基于多种方案评价及优化的张家口高速公路服务区低能耗建筑热源适配性研究

延崇高速公路是2022年北京冬奥会北京市连通张家口市崇礼赛区的主通道，是交通运输部第一批绿色公路建设典型示范工程，因此，在该区段的服务区开展低能耗高速服务区热源适配性研究，通过层次分析法、灰色关联法和模糊综合评价法确定最优热源方案，对助推低碳、绿色奥运具有重要意义。

1??当前热源方案存在的问题

当前张家口高速公路服务区采取的热源方案包括：燃煤锅炉、地源热泵、VAV多联机、LNG锅炉、电蓄热锅炉和电热膜。

在使用中这些热源方案存在以下问题：

（1）燃煤锅炉存在能耗大且排放出大量的污染物的问题；

（2）部分项目设备容量选取过大或匹配不当，造成初投资和运行费用增加，同时还会造成设备能力浪费；

（3）用能设备监控缺失，导致无法准确掌握系统能耗和运行状态，不能及时发现处理系统问题；

（4）专业管理人员缺失，管理粗放，造成运行费用大幅增加。

本文针对当前高速公路服务热源存在问题，通过分析张家口高速服务区低能耗建筑的用能情况，与现有热源技术进行优化匹配，寻找最优方案，为未来服务区建设提供方向和数据支撑。

2??低能耗服务区概况

赤城低能耗服务区项目位于河北省张家口市，属于延崇高速河北段。该项目定位为综合性建筑，建筑地上3层，高15.15?m，总建筑面积3?896.05?㎡，夏季不制冷，冬季采用电蓄热锅炉供热。围护结构要求均按超低能耗建筑设计，其余按照GB 50189—2015《公共建筑节能设计标准》设计，见表1。

表1??服务区的围护结构设计参数

施工采用无热桥建造技术，以有效降低建筑内热量散失；为进一步降低建筑能耗，本项目在餐厅、会议室、超市、特色小卖、钟点房、客房、办公室、卫生间等采用全热回收新风系统，热回收效率大于75%，可在提升室内人员舒适度的同时降低能源消耗。同时，通过服务区屋顶安装的分布式光伏发电站，每年可发电11.6万kWh，满足服务区约15%的用电需求，在一定程度上缓解服务区用电对市政电网的压力。由于公厕和餐厅人员流动过于频繁，建筑的气密性无法保证，故建筑为低能耗建筑。

3??能耗模拟分析

根据服务区内建筑功能和用能特点，按餐厅、超市、客房和办公室人员作息制订相应的照明及设备作息时间，采用DesignBuilder建筑模拟软件进行能耗模拟，模拟模型如图1所示，模拟结果见表2。

图1　服务区模型示意

表2??服务区能耗模拟结果

4??热源方案的比较及优化

4.1??热源方案的选取原则 

（1）根据该建筑属改造还是新建选择系统，若为改造项目宜利用原有末端设备和管道系统，以降低初投资。

（2）根据当地能源供应情况和地理区位选择系统，考察当地气、煤、电等资源，选择符合实际情况的系统。

（3）根据政策导向选择系统，例如是否有相关补贴政策或峰谷电价等。 

4.2??热源方案分析 

热源类型主要有热源、热泵。其中热源包括燃油锅炉、电力锅炉、燃气锅炉和燃煤锅炉；热泵主要有VRV多联机、超低温空气源热泵、地源热泵等形式。根据以上原则选取，由于燃煤锅炉及燃油锅炉因受运输成本及环保政策等因素制约；其他可再生能源如太阳能因系统不稳定、设备复杂，很少单独用于高速服务区。经过初选，电热膜、热泵及燃气锅炉等已较多用于在新建，在现场调研的过程中也得到了验证，故做出地源热泵、VRV多联机、LNG锅炉、电蓄热锅炉和电热膜五种方案。

4.3??方案比较

4.3.1??费用情况

热源方案费用情况比较见表3。

表3??热源方案费用比较

从表3可看出，设备初投资以电蓄热锅炉+散热器为最低，而地源热泵+风机盘管最高；地源热泵+风机盘管的年运行费用最小，而电热膜最大；电蓄热锅炉+散热器费用年值最小，经济性最好，其次为LNG锅炉+地板辐射和电热膜，最差为VRV多联 机+散热器和地源热泵+风机盘管。

4.3.2??技术条件比较

技术条件比较结果见表4。

表4??热源方案技术条件比较

4.3.3??环保效益分析

采用耗电量转换为一次能源的方式，以国家规定的每千克标准煤排放量为基准，计算各方案下折合标准煤的 CO ₂ 、 SO ₂ 以及 NO _X 的排放量，计算结果见表5。

表5??热源方案环保效益比较

4.4??热源方案的综合评价及优化方法

4.4.1??评价体系的建立

采用层次分析法确定评价5种热源方案的指标体系（图2）。采用归一化和规范化方法对数据进行预处理，采用层次分析法确定评价指标体系的权重系数。

图2??热源方案评价指标体系

4.4.2??综合评价及优化方法优选

采用层次分析法、灰色关联法和模糊综合评价法对5个热源方案进行评价，结果见表6。采用计算兼容度的方法进行综合评价方法的优选，见表7。

表6??热源方案的评价结果

表7??不同评价方法的兼容度及优劣排序

从表7可看出，灰色关联度评价法最适合所建立的5个热源方案的评价体系，由此可确定由灰色关联度优选出的电蓄热锅炉+散热器为最佳方案。

5??结束语

本文根据热源方案选取原则和现场调研实际情况对不同热源进行初选，得出在高速公路领域值得推广的5种方案。然后通过分析低能耗高速服务区的能耗情况，在典型建筑的热负荷数据基础上，对5种热源方案的经济性、技术条件和环保效益等指标进行比较分析，并利用层次分析法、层次分析法、灰色关联法和模糊综合评价法进行决策评价及优化，通过以上研究，张家口市低能耗高速服务区最适宜采用电蓄热锅炉为建筑热源，为未来服务区低能耗建设提供方向和数据支撑。