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摘要:針對建筑運行期生活熱水系統(tǒng)年碳排放量計算過程中，計算模型適用范圍只包含全日集中熱水系統(tǒng)及其變量取值范圍導(dǎo)致計算結(jié)果差別較大的問題，增加了定時集中熱水系統(tǒng)碳排放量計算模型，采用Sobol方法對計算模型進(jìn)行敏感性分析。分別對全日和定時集中熱水系統(tǒng)進(jìn)行了案例計算分析。案例計算表明:全日制集中熱水系統(tǒng)年碳排放量最大和最小值之比為1．74，敏感性較大的變量為生活熱水系統(tǒng)熱源平均效率、用水計算單位數(shù)和熱水用水定額;定時制集中熱水系統(tǒng)年碳排放量最大和最小值之比為2．29，敏感性較大的變量為生活熱水系統(tǒng)熱源平均效率和衛(wèi)生器具熱水的小時用水定額。

關(guān)鍵詞:碳排放計算;建筑熱水系統(tǒng);Sobol方法

1概述

限制溫室氣體排放，實現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和已成國際社會共識，而建筑行業(yè)在應(yīng)對全球氣候變暖問題中有重要作用［1－2］。建筑給排水系統(tǒng)中的生活熱水系統(tǒng)能耗占建筑運行期總能耗的15%［3］，江浙滬地區(qū)高校宿舍電熱水器年耗電量占宿舍全年總耗電量的比值更達(dá)到了74%［4］。由此可見生活熱水系統(tǒng)相比其他建筑設(shè)備系統(tǒng)同樣具有較大的減碳潛力，對我國雙碳目標(biāo)達(dá)成貢獻(xiàn)較大。建筑運行期碳排放計算是支撐雙碳目標(biāo)的一項基礎(chǔ)性工作。多個國家編制了碳排放計算標(biāo)準(zhǔn)，我國在2019年由中國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布了GB/T51366—2019建筑碳排放計算標(biāo)準(zhǔn)(以下簡稱《計算標(biāo)準(zhǔn)》)，其中包含了建筑運行期生活熱水系統(tǒng)的碳排放計算公式。在實際設(shè)計過程中發(fā)現(xiàn)，《計算標(biāo)準(zhǔn)》中的建筑運行期生活熱水系統(tǒng)碳排放計算公式只列出了全日集中熱水系統(tǒng)的情況。當(dāng)設(shè)計采用定時集中熱水系統(tǒng)時，《計算標(biāo)準(zhǔn)》并無明確給出計算公式。同時，在設(shè)計階段進(jìn)行熱水系統(tǒng)的碳排放計算時，發(fā)現(xiàn)部分參數(shù)取值范圍過大。如宿舍熱水用水定額，取值范圍在70L/(人×d)～100L/(人×d)。并且，熱水系統(tǒng)的使用人數(shù)雖然按建筑最多使用人數(shù)進(jìn)行設(shè)計，但在碳排放量計算時，需考慮實際使用人數(shù)，故使用人數(shù)的估計同樣影響了碳排放量的計算結(jié)果。本文參考GB50015—2019建筑給水排水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)增加定時集中熱水系統(tǒng)碳排放量計算模型，采用Sobol方法對建筑運行期生活熱水系統(tǒng)計算模型進(jìn)行敏感性分析。以期擴(kuò)展熱水系統(tǒng)碳排放量計算模型的適用性，得出計算模型中哪些變量的敏感性較高，需要注意調(diào)查研究得出盡量符合實際情況的大小。為設(shè)計人員計算建筑運行期生活熱水系統(tǒng)碳排放量提供參考。

2研究方法

2．1Sobol法

Sobol［5］于1993年提出了用于計算參數(shù)或自變量敏感性的方法，是一個基于方差分解的，可得到全局敏感性的分析方法。對于函數(shù)Y=f(x)，自變量為向量x=(x1，x2，…，xn)，其中n為自變量的數(shù)量。對各自變量進(jìn)行Sobol取樣或蒙特卡羅取樣(本文采用Sobol取樣)，得到方程Y=f(x)的總方差，將其分解若干個子方差后得到:D(Y)=∑iDi+∑i＜jDij+∑i＜j＜kDijk+…+D12…n(1)其中，Di為第i個自變量xi產(chǎn)生的Y值的方差;Dij為第i個和第j個自變量共同作用產(chǎn)生的Y值的方差;D12…n為所有自變量共同作用產(chǎn)生的Y值的方差。將上式等式左右同時除以D(Y)得到歸一化表達(dá)式:1=∑iDiD(Y)+∑i＜jDijD(Y)+∑i＜j＜kDijkD(Y)+…+D12…nD(Y)(2)本文采用一階敏感度作為敏感性指標(biāo)進(jìn)行計算:Si=DiD(Y)(3)

2．2熱水系統(tǒng)碳排放計算模型

建筑運行期生活熱水系統(tǒng)碳排放計算模型采用排放因子法計算。其思路為先計算出能源的年消耗量，減去用于相同用途的可再生能源的能耗供應(yīng)量，再乘以相應(yīng)能源的排放因子。《計算標(biāo)準(zhǔn)》給出了生活熱水系統(tǒng)的年耗熱量計算公式。但此公式適用于全日制集中熱水系統(tǒng)，對定時制集中熱水系統(tǒng)沒有明確的公式表達(dá)。比較《計算標(biāo)準(zhǔn)》4．3．1－1式、4．3．1－2式與《建筑給水排水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》6．4．1－1式、6．4．1－2式，將建筑物生活熱水設(shè)計小時耗熱量計算公式擴(kuò)充為全日制集中熱水供應(yīng)系統(tǒng)和定時集中熱水供應(yīng)系統(tǒng)兩類情況:Qhq=KhmqrC(tr－tl)ρrTCγ(4)Qhd=∑qhC(tr1－tl)ρrn0bgCγ(5)其中，Qhq為全日熱水集中供應(yīng)系統(tǒng)的設(shè)計小時耗熱量，kJ/h;Qhd為定時集中熱水供應(yīng)系統(tǒng)的設(shè)計小時耗熱量，kJ/h;Kh為小時變化系數(shù);m為用水計算單位數(shù)(人數(shù)或床位數(shù));qr為熱水用水定額，L/(人×d)或L/(床×d);C為水的比熱，kJ/(kg×℃);tr為設(shè)計熱水溫度，℃;tl為冷水溫度，℃;ρr為熱水密度，kg/L;Cγ為熱水供應(yīng)系統(tǒng)的熱損失系數(shù);T為每日使用時間;qh為衛(wèi)生器具熱水的小時用水定額，L/h;tr1為使用溫度;n0為同類衛(wèi)生器具數(shù);bg為同類衛(wèi)生器具同時使用的百分?jǐn)?shù)。則建筑物生活熱水年耗熱量:Qr=TaQh/3600(6)其中，Qr為生活熱水年耗熱量，kWh/a;Ta為熱水系統(tǒng)全年用時數(shù);當(dāng)采用全日熱水集中供應(yīng)系統(tǒng)時，Qh=Qhq/Kh，當(dāng)采用定時集中熱水供應(yīng)系統(tǒng)時，Qh=Qhd。扣除太陽能集熱系統(tǒng)提供的熱量后，可得到太陽能輔助空氣源熱泵生活熱水系統(tǒng)年碳排放量:CM=Qr－QsηwEF(7)其中，CM為生活熱水系統(tǒng)年碳排放量，kgCO2/a;ηw為生活熱水系統(tǒng)熱源平均效率;EF為電力碳排放因子;Qs為太陽能系統(tǒng)提供的生活熱水熱量，kWh/a，按《建筑碳排放計算標(biāo)準(zhǔn)》4．5．2式計算:Qs=AcJT(1－ηL)ηcd3．6(8)其中，Ac為太陽能集熱器面積，m2;JT為太陽集熱器采光面上的年平均太陽輻照量，MJ/m2;ηL為管路與儲熱裝置熱損失率;ηcd為基于總面積的集熱器平均集熱效率。

3案例分析

為響應(yīng)國家大力發(fā)展綠色建筑的號召，我國各單位對熱水系統(tǒng)進(jìn)行了節(jié)能化改造，從采用煤炭或天然氣作為熱源改為太陽能、空氣源熱泵等節(jié)能設(shè)備。在碳排放計算方面，本文重點介紹太陽能－空氣源熱泵熱水系統(tǒng)的碳排放量計算敏感性分析。對于原有的煤炭或天然氣作為熱源的熱水系統(tǒng)，實際的耗熱量與太陽能－空氣源熱泵熱水系統(tǒng)差別不大，區(qū)別只在于碳排放因子，對敏感性的計算并無影響。在敏感性分析方面，本文采用Sobol法對式(4)～式(8)的全日制和定時制生活熱水系統(tǒng)碳排放計算模型進(jìn)行分析。敏感性分析分為兩個步驟:1)對模型變量進(jìn)行Sobol采樣，采樣函數(shù)為Matlab軟件自帶函數(shù)“sobolset”，Sobol采樣數(shù)為4000個;2)計算標(biāo)準(zhǔn)差評價模型變量對輸出的影響。本文采用Matlab進(jìn)行編程計算。首先對全日集中生活熱水系統(tǒng)碳排放量計算進(jìn)行敏感性分析。選取一個位于浙江省杭州市的宿舍樓內(nèi)的太陽能－空氣源熱泵熱水系統(tǒng)，輔助熱源為電加熱。宿舍樓共5層，每層有4人套間20間，整幢宿舍樓由設(shè)置在屋頂?shù)奶柲芎褪彝獾仄旱目諝庠礋岜脵C(jī)組集中供熱，系統(tǒng)24h運行，符合全日集中熱水系統(tǒng)的設(shè)計要求。設(shè)計太陽能集熱器面積為278m2。使用人數(shù)考慮未住滿時的最少人數(shù)為300人，住滿人數(shù)為400人。華東區(qū)域電力碳排放因子取0．928kgCO2/kWh。按式(4)、式(6)～式(8)計算此生活熱水系統(tǒng)碳排放量時，在規(guī)范中具有取值范圍的變量如表1所示，各變量釋義如2．2節(jié)所示。表1中ηw上限值為國標(biāo)工況下的空氣源熱泵COP值，下限值為浙江省內(nèi)的COP設(shè)計取值。各參數(shù)取值得到的年碳排放量最大值713．87tCO2/a，最小值409．98tCO2/a，兩者的比值為1．74，兩者差值與最小值的比值為0．88。可見參數(shù)取值的變化對建筑運行期全日集中熱水系統(tǒng)碳排放量的計算值影響較大。由圖1可見，生活熱水系統(tǒng)熱源平均效率ηw對全日制生活熱水系統(tǒng)碳排放計算最為敏感，用水計算單位數(shù)m和熱水用水定額qr其次，其他變量影響不大。其次對定時集中生活熱水系統(tǒng)碳排放計算進(jìn)行敏感性分析。選取位于浙江省紹興市某洗浴中心內(nèi)的太陽能－空氣源熱泵熱水系統(tǒng)，輔助熱源為電加熱。公共浴室總計10個洗臉盆、32個淋浴器。洗浴中心由設(shè)置在屋頂?shù)奶柲芎涂諝庠礋岜脵C(jī)組集中供熱，定時連續(xù)供水時間5h，符合定時集中熱水系統(tǒng)的設(shè)計要求。設(shè)計太陽能集熱器面積為88m2。按式(5)～式(8)計算此生活熱水系統(tǒng)碳排放量時，在規(guī)范中具有取值范圍的變量如表2所示。其中，qhly為淋浴器的小時用水定額;qhxl為洗臉盆的小時用水定額。各參數(shù)取值得到的年碳排放量最大值為405．76tCO2/a，最小值為177．12tCO2/a，兩者的比值為2．29，兩者差值與最小值的比值為1．29。可見參數(shù)取值的變化對建筑運行期定時集中熱水系統(tǒng)碳排放量的計算值影響同樣巨大。由圖2可見，生活熱水系統(tǒng)熱源平均效率ηw對定時制生活熱水系統(tǒng)碳排放計算最為敏感，淋浴器的小時用水定額qhly其次，其他變量影響不大。從全日制和定時制集中熱水系統(tǒng)的敏感度分析結(jié)果可見，生活熱水系統(tǒng)熱源平均效率估值以及熱水用水定額的取值對熱水系統(tǒng)碳排放計算的影響很大，需要研究已完工項目實際運行耗電量與設(shè)計階段變量取值得到的耗熱量之間規(guī)律及經(jīng)驗。

4結(jié)語

本文提出的定時制集中熱水系統(tǒng)碳排放計算模型符合規(guī)范要求，計算簡便，適用于設(shè)計階段的建筑運行期熱水系統(tǒng)碳排放計算。生活熱水系統(tǒng)熱源平均效率、熱水用水計算單位數(shù)和熱水定額的選取應(yīng)結(jié)合規(guī)范和當(dāng)?shù)亟ㄖ崴到y(tǒng)運行的實際數(shù)據(jù)選取，以使設(shè)計階段的建筑運行期熱水系統(tǒng)碳排放量計算值接近熱水系統(tǒng)的實際運行數(shù)據(jù)。由于現(xiàn)階段太陽能系統(tǒng)提供的生活熱水熱量在總耗熱量中占比不大，相應(yīng)的設(shè)計參數(shù)選取對熱水系統(tǒng)碳排放量計算影響不大。

作者:虞介澤 邵煜 雍小龍