地源热泵空调系统生命周期碳排放研究

胡玉坤 沈致和 慈 超



地源热泵空调系统生命周期碳排放研究

胡玉坤 沈致和 慈 超

（合肥工业大学 合肥 230009）

基于生命周期评价理论，将地源热泵空调系统生命周期划分为生产加工、运输安装、运行使用、拆除回收四个阶段，建立了地源热泵空调系统生命周期内各阶段碳排放核算模型。结合工程案例，用温度频率法（BIN）核算地源热泵空调系统生命周期各个阶段碳排放量，数据显示运行阶段碳排放量占绝大部分。用当量满负荷运行法计算运行阶段各设备碳排放情况，数据显示采用变频技术将减少生命周期碳排放。

地源热泵空调系统；生命周期评价；运行阶段；碳排放；节能减排

0 引言

根据国际化组织（ISO）定义，生命周期评价理论可以定义为4个阶段：（1）定义目标与范围；（2）清单分析；（3）影响评价；（4）解释说明。

1 目标与范围

本文研究目标为地源热泵机组各阶段的CO2的排放，将其生命周期划分为4个阶段即：生产阶段、运输阶段、运行阶段、拆除阶段及回收阶段。

2 清单分析

2.1 生产加工阶段CO2排放模型

空调系统设备在生产阶段的的排放量有2个方面，一是生产阶段设备所需的原材料，包括铜、铝、铁等主要原材料的消耗量。二是原材料经过二次加工组合成空调设备所消耗的能源的量。如下式所示：

式中，为开采生产单位材料的碳排放量，kgCO2/kg；为材料种类；m为第种材料用量；Z为生产阶段第种能源消耗量（主要为电力），kg/kWh；u为第种能源的CO2排放系数，kgCO2/kWh。

碳排放系数是指消耗单位质量或原材料所产生的CO2的质量，合适的碳排放系数是准确核算碳排放的基础。表1列出了主要材料和能源的CO2排放系数[4-9]。

表1 主要材料和能源的碳排放系数

2.2 运输和安装阶段碳排放模型

运输阶段CO2排放量为各种运输方式的碳排放系数与其对应的货运周期量乘积之和。计算公式：

式中：为空调系统运输阶段排放量；u为空调第种运输方式的二氧化碳排放系数，kg/(km·t)；H为第种运输方式的货物周转量，t·km；L为第种运输方式的旅客周转量，人·km；β为第种运输方式的客货换算系数。本文采用公路柴油货车运输，客货换算系数为0.1，燃油率0.0606L/t·km。

2.3 运行阶段碳排放模型

空调系统运行阶段的碳排放，是指全年空调供冷和供热碳排放的总和，主要来源于冷热源、水泵、风机以及新风机组等设备使用时对电力等能源的消耗，本文用到能耗计算方法：（1）温度频率法，又称BIN气象参数法。（2）当量满负荷运行法，当量满负荷时间为全年空调冷负荷（热负荷）的总和与制冷机（或锅炉）最大出力的比值，是衡量空调系统是否节能的重要指标。如下公式：

（4）

式中，W为空调系统运行阶段全年能耗，kWh；为空调系统冷热源设备的当量满负荷时间，h；为空调主机的额定功率；P为输配系统的额定功率；T为输配系统的累计运行时间，h；0为空调系统运行阶段的CO2排放量，kg；W为空调系统运行阶段第中能源消耗量，kWh。u为第种能源的碳排放因子。

2.4 拆除回收阶段

拆除回收阶段是空调系统生命周期的最后一个阶段，由于废旧的设备包含大量的可回收的有色金属、黑色金属、聚氯乙烯等塑料及其他可以再回收利用的零部件，该阶段碳排放比较小，可以忽略不计。

3 案例分析

3.1 案例的基本情况

计算地源热泵生命周期碳排放量，地源热泵空调系统包括冷热源机组，地埋管换热器，输配管路，末端设备。假设整个空调系统的使用年限为15年。本工程位于合肥市，总建筑面积为21029.42m2，地上5层，建筑高度为23.50m。夏季空调总冷负荷为1917.06kW，冬季热负荷为1374.7kW。冷热源为两台麦克维尔螺杆式地源热泵机组组成，一台名义制冷量为1271.0kW，输入功率191.0kW；名义制热量1284.0kW，输入功率261.7kW。一台名义制冷量707.5kW，输入功率102.0kW；制热量712.0kW，输入功率139.7kW。

3.1.1 生产阶段碳排放

该案例中地源热泵系统包括2台螺杆地源热泵机组、地源侧水泵、空调侧水泵等。空调系统设备主要由钢铁、铜材和铝材三种金属材料组成，塑料等非金属材料含量很少，可以忽略不计。空调机组钢材占72.2%[7]，铜材占27%，铝材占0.8%。水泵中钢材占95.9%，铜材占3.9%，铝材占0.2%。风机盘管钢材占81.2%，铜材占10.7%，铝材占8.1%。冷却塔钢材占68.7%，铜材占1.4%，铝材占29.9%。风管和水管采用钢管。除了考虑设备管道的排放外，还有考虑地埋管的排放。地埋管的材料为高密度聚乙烯（High Density Polyethylene，HDPE），本文选定的工程采用U型地埋管，管外径32mm，管内径25mm，管长共计40036.3m，共用HDPE管质量12038kg，HDPE管生产碳排放因子为2.80kgCO2/kg[12]，共排放33706.4kgCO2。本文在生产阶段将地源热泵系统分为机组设备、地埋管、风管、水管四个部分。通过上述模型计算得到生产阶段地源热泵系统设备，地埋管、风系统和水系统的CO2排放量分别为125673.4kg，33706.4kg，100677.8kg，84567.3kg。生产阶段共排放二氧化碳344624.9kg。

3.1.2 运输安装阶段碳排放

空调系统设备及管道总重为26.8t；地埋管打井钻孔深度为100m，孔径150mm，钻孔间距5m，钻孔数200个，钻孔速度为2m/h[12]，钻孔主要燃料为柴油，钻孔数200，孔深100m，累计钻孔长度为20000m，钻孔总时间为10000小时，总耗油量为40000L，二氧化碳排放量为127200kg；钻孔过程置换土壤需要被运走，置换土壤总质量为423.9t；地埋管换热器共12t；钻孔机10台，总重10t；运输总重量为472.7t，本文假设空调设备及管道全部采用公路柴油货车运输，运输距离取100km，燃油率0.0606L/t.km，总耗油量为2864.6L，排放二氧化碳9109.4kg；安装施工阶段碳排放为79181.8kg；运输安装阶段共排放215491.2kgCO2。

3.1.3 运行阶段碳排放

运行阶段机组碳排放量用温度频率法（BIN）计算，供冷季取6月3号-9月27号，供暖季取11月23号至3月25号。该建筑空调系统采用一班制（8:00-18:00）规律运行，在供暖季，当室外空气的干球温度低于16℃时，系统开启开始供暖；在供冷季节，当室外空气的干球温度高于22℃时系统开始启动供冷；采用BIN法计算负荷得全年夏季空调总冷负荷为748439.74kWh，冬季累计热负荷为758253.66kWh。地源热泵机组性能COP时热泵机组的夏季COP为6.7，冬季为5.0。得到年夏季耗电量为111707.4kWh，冬季耗电量为151650.7kWh，年耗电量为263358.1kWh，年耗电量为得到机组年碳排放量为213188.4kg。辅助设备采用定频定流量，辅助设备功率合计为171.6kW，年总耗电量为=171.6×（1043+1187）=382668kWh，年碳排放量为309769.7kg。运行阶段生命周期15年碳排放量为7844371.5kg。

3.2 地源热泵空调系统生命周期各阶段碳排放计算

根据上述模型计算地源热泵空调系统生命周期内各阶段二氧化碳排放量如下表所示。

表2 地源热泵空调系统全生命周期各阶段碳排放量

由表2地源热泵空调系统生命周期各阶段碳排放量可以分析出：

（1）地源热泵运行使用阶段碳排放比例最高，达93.32%。

（2）系统运行使用阶段是空调碳排放的主要阶段，也是减排的重点阶段，只有降低使用阶段的碳排放，才能整体上降低空调系统的碳排放。

（3）原材料生产阶段碳排放量占4.12%；运输安装碳排放量占2.56%，其中地埋管打井耗油量多，二氧化碳排放量较多。

4 地源热泵空调系统运行碳排放模型

由上文计算结果可以得出，地源热泵空调系统在运行阶段碳排放占绝大部分，分析地源热泵运行阶段不同设备能耗对地源热泵碳排放的影响。夏季空调总冷负荷为1917.06kW，冬季热负荷为1374.7kW。采用BIN法计算出，全年夏季空调总冷负荷为748439.74kWh，冬季累计热负荷为758253.66kWh。夏季空调累计运行1043小时，冬季热泵累计运行1187小时。用当量满负荷运行时间法计算出系统运行各阶段空调系统各部分能耗及CO2排放量如表3。

表3 地源热泵空调系统各部分能耗及碳排放量

由表3地源热泵空调系统各部分能耗及碳排放量可分析得：

（1）地源热泵系统主机、地源侧水泵、空调侧水泵、风机盘管、新风处理机组全年运行时的耗电量及产生的CO2的排放量如表所示。电力的碳排放系数以华东地区的电力排放系数0.80953kgCO2/kWh基准。其中各部分碳排放量所占比例如图2所示，分别为40.99%、30.74%、19.56%、7.39%、1.32%。可以看出地源热泵主机和水系统碳排放比重较大。

（2）在整个系统中，热泵机组的耗电量最大，因此，提高热泵机组性能在碳排放方面具有巨大潜力，可以采取以下措施；采用导热系数高的回填材料；地源热泵广泛存在吸排热不平衡，可采用冷却塔辅助设备装置，将多余的热量排出；合理确定地埋管长度，达到热泵的最佳性能为优。

（3）除了地源热泵机组外，水系统等耗电的电量占总体的比较也比较高，因此也存在相当大的节能减排潜力。首先在水泵的选型上，需要考虑流量和扬程，要根据主机的冷却水、冷冻水流量及管路的水力损失等进行合理的选择；当水泵采用定流量时，水泵的转速不变，但是空调系统的热负荷是不断变化的。大多数时间都在超正常负荷运行，造成了大量电力的浪费、如果对冷冻、冷却水泵应用变频技术，使水泵的电机频率随空调系统负荷变化而变化，自动控制水流量，使水系统的进出温差，保持在一定范围内，一方面可以提高水泵电机的输出效率，另一方面，由于电机功率与流量成正比，所以当流量减少时，电机功率也随之相应会减少，从而有效的减少能耗产生的碳排放。

表4 地源热泵变流量空调系统各部分碳排放量

当采用变流量水泵时，地源热泵系统各部分的碳排放比例如图3所示，可以看出地源侧水泵和空调侧水泵运行时CO2排放量占总排放量的比例分别由30.74%、19.56%下降到24.68%、17.71%，其他部分碳排放之所以所占的比例有所上升，因为总的碳排放量减少。

（4）在空调系统中风机能耗也占一定的比例，根据设计规定，定风量空调系统的送风总量一般是根据全年空调最大负荷进行设计的，当负荷较小时，需要再补偿房间负荷的减少，出现了冷热抵消的浪费问题，在空调系统实际上大部分时间处在部分负荷状态运行，而变风量（VAV）系统能随时跟踪建筑负荷的变化，在送风温差不变的情况系及时调节送风量，从而可减少风机的能耗，达到节能的目的。

表5 地源热泵变风量空调系统各部分碳排放量

表5给出了当系统采用变流量变风量技术时，系统各部分多占比例，可以看出，风系统由于变频技术的使用，所占比例由原来的8.71%下降到6.01%，虽然只减少了大约2.7%，但是从这个使用生命的周期来看，大约减少了14939kgCO2的排放量。

5 结论

（1）分析了地源热泵空调系统在生命周期各个阶段的碳排放特点，通过计算整理得到了我国部分能源、运输方式的碳排放计量基础数据，建立地源热泵各阶段碳排放计算模型。

（2）结合案例工程，运用温度频率法（BIN），在运行年限15年时，地源热泵在生命周期内，运行阶段碳排放量最大，占93.32%左右；生产阶段的碳排放占到4.12%，运输安装碳排放量占2.56%，生产阶段机组设备占据了35%左右，地埋管换热器占10%，风系统和水系统分别占据了生产阶段碳排放量的30%、25%左右；运输安装阶段地埋管打井耗油量大，二氧化碳排放量较多。

（3）结合工程案例，分析地源热泵空调系统运行碳排放模型，当量满负荷运行法计算出系统运行阶段各部分碳排放量。地源热泵系统主机、地源侧水泵、空调侧水泵、风机盘管、新风处理机组全年运行时碳排放量所占比重分别为40.99%、30.74%、19.56%、7.39%、1.32%。可以看出地源热泵除了主机的CO2碳排放占大部分外，水系统排放量比较也很大，约占50%，风系统排放量约占9%。提高热泵机组性能在碳排放方面具有巨大潜力，可以采取以下措施：采用导热系数高的回填材料；地源热泵广泛存在吸排热不平衡，可采用冷却塔辅助设备装置，将多余的热量排出；合理确定地埋管长度，达到热泵的最佳性能为优。当采用变流量水泵时，地源侧水泵和空调侧水泵运行时CO2排放量占总排放量的比例分别由30.74%、19.56%下降到24.68%、17.71%。当系统采用变流量变风量技术时，风系统由原来的8.71%下降到6.01%。

[1] 江亿.我国建筑耗能状况及有效的节能途径[J].暖通空调,2005,35(5):30-40.

[2] ISO. ISO 14040: environmental management-life cycle assessment-principles and framework[S].Geneva, 1997.

[3] 赵峰,文远高.热泵空调系统能耗的温频法模拟与分析[J].建筑节能,2007,35(6):39-43.

[4] 国家环境保护局科技标准司.工业污染物生产和排放系数手册[M].北京:中国环境科学出版社,1996.

[5] 国家机械工业局.中国机电产品目录：第15册[M].北京:机械工业出版社,2000

[6] Eggleston H S, Buendia L, Miwa K, et al. 2006年IPCC国家温室气体清单指南[M].日本全球环境战略研究所,2006.

[7] 李兆坚.我国城镇住宅空调生命周期能耗与资源消耗研究[D].北京:清华大学,2007.

[8] 中国区域电网基准线排放因子[J].2014.

[9] 任希珍,田晓刚,鞠美庭,等.基于生命周期评价的中国铝业2000-2009年碳足迹研究[J].安全与环境学报,2011,(1):121-126.

[10] 乔琦,刘景洋,孙启宏.生命周期评价在我国的应用[J].产业与环境,2003,(增刊):91-93.

[11] 王育忠.建筑空调设备生命周期二氧化碳排放量估计[D].台湾:国立成功大学,2007.

[12] 杨从辉,袁艳平,雷波,等.基于生命周期土壤源热泵系统CO2减排效果评价[J].建筑热能通风空调,2011,30(1): 23-26.

Carbon Emissions Research in Life Cycle of Ground Source Heat Air Conditioning System

Hu Yukun Shen Zhihe Ci Chao

( Anhui Hefei University, Hefei, 230009 )

Based on the life cycle assessment theory, we divide the life cycle of Ground Source Heat Air Conditioning System into four stages: producing and processing, transportation and installation, running and using, remove and recovery, and also build a carbon emissions accounting model of each stage. With actual project cases, it shows the operational stage accounted for the most when we check the carbon emissions of different stages with BIN in the life cycle of Ground Source Heat Air Conditioning System. We also find the Frequency Conversion Technology can reduce the carbon emissions after studying the carbon emissions data of each device in operational stage with equivalent full load operation method.

ground-source heat pump conditioning system; life-cycle assessment; operational stage; carbon emissions; energy conservation and emission reduction

1671-6612（2017）02-140-05

TU833+.1

A

胡玉坤（1990.2-），男，在读硕士研究生，E-mail：18255103453@163.com

沈致和（1963-），男，教授，硕士生导师

2015-12-14