建筑技術(shù)丨基于多種方案評價及優(yōu)化的張家口高速公路服務(wù)區(qū)低能耗建筑熱源適配性研究

延崇高速公路是2022年北京冬奧會北京市連通張家口市崇禮賽區(qū)的主通道，是交通運輸部第一批綠色公路建設(shè)典型示范工程，因此，在該區(qū)段的服務(wù)區(qū)開展低能耗高速服務(wù)區(qū)熱源適配性研究，通過層次分析法、灰色關(guān)聯(lián)法和模糊綜合評價法確定最優(yōu)熱源方案，對助推低碳、綠色奧運具有重要意義。1、當(dāng)前熱源方案存在的問題當(dāng)前張家口高速公路服務(wù)區(qū)采取的熱源方案包括：燃煤鍋爐、地源熱泵、VAV多聯(lián)機(jī)、LNG鍋爐、電蓄熱鍋爐和電熱膜。在使用中這些熱源方案存在以下問題：（1）燃煤鍋爐存在能耗大且排放出大量的污染物的問題；（2）部分項目設(shè)備容量選取過大或匹配不當(dāng)，造成初投資和運行費用增加，同時還會造成設(shè)備能力浪費；（3）用能設(shè)備監(jiān)控缺失，導(dǎo)致無法準(zhǔn)確掌握系統(tǒng)能耗和運行狀態(tài)，不能及時發(fā)現(xiàn)處理系統(tǒng)問題；（4）專業(yè)管理人員缺失，管理粗放，造成運行費用大幅增加。本文針對當(dāng)前高速公路服務(wù)熱源存在問題，通過分析張家口高速服務(wù)區(qū)低能耗建筑的用能情況，與現(xiàn)有熱源技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化匹配，尋找最優(yōu)方案，為未來服務(wù)區(qū)建設(shè)提供方向和數(shù)據(jù)支撐。2、低能耗服務(wù)區(qū)概況赤城低能耗服務(wù)區(qū)項目位于河北省張家口市，屬于延崇高速河北段。該項目定位為綜合性建筑，建筑地上3層，高15.15?m，總建筑面積3?896.05?㎡，夏季不制冷，冬季采用電蓄熱鍋爐供熱。圍護(hù)結(jié)構(gòu)要求均按超低能耗建筑設(shè)計，其余按照GB50189—2015《公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》設(shè)計，見表1。表1服務(wù)區(qū)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)施工采用無熱橋建造技術(shù)，以有效降低建筑內(nèi)熱量散失；為進(jìn)一步降低建筑能耗，本項目在餐廳、會議室、超市、特色小賣、鐘點房、客房、辦公室、衛(wèi)生間等采用全熱回收新風(fēng)系統(tǒng)，熱回收效率大于75%，可在提升室內(nèi)人員舒適度的同時降低能源消耗。同時，通過服務(wù)區(qū)屋頂安裝的分布式光伏發(fā)電站，每年可發(fā)電11.6萬kWh，滿足服務(wù)區(qū)約15%的用電需求，在一定程度上緩解服務(wù)區(qū)用電對市政電網(wǎng)的壓力。由于公廁和餐廳人員流動過于頻繁，建筑的氣密性無法保證，故建筑為低能耗建筑。3、能耗模擬分析根據(jù)服務(wù)區(qū)內(nèi)建筑功能和用能特點，按餐廳、超市、客房和辦公室人員作息制訂相應(yīng)的照明及設(shè)備作息時間，采用DesignBuilder建筑模擬軟件進(jìn)行能耗模擬，模擬模型如圖1所示，模擬結(jié)果見表2。圖1服務(wù)區(qū)模型示意表2服務(wù)區(qū)能耗模擬結(jié)果4、熱源方案的比較及優(yōu)化4.1熱源方案的選取原則

（1）根據(jù)該建筑屬改造還是新建選擇系統(tǒng)，若為改造項目宜利用原有末端設(shè)備和管道系統(tǒng)，以降低初投資。（2）根據(jù)當(dāng)?shù)啬茉垂?yīng)情況和地理區(qū)位選擇系統(tǒng)，考察當(dāng)?shù)貧?、煤、電等資源，選擇符合實際情況的系統(tǒng)。（3）根據(jù)政策導(dǎo)向選擇系統(tǒng)，例如是否有相關(guān)補(bǔ)貼政策或峰谷電價等。

4.2熱源方案分析

熱源類型主要有熱源、熱泵。其中熱源包括燃油鍋爐、電力鍋爐、燃?xì)忮仩t和燃煤鍋爐；熱泵主要有VRV多聯(lián)機(jī)、超低溫空氣源熱泵、地源熱泵等形式。根據(jù)以上原則選取，由于燃煤鍋爐及燃油鍋爐因受運輸成本及環(huán)保政策等因素制約；其他可再生能源如太陽能因系統(tǒng)不穩(wěn)定、設(shè)備復(fù)雜，很少單獨用于高速服務(wù)區(qū)。經(jīng)過初選，電熱膜、熱泵及燃?xì)忮仩t等已較多用于在新建，在現(xiàn)場調(diào)研的過程中也得到了驗證，故做出地源熱泵、VRV多聯(lián)機(jī)、LNG鍋爐、電蓄熱鍋爐和電熱膜五種方案。4.3方案比較4.3.1費用情況熱源方案費用情況比較見表3。表3熱源方案費用比較從表3可看出，設(shè)備初投資以電蓄熱鍋爐+散熱器為最低，而地源熱泵+風(fēng)機(jī)盤管最高；地源熱泵+風(fēng)機(jī)盤管的年運行費用最小，而電熱膜最大；電蓄熱鍋爐+散熱器費用年值最小，經(jīng)濟(jì)性最好，其次為LNG鍋爐+地板輻射和電熱膜，最差為VRV多聯(lián)機(jī)+散熱器和地源熱泵+風(fēng)機(jī)盤管。4.3.2技術(shù)條件比較技術(shù)條件比較結(jié)果見表4。表4熱源方案技術(shù)條件比較4.3.3環(huán)保效益分析采用耗電量轉(zhuǎn)換為一次能源的方式，以國家規(guī)定的每千克標(biāo)準(zhǔn)煤排放量為基準(zhǔn)，計算各方案下折合標(biāo)準(zhǔn)煤的CO2、SO2以及NOX的排放量，計算結(jié)果見表5。表5熱源方案環(huán)保效益比較4.4熱源方案的綜合評價及優(yōu)化方法4.4.1評價體系的建立采用層次分析法確定評價5種熱源方案的指標(biāo)體系（圖2）。采用歸一化和規(guī)范化方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，采用層次分析法確定評價指標(biāo)體系的權(quán)重系數(shù)。圖2熱源方案評價指標(biāo)體系4.4.2綜合評價及優(yōu)化方法優(yōu)選采用層次分析法、灰色關(guān)聯(lián)法和模糊綜合評價法對5個熱源方案進(jìn)行評價，結(jié)果見表6。采用計算兼容度的方法進(jìn)行綜合評價方法的優(yōu)選，見表7。表6熱源方案的評價結(jié)果表7不同評價方法的兼容度及優(yōu)劣排序從表7可看出，灰色關(guān)聯(lián)度評價法最適合所建立的5個熱源方案的評價體系，由此可確定由灰色關(guān)聯(lián)度優(yōu)選出的電蓄熱鍋爐+散熱器為最佳方案。5、結(jié)束語本文根據(jù)熱源方案選取原則和現(xiàn)場調(diào)研實際情況對不同熱源進(jìn)行初選，得出在高速公路領(lǐng)域值得推廣的5種方案。然后通過分析低能耗高速服務(wù)區(qū)的能耗情況，在典型建筑的熱負(fù)荷數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，對5種熱源方案的經(jīng)濟(jì)性、技術(shù)條件和環(huán)保