采暖空调中能源转换系统评价指标的研究

21采暖空调中能源转换系统评价指标的研究清华大学建筑技术科学系1研究背景和意义自然界中的一切物质运动都需要能量，提供能量的物质资源叫做能源，能源是国民经济的三大支柱产业之一。在全世界的能源消耗中，不论是发达国家还是发展中国家，建筑能耗在总能耗中所占的比重都是很大的，约为25~40%，而建筑能耗中由于暖通空调系统消耗的又占相当的比重。因此，如何合理有效的利用能源满足建筑耗冷量和耗热量的需求创造出舒适的室内环境，就成为建筑节能工作的一项重要内容。能源有多种不同的存在方式和利用技术，建筑物采暖和空调系统中常用的有电、天然气、煤、蒸汽、热水等多种能源方式。我国的能源消费结构多年来一直以煤炭为主，近年来伴随着国家城市化进程的加速和人们环保意识的增强，许多城市都开始着手调整能源结构，建立市场化的能源供应体系，逐步改善大气环境质量。西气东输、三峡水利枢纽等重大工程都已开始实施。建筑物内的采暖和空调系统形式也面临着变革，天然气和电等清洁能源的高效应用日益得到重视。对电制冷、天然气锅炉、楼宇热电冷联供系统（BCHP）等多种冷热源方式组合的选择依据，不能单纯地从能耗费用或者燃料所消耗的热值来简单评价[1,2,3]。不同的能源其品位有高低之分，电是最高品位的能源，其次是天然气、煤，然后是蒸汽、热水等。人们已经意识到能源的合理利用，尽可能做到高质高用。目前，国际上评价能源转换系统比较常用的方法是采用初次能耗（PrimeEnergy）和初次能率（PrimeEnergyRatio）作为方案评选的两个重要指标[4]。初次能耗PE是指为了制造所需冷（热）量而耗费的各种能量折算成的初次能源消耗量。初次能率PER是指初次能源消耗量与输出冷（热）量的比值。如果一个方案计算出的PER值越小，则此方案越佳。这种初次能耗折算方法，可以在一定程度上反映出不同能源的品质高低，但也存在一些问题。该方法中，仅是通过由初级能源转化的难易程度（或者说是由设备的转换效率）来反映不同种类能源的品位高低，而没有对不同种类的初级能源加以区分。例如：燃煤和燃天然气的热水锅炉，如果两种锅炉的转化效率相同，按照该评价方法，就会得到这两种燃料的能源品位是相同的结果。因此，虽然初次能耗折算法能够在一定程度上反映能源品位的高低，但其着眼点仅在于转换设备这一环节，没有从本质上对不同种类初级能源的品位加以区分。对暖通空调系统中能源转换部分的评价，应以热力学第二定律的火用分析方法作为评价依据，制定相关的量化评价指标。火用分析方法从“量”与“质”的结合上22规定了能量的“价值”，由于其在分析能量利用有效性方面的明显优越性而受到格外重视。我国学者杨东华在火用分析的基础上，提出了能级平衡分析法[5]，并用其评价、分析系统用能过程的合理性。但该方法仅涉及输入能量和用户之间的能量品质（能级）的差异，而没有充分考虑能源转换环节的转换效率。例如：比较电动制冷机和热水吸收式制冷机的能源转换利用情况，根据能级平衡分析法，就会得出这样的结论：由于电能的能级远高于用户所需能源的能级，所以电动制冷机的能源利用情况较差。但实际上，电动制冷机的COP可以达到4~6，远高于热水吸收机的COP（0.7左右）。也就是说，虽然电动制冷机消耗的是高品位的电能，但能源的转换效率较高，消耗少量的电能就能满足用户的需求。因此，对能源转换系统的评价，不能仅限于能源供、需双方的品位差异，还要考虑其中间过程的转换效率。本文运用火用分析方法，提出了能质系数的概念，从根本上反映了各种形式能源的品位高低，并给出了各种能源的能质系数的计算方法。以能质系数为基础，提出了能源转换系统评价指标ECC（EnergyConversionCoefficient），该指标一方面能够反映转换设备的效率，另一方面又能与能源供、需双方的品质联系起来，因而能够全面合理的对整个能源转换系统进行评价。运用ECC指标，分析、评价了采暖空调系统中，各种能源转化方式的能源利用情况，为采暖空调系统的合理用能提供了理论基础。2能质系数能量的传递形式分为功和热两种，功和热之间的转换是不可逆的。这种不可逆性说明不同形式的能量以及存在于高低温物体中的能量，除了有数量上的联系外，还有质量上的差别。能源的高效应用不仅要从数量上考虑，而且要从质量上研究。从合理利用能源的角度出发，应该以功作为能源品位的量度。基于这样的方法，将不同能源对外所能够做的功和其总能量的比值定义为这种能源的能质系数，用表示，其计算公式如下：QW(1)Q为该种形式能源的总能量，kJ；W为总能量中可以转化为功的部分，kJ。应用能质系数的概念，可以反映各种能源以及采暖空调中耗热量、耗冷量的能量品位高低。电是最高品位的能源，可以完全转换为功，其能质系数λe为1，其余能源形式的能质系数则根据其在供热空调系统应用当中的对外做功能力来分别确定。2.1不同种类能源的能质系数2.1.1燃料的能质系数23燃料火用包括物理火用和化学火用两部分，燃料的化学火用与燃料燃烧反应过程的最大有用功十分接近，与燃料的高热值也很接近。一些学者[6,7]指出：新一代能源动力系统的研究重点是将梯级利用的概念引入化学能及化学能向物理能转化的阶段，采用部分氧化燃烧、化学链燃烧等先进的能源转换技术，对传统的燃烧过程进行革新，以实现化学能与物理能的综合梯级利用。但在常规的能源动力系统中，通常采用直接燃烧的方式，将燃料的化学能直接转换成热能(物理火用)，并通过热力循环实现热功转化。所以本文基于目前大多数的技术水平，确定燃料的能质系数。图1建筑采暖空调用能情况为满足建筑采暖与空调的要求，会使用天然气、煤等一次能源和(或)蒸汽、热水、电等二次能源，具体利用过程参见图1。一次能源需要经过电厂、锅炉等动力装置和输配环节才能转化为二次能源供建筑使用，定义该环节的平均转化效率为。由于二次能源中电能的能质系数定义为单位1，所以采用对一次能源能质系数进行修正的方法，一次能源和二次能源能质系数的计算公式如下：一次能源：QWtheoryprime(2)二次能源：QWtheoryondsec(3)(a)天然气天然气燃烧释放的热量中可转化为可用功的部分，用热量火用[8]来衡量，计算公式如下：QTTEWQx0,1(4)根据公式(2)的定义，从热功转换效率出发，天然气的能质系数计算公式见(5)式。其中：Tgas是天然气完全燃烧的温度，取为1773K[9]（1500℃）；T0是参考温度，平均转化效率取为0.8。建筑空调用户供冷供热供电电厂、锅炉等输配系统天然气、煤等一次能源建筑冷、热源建筑燃料等一次能源电、蒸汽、热水等二次能源24000ln1TTTTTgasgasgas(5)(b)煤煤的能质系数的计算方法同上，计算公式见(6)式。该式中Tcoal是煤在蒸汽动力装置中完全燃烧的温度，考虑到现有的蒸汽动力装置的最高蒸汽温度为823K（550℃），按照此温度计算煤的能质系数。000ln1TTTTTcoalcoalcoal(6)2.1.2二次能源的能质系数二次能源的能质系数计算公式如(3)式所示，以下分别阐述市政热水、市政蒸汽以及冷冻水等二次能源的能质系数的计算方法。(a)市政热水供、回水温度分别为Tg和Th的市政热水，其热量中完全转化为功的部分为：hghgQxTTTTTQEWln10,(7)因此，市政热水的能质系数计算公式如下式所示，其能质系数的大小与供、回水的水温密切相关。hghghotwTTTTTln10(8)(b)市政蒸汽市政蒸汽一般在0.4~0.8MPa之间，按照蒸汽压力来计算。蒸汽做功的能力主要为汽化潜热释放阶段，此阶段为等温过程，所以市政热水的能质系数为：steamsteamTT01(9)上式中，Tsteam是蒸汽压力所对应的饱和温度，具体数值参见表1[10]。表1蒸汽压力与相应饱和温度蒸汽压力(MPa)0.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0饱和温度(℃)99.6120.2133.5143.6151.8158.8165.0170.4175.4179.9(c)冷冻水供、回水温度分别为Tg和Th的冷冻水，其能量中完全转化为功的部分可以用冷量火用的公式进行计算：1ln100,hghgQxTTTTTQQTTEW(10)25因此，冷冻水的能质系数计算公式如(11)式所示，其数值与供、回水的水温密切相关。1ln0hghgcoldwTTTTT(11)2.2耗冷量、耗热量的能质系数采暖空调系统中，为满足建筑所需冷（热）量需求，而耗费的各种能源转化为冷量和热量的难易程度是不同的。也就是说，耗冷量和耗热量二者的价值并不是相等的，因此需要给耗冷量和耗热量赋予品位的概念。2.2.1耗冷量能质系数夏季制冷是从露点温度为T的室内环境（考虑室内的除湿要求，所以送风温度必须低于露点温度）向温度为T0的室外环境排热。室内和室外环境视为两个热容量为无限大的热（冷）源，空调耗冷量的能质系数为：10TTC(12)2.2.2耗热量能质系数冬季供暖是从温度为T的室内环境向温度为T0的室外环境排冷，室内和室外环境同样视为两个热容量为无限大的热源，空调耗热量的能质系数为：TTH01(13)2.3能质系数汇总能源品位的高低，或者说能质系数的大小与能源使用地点的参考温度密切相关。根据采暖空调系统的使用时间，可以分为夏季和冬季两种情况来考虑。夏季的参考温度选择为：夏季空气调节日平均温度；冬季参考温度选择为：日平均温度≤5℃期间的平均温度。对于北京市而言，夏季参考温度为29.0℃，冬季参考温度为-1.3℃。表2是在北京市气象参数条件下，各种不同种类能源以及空调耗冷（热）量的能质系数。表2能质系数(北京市气象参数)名称夏季能质系数冬季能质系数备注耗冷量0.05－耗热量－0.07天然气0.510.53煤0.340.36市政热水0.1~0.20.2~0.3与供回水温度有关；市政蒸汽0.2~0.350.3~0.4与使用的蒸汽压力有关；26冷冻水0.07－与供回水温度有关；0.07是供回水为7~12℃时的能质系数。当建筑所在地的气象条件确定，即参考温度固定的情况下，表2中市政热水、冷冻水的能质系数随供、回水的温度而变化，即不同供、回水温度的水其品质是不同的。图2是北京市气象参数条件下，市政热水的能质系数随供水温度的变化关系，设定供、回水的温差为20℃且维持恒定。市政蒸汽的能源品位随其使用压力的不同而变化，图3是北京气象条件下，市政蒸汽的能质系数的变化关系。相同供水温度的市政热水和相同蒸汽压力的市政蒸汽，其能质系数在冬季使用时普遍高于夏季情况，这说明：当室外温度较低时，热水和蒸汽的能量中能够有更多的部分转化为可用功。0.050.100.150.200.250.300.358090100110120130供水温度(℃)能质系数夏季冬季图2市政热水能质系数0.150.200.250.300.350.400.45246810蒸汽压力(bar)能质系数夏季冬季图3市政蒸汽能质系数3能源转化系统评价指标以能质系数为基础，可以确定能源转化系统的评价指标―ECC，其计算方法见(14)式。分子反映了该园区或单个建筑物的能源收益情况（满足建筑供冷、供热以及供电需求），QC、QH和E分别为建筑的全年耗冷量、耗热量和输出的电27量，λC、λH和λe分别为对应的能质系数。分母反映了为满足建筑用地内建筑总冷、热负荷需求而消耗的能量情况，WHVACi是指为满足建筑冷热负荷需求，冷热源所需消耗的第i种能源的总量；λi为第i种能源的能质系数。iiHVACeHHCCiWEQQ）（＝ECC(14)全年耗冷、热量是指由于围护结构传热、室内热扰和新风所导致的全年耗冷、热量，均取绝对值。其中新风耗冷、热量，是指由于室内外空气焓差所导致的全年耗冷、热量，均取绝对值，且不考虑新风负荷和建筑耗冷、热量相互间的抵消，不考虑过渡季节利用新风、不考虑新风热回收