04采暖空调中能源转换系统评价指标的研究

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（Prime Energy）和初次能率（Prime Energy Ratio）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
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 （Energy Conversion Coefficient ），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λ表示，其计算公式如下：
Q
W =
λ
(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
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η。

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： Q
W theory prime ⋅
=⋅=ηληλ
(2) 二次能源： Q
W theory ond =
=λλsec (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：
⎰⎪⎭⎫
⎝
⎛-==Q T T E W Q x δ0,1
(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：T gas 是天然气完全燃烧的温度，取为1773K [9]（1500℃）；T 0是参考温度，平均转化效率η取为0.8。

⎪⎪⎭
⎫
⎝
⎛
--
⋅=000
ln
1T T T T T gas gas gas ηλ (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T coal 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。

⎪⎪
⎭
⎫ ⎝
⎛
--
⋅=000ln 1T T T T T coal coal coal ηλ
(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T g 和T h 的市政热水，其热量中完全转化为功的部分为：
⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛--==h g h g Q x T T T T T Q E W ln 10
, (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。

h
g h g hotw T T T T T ln 10
--
=λ
(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：
steam
steam T T 0
1-
=λ (9)
上式中，T steam 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
(c) 冷冻水
供、回水温度分别为T g 和T h 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：
⎰
⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛--=⎪⎭⎫ ⎝⎛-==1ln 100,h g h g Q x T T T T T Q Q T T E W δ (10)
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。

1ln 0
--=
h
g h g coldw T T T T T λ
(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T 0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
-=
T
T C λ (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T 0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：
T
T H 0
1-
=λ (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)
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。

图2 市政热水能质系数
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），Q C、Q H和E分别为建筑的全年耗冷量、耗热量和输出的电
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，W HVACi 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。

∑
⨯⨯+⨯+⨯i
i HVAC e H H C C i W E Q Q ）（＝
λλλλECC
(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、不考虑根据人员多少改变新风等方式。

计算冷热源的实际能耗时，应该考虑新风节能的各种措施，考虑设备的匹配和部分负荷下的设备效率，要计入冷却侧的水泵和风机的能耗。

例如，水源热泵要计算取水和回灌水泵的电耗，风冷热泵要计算冷凝侧风机电耗，水冷机组和吸收机以及直燃机等则需要计算冷却塔风机电耗和冷却泵电耗。

电输出量是指包括热电联供在内的发电系统向外供电量（包括发电上网或建设用地自用电等）。

ECC 的数值越大，说明在同样满足建筑（或园区）供热、供冷（电）需求的前提下，能源供应系统的能耗越低，因而该采暖空调方式的能源利用效率越高，技术经济上越合理。

设计者应该通过优化的能源形式和合理的冷热源配置来实现高效节能的设计宗旨。

4 建筑采暖和空调方式评价
4.1采暖和空调方式比较
能源转化效率的高低（即ECC 的数值大小），与建筑所在地的气象条件、围护结构与建筑使用情况、采用的冷热源形式、以及冷热源的效率有关。

建筑所在地的气象条件，影响能质系数中参考温度T 0的大小，从而影响了各形式能源的能质系数。

建筑的围护结构与使用情况，决定了该建筑为满足室内适宜的温湿度要求所需的耗冷量和耗热量，也就确定了所需冷热量的比例情况；如果建筑的耗热量仅占很小的比例，则该建筑提高能源利用效率的主要着眼点在于选择良好的夏季空调形式并尽可能采用高效的设备。

根据各种制冷、供暖形式的通常效率水平，应用ECC 评价指标，详细分析各种形式的供暖空调方式的用能情况（具体建筑中能源转化评价时，应以实际采用装置的效率为准）。

所考虑采用的供冷和供暖形式以及各装置的转换效率如表3所示。

楼宇式冷热电联供（BCHP ）系统，发电效率和产热效率分别取为25%和55%。

表3 供冷和供暖形式效率
图4和图5是分别仅考虑供冷和供热情况下，在表3所示的效率水平下，各种空调冷热源形式的ECC 。

供冷方式优先使用的次序为：BCHP>
水源热泵>电动制冷机>热水吸收机>蒸汽吸收机>风冷热泵>直燃机。

供热方式优先使用的次序为：BCHP>市政热水>水源热泵>市政蒸汽>风冷热泵>燃煤锅炉>直燃机>电采暖。

表4 供冷和供暖形式
图6是考虑全年的供冷和供热情况下，各种空调冷热源形式的ECC，各编号所代表的供冷和采暖形式参见表4。

可以看出，ECC除了与使用的冷热源形式有关外，还与建筑的耗热量和耗冷量的比例有关。

当建筑耗热量与耗冷量相等时，BCHP系统的ECC最高，其次是电动制冷机供冷+市政热水供热的系统，热水吸收机供冷+市政热水供热的系统以及水源热泵系统次之，ECC较低的系统是：直燃机供冷+直燃机(燃气锅炉)供热、电制冷+直接电采暖方案。

根据上面的比较分析可以看出，BCHP系统的优越性非常明显，其ECC的数值远高于其它常规采暖空调形式。

BCHP的能源利用效率较高，能够通过燃烧初次能源产生高品位的电能，同时伴随产生的热量夏季可作为热源驱动制冷装置满足建筑供冷的需求，冬季可直接用于建筑的采暖需求。

BCHP系统在能源利用上的优势显而易见。

夏季制冷系统中，水源热泵、电动制冷机、风冷热泵均是消耗最高品位的电能，但由于上述制冷装置的COP较高，因而ECC的数值较大，三种耗电制冷装置的优选排序为：水源热泵>电动制冷机>风冷热泵。

热水吸收机和蒸汽吸收机使用的是能源品位较低的热水和蒸汽作为其驱动能源，虽然装置的COP不高，但由于所消耗能源的能质系数不高，所以ECC的数值也较大，介于电动制冷机和风冷热泵之间；热水吸收机的COP仅为蒸汽吸收机COP的60%，但热水的能质系数低于蒸汽的能质系数，即热水的品位相对更低一些，综合比较而言，热水
吸收机的ECC要高于蒸汽吸收机。

直燃机这种供冷形式在所涉及的7种制冷方式中ECC最低，究其原因主要有两个方面：一是使用的驱动源品位较高，即能质系数较大；二是制冷装置的COP较低。

冬季供热系统中，电采暖虽然由电能转化为热能的效率非常高，可以达到95%以上，但电能是最高品位的能源，将其直接用于供暖显然是让“高质能”干“低级活”，与能量的梯级利用原则相违背。

因此，当建筑的供暖需求量较大时，不应该采用直接电采暖的方式。

冬季采用燃气锅炉供热或者直燃机供热时，以较高品位的天然气作为其动力来源，虽然其供热的效率可以达到90%，但与电采暖存在相同的问题，在能源使用品质上存在不匹配的问题。

所以，当建筑的冬季耗热量较大时，不宜采用燃气锅炉或直燃机直接供热的采暖方式。

应用ECC指标，与能级平衡理论[5]可以得到相同的结果，即电采暖与燃料燃烧直接取暖从能量利用的质量水平（能级匹配）来讲是不合理的。

4.2北京市商业建筑的调研结果
以上的分析是在表3所示的各冷热源平均效率的基础上得到的结论，实际建筑中由于各制冷、供热装置的效率与表3所示数值存在一定的差异，暖通空调的运行策略和节能措施各不相同，因此有必要对实际运行建筑的能耗进行统计和分析，以详细分析其能源利用情况。

通过对北京市几个大型商业建筑的能耗进行现场测试和统计，反映了实际建筑中冷热源部分的能源转化及利用情况。

4.2.1建筑基本信息
(1) A建筑
2。

(2) B
位于北京市中心王府井商业区，总建筑面积4.3万m2。

夏季空调使用电动制
680
(3) C
位于北京市宣武区，
总建筑面积3.3万m 2。

空调系统使用离心式冷水机组加标准煤
(4) D
水机组供冷，冬季供暖使用市政热网，水系统采用两管制二次泵系统。

空调系统年耗电量为289万度，各部分的能耗比例见图10。

(5) E
位于北京市建国门附近，总建筑面积9.9万m 2。

能源消耗主要分为电力、天
例见图
(6) F
式+占37%
4.2.2调研建筑ECC及结果分析
所调研的六所建筑的ECC结果见表5。

ECC最大的是F建筑，夏季采用电动制冷机，冬季采用市政热网供热。

ECC最小的是E建筑，夏季采用燃气锅炉驱动的蒸汽型吸收机，冬季采用市政热网供热。

各建筑冷热源部分利用能源的情况可以通过ECC的数值大小反映出来，F建筑最优，其次是D建筑，之后是A 建筑、C建筑、B建筑，E建筑最差。

由于实际建筑的使用情况不同，所采用的具体设备也不同，所以即使采用相同的制冷和制热形式，其ECC的差距也是很明显的，例如D建筑和F建筑。

表5 案例分析结果
5 结论与展望
能量转换系数ECC可以用来量化的比较园区及建筑不同冷热源方式的能源利用效率，可作为设计人员在规划和方案确定阶段的决策依据。

此外，该指标也可以作为政府主管部门和政策研究者制定能源鼓励办法的相关依据。

通过不同冷热源系统的比较，得到如下结论：BCHP的能源利用率最高，应优先采用；冬季直接电采暖不符合能量的梯级利用，能源利用效率最差，当建筑的供热需求较大时，不应该采用此方式。

ECC的数值越大，说明该建筑暖通空调的冷热源选择越优。

因此在设计阶段需要注重两个方面：一是要选择合理的制冷和供热方式，二是尽可能选用高效率的制冷和供热装置；在实际运行过程中，要注重设备的合理使用，尽可能使其工作在最高效率点或其附近，采用有效的控制策略减小能源的消耗。

参考文献
1.[美]杰罗尔德著. 能源的转换与利用. 陈保平等译. 冶金工业出版社, 1992
2.[日]信泽寅男著. 能源工程中火用的浅释. 朱明善等译. 化学工业出版社, 1987
3.徐业鹏编著. 能量转换与新能源. 冶金工业出版社, 1990
4. F.Ziegler and Riesch. Absorption cycles. A review with regard to energetic efficiency.
Recovery Systems & CHP. 1993. V ol.13, No.2, pp.147-159
5.杨东华著. 火用分析和能级分析. 科学出版社, 1986
6.蔡睿贤, 金红光, 林如谋. 能源动力系统与环境协调的探索. 21世纪100个交叉科学难
题, 2003
7.金红光, 王宝群. 化学能梯级利用机理探讨. 中国工程热物理学会2003年学术会议: 工
程热力学与能源利用. pp.119-125
8.Adrian Bejan. Advanced Engineering Thermodynamics. 1988
9.秦朝葵等编著. 燃气节能技术. 同济大学出版社, 1998
10.[德]W.瓦格纳, A.克鲁泽著. 水和蒸汽的性质. 项红卫译. 科学出版社, 2003。