綜合辦公建筑中水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能性分析

張慶華

（上海中建建筑設(shè)計院有限公司，上海 200122）

能源危機(jī)是21世紀(jì)各國關(guān)注的焦點之一，而節(jié)約能源則是解決能源危機(jī)的關(guān)鍵。我國作為能源消耗大國，有著巨大的節(jié)約能源空間，其中綜合辦公建筑是探索能源節(jié)約的重要目標(biāo)。根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，我國既有綜合辦公建筑的95 %、新建綜合辦公建筑的80 %以上都是高耗能建筑。綜合辦公建筑中不可或缺的暖通系統(tǒng)占據(jù)建筑能耗中65 %以上。水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)于20世紀(jì)80年代初，在我國的一些建筑物中開始應(yīng)用，至今已有近40年，作為熱泵技術(shù)的革新和升級，采用熱回收技術(shù)，將建筑物內(nèi)區(qū)余熱收集并利用，因此對于有內(nèi)區(qū)與外區(qū)的大中型建筑物、具有同時供冷及供熱需求的場合，具有良好的節(jié)能性，目前已經(jīng)成為應(yīng)用較為廣泛的建筑空調(diào)形式。但由于目前缺乏系統(tǒng)性的節(jié)能性和適應(yīng)性研究作為應(yīng)用指導(dǎo)，水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)在我國各地區(qū)的應(yīng)用中存在諸多問題。因此，研究水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能性具有重要價值和意義。

謝彪等人研究了水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)在辦公建筑的應(yīng)用效果，認(rèn)為水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)在辦公建筑節(jié)能方面具有巨大潛力。然而水環(huán)熱泵技術(shù)在我國還不成熟，缺乏足夠的研究支撐，尤其是在不同氣候地區(qū)應(yīng)用水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能性認(rèn)識不足，制約了水環(huán)熱泵技術(shù)在我國的推廣。為明確水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)在我國不同氣候地區(qū)的節(jié)能性和適應(yīng)性，該文以烏魯木齊、北京、哈爾濱、長沙、深圳5個城市的綜合辦公建筑為模型，采用建筑能耗模擬軟件eQUEST進(jìn)行精確模擬分析。

1 建筑物參數(shù)

1.1 氣候分區(qū)與代表性城市

由于我國幅員遼闊，氣候分區(qū)較多，為方便分析，根據(jù)我國氣候分區(qū)特點選取代表性城市進(jìn)行分析研究。我國的氣候分區(qū)主要分為嚴(yán)寒地區(qū)A區(qū)、嚴(yán)寒地區(qū)C區(qū)、寒冷地區(qū)、夏熱冬冷地區(qū)和夏熱冬暖地區(qū)，其相對應(yīng)的城市分別是哈爾濱、烏魯木齊、北京、長沙、深圳。

1.2 建筑形式

除了地理位置之外，建筑形式也是影響水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能性的一個重要因素。在同一地區(qū)的不同建筑中使用水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能效果是不同的。該文選取的建筑能耗分析模型為綜合辦公建筑，建筑共16層，為內(nèi)外分區(qū)的綜合性辦公場所，其內(nèi)外區(qū)的面積比為0.2。該建筑模型的總建筑面積為14 282 m2，其中一層為大廳、會議室、多功能廳等，樓層高為4.4 m，建筑面積766 m2；2～16層為辦公區(qū)域，設(shè)計樓層高為3.3 m，建筑面積13 516 m2。

1.3 空調(diào)房間室內(nèi)環(huán)境參數(shù)

建筑模型的空調(diào)房間室內(nèi)環(huán)境參數(shù)設(shè)置見表1。

表1 空調(diào)房間室內(nèi)環(huán)境參數(shù)

1.4 建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能

根據(jù)氣候分區(qū)不同，建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能參數(shù)有所不同。在進(jìn)行能耗分析時，按照GB50189—2015《公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定的建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)，選取不同城市的熱工參數(shù)，見表2。

表2 不同城市建筑結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)

2 水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計

2.1 水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)建立

水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的工作原理如下：機(jī)組制熱時，以水循環(huán)系統(tǒng)中的水為加熱源；機(jī)組制冷時，則以水為排熱源。當(dāng)水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)制熱運行的吸熱量小于制冷運行的放熱量時，循環(huán)環(huán)路中的水溫度升高，到一定程度時利用冷卻塔釋放多余熱量；反之循環(huán)環(huán)路中的水溫度降低，到一定程度時通過輔助加熱設(shè)備供熱。當(dāng)同一空調(diào)系統(tǒng)中機(jī)組制熱運行的吸熱量和制冷運行的放熱量基本相等時，循環(huán)環(huán)路中的水才能維持在一定溫度范圍內(nèi)，此時系統(tǒng)高效運行。

水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的能耗主要是熱泵機(jī)組、空調(diào)循環(huán)水泵、冷卻塔。在eQUEST軟件中，對水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計均采用默認(rèn)值，但是為精確分析研究，該文對建筑模型下的空調(diào)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行自定義，輔助熱源鍋爐、冷卻塔、循環(huán)水泵、板式換熱器均為1臺；對循環(huán)水系統(tǒng)設(shè)計變流量控制，達(dá)到節(jié)能減耗效果。

2.2 空調(diào)系統(tǒng)冷熱能耗設(shè)置

水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的熱源主要是輔助加熱設(shè)備，其能耗計算公式如下：

其中，P為加熱源設(shè)備裝機(jī)容量（kW）；Q為建筑所需補(bǔ)充的熱量（kW）；C為水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)平均供熱（kW），該數(shù)據(jù)由廠家提供數(shù)據(jù)為依據(jù)，根據(jù)使用經(jīng)驗，該文選取C=4.4。此外設(shè)置冷卻塔進(jìn)出水和循環(huán)水溫度分別如下：哈爾濱：冷卻塔進(jìn)出水溫度33 ℃/28 ℃，最低循環(huán)水溫8 ℃，最高循環(huán)水溫33 ℃；烏魯木齊：冷卻塔進(jìn)出水溫度33 ℃/28 ℃，最低循環(huán)水溫8 ℃，最高循環(huán)水溫33 ℃；北京：冷卻塔進(jìn)出水溫度35 ℃/30 ℃，最低循環(huán)水溫10 ℃，最高循環(huán)水溫35 ℃；長沙：冷卻塔進(jìn)出水溫度37 ℃/32 ℃，最低循環(huán)水溫12 ℃，最高循環(huán)水溫37 ℃；深圳：冷卻塔進(jìn)出水溫度37 ℃/32 ℃，最低循環(huán)水溫12 ℃，最高循環(huán)水溫37℃。

3 能耗模擬結(jié)果

采用eQUEST建筑能耗分析軟件對建立5個代表性城市的建筑模型進(jìn)行精確分析研究，得到5個代表性城市采用水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)與常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)的能耗和耗氣量對比數(shù)據(jù)，見表3。

結(jié)合以上模擬分析的結(jié)果，水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)具有一定節(jié)能性，但需要滿足這個條件：地區(qū)適用性。北京地區(qū)是較為適宜水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)用的地區(qū)，哈爾濱地區(qū)在一些適合建筑模型中可以有一定的節(jié)能效果，而深圳地區(qū)不適宜設(shè)置水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)，因為該文所選用的幾個模型地區(qū)分別代表了我國的4個典型的氣候分區(qū)，這樣就可以判定在我國寒冷地區(qū)為最適宜水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)用的地區(qū)，夏熱冬暖地區(qū)不適宜應(yīng)用水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)。

4 結(jié)論

該文通過使用建筑能耗分析軟件eQUEST模擬分析5個代表性城市的綜合辦公建筑能耗，結(jié)果表明采用水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能效果明顯優(yōu)于常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)。軟件模擬數(shù)據(jù)顯示，嚴(yán)寒地區(qū)的哈爾濱、烏魯木齊的主要能耗在于室內(nèi)加熱，其耗氣量較大；寒冷地區(qū)的北京，主要能耗在于室內(nèi)制冷，耗氣量居中；夏熱冬冷地區(qū)的長沙，主要能耗在于制冷，耗氣量約為北京地區(qū)的50 %；夏熱冬暖地區(qū)的深圳主要能耗在于制冷，耗氣量較低。通過與常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)的能耗對比發(fā)現(xiàn)，使用水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的能耗節(jié)省在10 %以上，節(jié)能效果顯著。

表3 能耗模擬分析結(jié)果

水環(huán)熱泵系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)越性體現(xiàn)在：建筑同時有供冷、供熱負(fù)荷時，系統(tǒng)能夠在環(huán)路內(nèi)實現(xiàn)熱平衡，減少冷卻塔和輔助加熱設(shè)備的能耗。為進(jìn)一步改善水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能效果，建議在3個方面優(yōu)化改進(jìn)。1）選擇高效的空調(diào)機(jī)組。水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)主要耗能部分是空調(diào)機(jī)組，因此通過選擇高效的空調(diào)機(jī)組，可有利于提高水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能效果。2）選擇合適的循環(huán)水系統(tǒng)冷熱源。水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的循環(huán)水系統(tǒng)是另一耗能環(huán)節(jié)，根據(jù)辦公建筑特色，合理選擇冷熱源，如地下水、廢熱、閉式冷卻塔、開式冷卻塔等，提高水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)熱回收能力。3）合理設(shè)置循環(huán)水溫度范圍。根據(jù)日常使用需要設(shè)定合理的循環(huán)水溫度，有利于降低水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的能耗。根據(jù)工程實踐，通常將循環(huán)水溫度設(shè)置在15 ℃～35 ℃最佳，既能保證水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)使用，又能維持最優(yōu)能耗。

綜上所述，水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)在我國各氣候分區(qū)的適用性均較好，其節(jié)能效果明顯優(yōu)于常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)。為改善綜合辦公建筑的節(jié)能效果，水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)值得廣泛推廣和應(yīng)用。