城市建筑电能源供给方式

0引言

21世纪能源以及环境问题已经成为了各国的头等问题。如何合理、安全的使用能源变成了世界性的课题。建筑是城市中的基本场所，也是大量消耗能源资源的重要环节。我国建筑耗能的数字非常惊人:在建造和使用过程中直接消耗的能源占全社会总能耗的20%。根据发达国家的发展经验，这一比例将逐步提高35%左右，建筑能耗极有可能在不远的将来成为我国第一耗能大户。我国建筑不仅耗能高而且能源利用效率相对较低，单位建筑能耗比同等气候条件下的发达国家高出2～3倍。因此，中国要走可持续发展道路发展节能与绿色建筑已刻不容缓。

1四种建筑能源供给系统介绍

1．1压缩式制冷机组+锅炉+电网系统［1］

压缩式制冷机组+锅炉系统+电网的方式是目前建筑中最常用的供能方式。夏季时，电驱动制冷机组开启提供冷量。冬季时，开启锅炉供暖。一年四季电量全部由电网给出。该系统设计和运行都很简单，缺点是不够节能，有时锅炉余热能超过200℃，没有达到梯级利用。

1．2分布式三联供系统［2］

天然气热电冷三联供系统是以天然气为一次能源，同时产生热、电、冷3种二次能源的联产联供系统。天然气首先进入小型燃气轮机产生电力，然后燃气透平排放出来的高温尾气驱动吸收式制冷机制冷或通过锅炉供热，满足用户对热电冷的各种需求。系统具有效率高、可靠性强及污染物排放低等特性，但是系统所产生的热量往往造成了供大于求，造成了热浪费。

1．3地域热泵+电网系统［3－5］

地源热泵系统是利用地下土壤温度相对稳定的特性，通过深埋于建筑物周围的管路系统采用热泵原理，通过少量的电能输入，完成热交换的一种技术。地球一年四季其地表5m以下的土壤温度十分稳定，是一种清洁的可再生能源。夏季时土壤温度低于大气温度，冬季时土壤温度高于大气温度。地源热泵机组工作原理就是在夏季从土壤提取冷量，由热泵原理通过空气作为载热剂降低温度后送到建筑物中，再配以少量电能完成冷量的提供。而冬季，则从土壤中提取热量，由热泵原理通过空气作为载冷剂提升温度后送到建筑物中，再配以少量电能从而实现提供热量的过程。与传统的供能系统比较，地源热泵系统运行费用相对较低，排放的污染物也很少。但是地源热泵的可持续性一直受到怀疑。土壤温度恢复可能跟不上使用温度的要求。某些地区冷量需求较多，若干年后夏季土壤温度会逐步上升而导致地源热泵制冷能效下降，而在热量需求多的地方，若干年后冬季土壤温度会逐步下降而导致地源热泵制热能效下降。此外，巨额的初投资费用和难度较高的设计也是重要缺点。一年四季电量全部由电网给出。

1．4太阳能+电网系统［6］

太阳能制热是指通过太阳能集热器将自来水加热，再把这部分热量送到大楼内，此技术已经在全球大规模使用。直接利用太阳能制冷是指主要应用太阳能系统通过太阳能集热器以及加上一部分辅助热源提供的热能将自来水加热，利用太阳能转换的热能驱动进行制冷，这部分热水(大约为70℃)主要提供给吸收式制冷机来满足负荷要求，机组的制冷系数可达0.8。这种制冷方式成本低、无噪音、无污染，这样就能够实现太阳能全年高效利用。一年四季电量也全部由电网给出。众所周知，太阳能利用运行费用的低价位和清洁是太阳能的主要优势。同时，天气因素、地理环境对太阳能利用的影响是起决定性的。

1．5系统优化［7］

无论是采用地源热泵系统还是太阳能系统都受到了自然条件很大的影响。现在也有很多研究机构对以上两种系统做了优化，以下就是两种最具代表性的方法。某些地区因为夏季地源热泵的冷凝器会产生大量热量，如果直接排入地下会导致地源温度缓慢上升，若干年后地源热泵的制冷能效会大幅度下降从而导致地源热泵不再具有节能性。这部分热量通过换热器换热成生活热水(大约为55℃)则可以节省大笔的燃料费用，不但可以节省至少20%的燃料费用而且也提高了地源热泵长期运行的可靠性。与此相反，某些地区冬季热量不足。可以利用夏季太阳辐射强度大的特点，太阳能集热器收集的能量除了可以满足供空调运行，余热可提供洗浴和生活热水，剩余热量通过蓄热井储存在地下，以备冬用。到了冬季，太阳辐射强度明显达不到要求，此时就可以用地源热泵系统作为太阳能系统的辅助热源从土壤中取出热量。

2应用实例

上海某大厦是一座现代化的涉外办公室，大厦占地面积8600m2，总建筑面积49650m2，地下一层，地上二十七层，建筑总高度98.5m。白天需要不间断的电能。此外在夏季和冬季分别需要冷量和热量，夏季不提供生活热水。图1所示为该大厦2010年逐月冷热电负荷图。

2．1压缩式制冷机组+锅炉+电网系统

大厦现采用压缩式制冷机组+锅炉+电网的供能组合，其中4台288kW螺杆式压缩机，3台4t/h柴油锅炉，一年共消费电力450kWh，柴油176t。花费电费约430万元，油费约97万元。总和为527万元。

2．2分布式三联供系统

天然气热电联产价格为2．05元/m3，天然气热值取35．2MJ/m3。.与传统的供能方式比分布式三联供系统年运行费用约为510万元，约为传统供能方式运行费用的9%。又由于天然气污染物较少，碳的含量也比煤少，二氧化碳减排率为11%。

2．3地源热泵系统

上海地区属于“夏热冬冷”地区，近几年最热月平均气温已达30.2℃，最冷月平均气温为4.2℃。高于35℃的酷热天气长达半个月至一个月，日平均温度低于5℃的天数长达两个月以上。每年传给土壤的冷热量基本相同，能充分发挥土壤蓄能的作用，适合于地源热泵系统。该大厦前有一片空地约1500m2，可提供该大厦地源热泵系统布管的土壤面积。因此该项目用地源热泵空调系统是非常适合的。一般在上海钻孔间距是4～6m，深度是60～80m，按夏季换热量40W/m，冬季30W/m计算，夏季节约用电约16.2%，冬季节油约17.7%，节能率约17%。年运行费用约为490万元。