qt应按下式计算：

式中，Qt为传统系统的总能耗，kgce；Qc为供暖季累计热负荷，MJ；D为每度电折合所耗标准煤量，kgce/kWh，本文取值0.404kgce/kWh；EERt为传统制冷空调方式的系统能效比。

（4）整个供暖季（制冷季）地源热泵系统年耗能量应根据实测的系统能效比和地源热泵系统承担建筑累计冷热负荷按下列公式计算：

式中，Qtc为地源热泵系统年制冷总能耗，kgce；Qth为地源热泵系统年制热总能耗，kgce；D为每度电折合所耗标准煤量，kgce/kWh，本文取值0.404kgce/kWh；QC为供暖季累计热负荷，MJ；QH为供暖季累计热负荷，MJ；EERsys为热泵系统的制冷能效比；COPsys为热泵系统的制热能效比。

由式（1）-（5）可得常规能源替代量计算公式如下：

2.2 环境效益评价

（1）地源热泵系统CO2减排量按下式计算：

式中，Qco2为二氧化碳减排量，吨/年；Qs为标准煤节约量，吨/年；2.47为标准煤的二氧化碳排放因子，无量纲。

（2）地源热泵系统SO2减排量按下式计算：

式中，Qso2为二氧化硫减排量，吨/年；Qs为标准煤节约量，吨/年；0.02为标准煤的二氧化硫排放因子，无量纲。

（3）地源热泵系统粉尘减排量按下式计算：

式中，Qft为粉尘减排量，吨/年；Qs为标准煤节约量，吨/年；0.01为标准煤的粉尘排放因子，无量纲。

2.3 经济效益评价

地源热泵系统年节约费用Cs应按下式计算：

式中，Cs为地源热泵系统的年节约费用，元/年；Qs为常规能源替代量，kgce；Q为标准煤热值，MJ/kgce，本文按标准取q=29.307MJ/kgce；P为常规能源价格，元/kWh；M为每年运行维护增加费用，元。

3 办公建筑浅层地温能应用效益计算

参照重庆市《地埋管地源热泵技术规程》在选择系统冷热源的时候一般按照冬季热负荷的大小来选择地埋管热泵机组，按照地埋管热泵机组与项目总冷负荷的制冷能力差选择常规冷水机组作为辅助冷源。选择地埋管热泵机组规格参数：制热量为1880kW，制冷量为1730kW。

计算得到该建筑地埋管热泵机组承担累计热负荷为809022kWh，累计冷负荷为896553kWh。

对该办公楼建筑进行集中热水供应设计小时耗热量计算，计算结果如表1所示，计算热水全年累计耗热量时，每年工作日按照250天计算，另根据《建筑给水排水设计规范》中规定及重庆大学实验室实测数据重庆市冷水冬季取7℃，过渡季节取15℃，夏季取20℃。

表1 该办公建筑集中热水供应耗热量Table 1 Heating load of hot water the office building

取地源热泵空调机组制冷性能系数为4.99，制热性能系数为4.55；地源热泵热水机组性能系数为3.75，将地埋管热泵机组运行释热量及吸热量计算如表2所示。

表2 该办公建筑地埋管热泵机组运行释热量及吸热量Table 2 Heat releasing and absorption of ground source heat pump the building

将上面所得累计冷热量值代入上节所述效益计算公式，计算得到各项效益结果，再将浅层地温能应用效益进行面积指标化得到表3。

表3 该办公建筑浅层地温能应用效益面积指标Table 3 Benefits index from shallow geothermal energy for the office building

由表3可知，在无集中热水、考虑热平衡的情况下，每利用1m2浅层地热能可以替代2.777kg标煤，减排 6.859kg CO2、0.056kg SO2、0.028kg粉尘，年节约3.888元；在有集中热水、不考虑热平衡的情况下，每利用1m2浅层地热能可以替代3.698kg标煤，减排9.134kg CO2、0.074kg SO2、0.037kg粉尘，年节约5.178元；其他情况都介于这两种情况之间。

4 结论

（1）利用DeST能耗模拟软件对重庆市办公楼模型进行了模拟计算。由于对建筑大量简化，导致最终能耗数据不是绝对准确。

（2）从表3可以看出，4种应用模式下利用浅层地温能，大约每平米可以替代3kg标煤，减少8kg CO2排放、0.06kg SO2排放、0.03kg粉尘排量，同时节约了4.6元。

（3）运用DeST能耗模拟软件模拟建筑是一种方便快捷的方法，虽然只是对实际情况的近似模拟，但是对于分析能耗以及研究浅层地温能效益有较大的参考价值。

（4）由模拟得出的结果，可以估算得出整个地区的浅层地温能的开发效益，激励开发浅层地温能。