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1、北方地区既有建筑热泵与传统空调冷热源系统对比分析北京科技大学 仇安兵 曲世琳 葛旭 摘要 本文在对北方地区既有建筑（包括政府办公建筑和大型公共建筑以及民用建筑）空调冷热源现状进行调研的基础之上，从经济性、能量消耗、对环境的影响和社会效益等方面利用层次分析法(AHP)对既有建筑的热泵系统与传统空调冷热源系统进行对比分析。分析了各类建筑应用的冷热源形式及其所占比例、冷热源的组合方式及比例。提出了适合北方地区多种供能系统的具体形式，研究其适用性和可行性。关键词 既有建筑、层次分析法、空调冷热源1 概述冷热源是空调系统的重要组成部分，其设计合理与否关系到项目的投资、运行费用、对环境的影响和能耗等重要问
2、题。所以迫切需要一种简单实用的决策方法使其选择的方案达到最佳效果。我国学者在冷热源的研究中，主要集中在对冷热源方案的能耗分析和经济性的比较方面。从冷热源设备的性能分析，高普生1指出蒸汽型或热水型吸收式冷水机组的能耗约为电动式冷水机组的2-3倍，直燃式吸收式机组的能耗为电动式的1.6-2.1倍。从系统经济性分析，钱以明2对上海市某办公楼建筑采用冰蓄冷系统与常规系统分析比较，得到两者初投资之比为1.2:1，而运行费用之比为0.81:1。从环境方面分析，孙静3认为吸收式制冷机的CO2排放量约为电动制冷机的1.5-3.5倍，蒸汽双效吸收式制冷机二氧化硫的排放量约为电动制冷机的1.6-3.5倍。 林海云
3、4用生命周期评价方法对空调冷热源环境进行了综合评估，得出以天然气为燃料的直燃型溴化锂吸收式制冷方案对环境的影响最小的结论。国外对空调冷热源的研究起步较早，而且取得了较多的成果。目前较广泛应用的是建立冷热源设备的仿真模型，利用模型进行能耗状况的分析。本文通过对北京、天津等地区的26个建筑的空调冷热源现状进行调研分析，采用层次分析法(AHP)对不同空调冷热源方案从初投资、年运行费用、污染排放量等多个技术经济指标进行比较。将决策结果与工程实例进行对比，证明在北方地区地源热泵加太阳能系统作为空调冷热源较传统的冷热源形式更具有优势地位。2 北方地区空调冷热源现状分析为了分析北方地区目前的空调冷热源现状,
4、笔者对北方地区既有建筑（北京、天津、德州及赤峰的26栋建筑）的冷热源情况进行调研统计。涵盖了宾馆建筑、住宅小区、商业建筑、教育建筑、综合建筑(集办公、宾馆、商业等功能于一体)、体育建筑和办公建筑等类型。这些建筑的冷热源形式可划分为常规冷热源形式和热泵形式。统计的内容为建筑物的空调面积、冷热源的种类、容量、数目及耗电量。冷热源采用能源形势与比例见表1所示。表1冷源采用的能源形式及其比例能源形式空调冷热源形式建筑数量所占比例总计电冷源螺杆式冷冷水机组50.250.95热泵130.7热源热泵10.040.65太阳能相关设备50.19热泵+太阳能100.42气冷源直燃型溴化锂吸收式机组10.050.0
5、5热源燃气锅炉50.190.23直燃型溴化锂吸收式机组10.03热网热源热网直接供热10.030.03复合能源热源热泵+燃气锅炉20.070.07将建筑按照建筑面积的不同分为四类：20万平方米。并根据建筑面积的不同对空调冷热源形式统计结果见图1、图2。根据不同类型的建筑中所应用的冷热源形式类型及比例统计结果见图3、4。9图1不同面积范围冷源的形式图3不同功能建筑冷源的形式图2不同面积范围热源的形式图4不同功能建筑热源的形式由表1分析，在这26个项目中以电能为能源形式的冷热源有19个项目，占总项目的95%。热源采用的主要的能源形式分别为电能和燃气，分别占总数的65%和23%。由图1、2分析，所调
6、研的26个项目中绝大多数都是空调面积在1万平方米之上的建筑，空调面积在1-10万平方米的建筑中，以热泵为冷热源的项目占76.9%。由图3、4分析， 根据办公楼的要求和地域的不同，采取的冷热源形式也随之改变。对于住宅，采用热泵为冷热源形式的项目占了绝大多数达到90%。热源形式中太阳能的比重有所增加。在热泵系统中，有7个项目采用了太阳能作为辅助热源。3 冷热源优化评估方法冷热源的选择需考虑经济性因素、使用特性、对建筑的影响、社会效益等诸多因素。为寻求能够达到技术和经济总体效果的最佳方案，需要对其进行评估。目前，空调冷热源方案的选择方法多为价值分析法、经济评价法56、灰色优选法78、层次分析法(AH
7、P)910、多指标决策法911和exergy分析法12等。每种评价方法的侧重点不同，同一种冷热源方案，采用不同的评价方法得出的结果会有出入。本文利用层次分析法评估所提出的几种冷热源方案。层次分析法(Analytical Hierarchy Process，以下简称AHP)根据问题的性质和要达到的总目标，将问题分解为不同的组成因素，并按照因素之间的相互关联影响和隶属关系将其按不同层次聚集组合，形成一个多层次的分析结构模型，并把分析归结为最底层(方案层)相对于最高层(决策目标)的相对重要性权值确定或相对优劣次序的排序问题。在对空调冷热源方案选择的原则及影响因素的分析中，考虑影响空调冷热源方案的经济
8、性因素、使用特性、对建筑的影响、社会效益这四个因素，构成方案选择的最高准则层。而节省初投资、节省运行费用、节省的机房占地面积、能耗、设备的安全可靠性、维护管理的方便程度、C02排放量和CO、NO、S02、烟尘的综合污染指数和能源发展规划等九个因素，即空调冷热源方案的评价目标集，构成了空调冷热源方案选择的指标体系。这些指标中前四项是定量可估算的，后五项是定性的量化指标。AHP层次结构见图5所示。选择合适的冷热源方案经济性使用特性对环境的影响社会效益具体方案1具体方案2具体方案3目标层准则层方案层图5 AHP层次结构图对各相关元素进行两两比较评分，根据中间层的若干指标，可得到若干两两比较判断矩阵。
9、矩阵中的赋值表示甲因素对乙因素的重要程度的赋值。将判断矩阵每列正规化并将判断矩阵按行相加计算权重，计算矩阵的最大特征根。通过计算判断矩阵最大特征值和相应的归一化特征向量，求出所有层次单排序和层次总排序权值。对判断矩阵每一行元素乘积：。令为的次方根：。对向量进行正规化处理，即 则即是层排序权值。判断矩阵的最大特征值： (1)其中 为向量的第个元素，A为判断矩阵，为矩阵维数。为保证结论的合理性，有必要对构造的判断矩阵进行一致性检验。令相对一致性指标为： (2)式中，CI为一致性检验指标 (3)RI为平均随机一致性指标，单层次判断矩阵的平均随机一致性指标随矩阵的维数而变动，其取值如表2所示。表2 平
10、均随机一致性指标12345678910000.580.901.121.241.321.411.451.49CR越小，判断矩阵的完全一致性越好。一般认为时，就可认为判断矩阵基本符合完全一致性条件。如果，那么一般认为初步建立的判断矩阵是不能令人满意的，需要重新分析赋值，仔细修正，直到检验通过为止。4 实例对比分析热泵系统与传统空调冷热源系统现结合一工程实例，采用AHP法对热泵与传统空调冷热源系统对比分析。天津市某工程建筑面积74800平方米，建筑高度22.95米。夏季制冷设计日最高冷负荷为6500kW，冬季供暖设计日最高热负荷为4300kW，全年生活热水最大加热负荷为1200kW（水温60），日用
11、水量约180m3。提出以下几种备选方案：燃气锅炉采暖+冷水机组制冷：该项目的冷负荷属中等大小，故夏季采用螺杆式冷水机组。锅炉采暖比分散式采暖更节省，可实现集中管理，方便维修，对污染物可实现高空排放。该地区严格限制燃煤锅炉的使用，故冬季采用燃气锅炉采暖。地源热泵供冷热：地源热泵是实现供热、制冷的高效节能空调系统，利用地层在一定深度下四季温度比较恒定（天津地区约为14），且具有热容量巨大、可以再生等特点。地源热泵制冷热+太阳能供热水：天津地区属二类太阳能资源丰富地区，年均太阳辐照度为5425.1 MJ/，年均日照时数为2610-3090 h，可充分利用太阳能资源。地源热泵系统为绝大多数建筑提供冬季
12、采暖和夏季制冷功能，利用太阳能作为辅助。同时还利用地源热泵热回收系统与太阳能集热器系统相结合来为医院提供全年生活热水。设定评价指标体系：目标层A为选择合适的冷热源方案，准则层B包括设备初投资(B1)、系统运行费用(B2)、工作可靠性和安全性(B3)、对环境的影响(B4)以及机房占地面积(B5)五个因素，方案层C即为最初拟定的三种方案(C1,C2,C3)。详见图6：图6空调冷热源分层树状图计算准则层B各元素对目标层A层次排序权值，分别求出，以及，列于表9：表9 准则层B各元素对目标层A的层次排序权值AB1B2B3B4B5权值B1113591352.66730.3651B2113591352.66
13、730.3651B31/31/31372.33331.18450.1622B41/51/51/3150.06670.58180.0796B51/91/91/71/510.0003530.20390.0279由式1得判断矩阵的最大特征值：= 由式2 与3对其进行一致性判断：一致性检验指标，由表3平均随机一致性指标=1.12。故相对一致性指标。0.1,即通过一致性检验。同理，可分别计算出方案层C对准则层B的层次单排序值。方案层C相对于准则层B的层次总排序结果见表10。表10 方案层C相对于准则层B的层次总排序结果初投资B1运行费用B2可靠性B3环境影响B4占地面积B5层次总排序权值0.36510.
14、36510.16220.07960.0279C10.48150.23560.23070.07690.29070.3155C20.25670.39050.37640.46150.36330.3442C30.26180.37390.39290.46150.34600.3422层次总排序一致性检验如下：=0.36150+0.36150+0.16220.0092+0.07960+0.027900.0015=0.36150.58+0.36150.58+0.16220.58+0.07960.58+0.02790.58=0.58C3C1(“”表示优于)。即采用地源热泵加太阳能系统方案最优，仅采用地源热泵系统方案略次于地源热泵加太阳能系统，而采用燃气锅炉加冷水机组方案为三个方案中最不可取的。与常规方式相比，地源热泵系统方案虽然初投资高一些，但是运行费用较低，大约在67年内即可收回投资。而地源热泵+太阳能系统又比仅使用地源热泵系统有优势，因为天津市日照较长，太阳辐射强，太阳能资源较为丰
