夏熱冬冷地區(qū)戶式輻射空調(diào)住宅建筑能耗分析

（上海理工大學(xué)，上海 200093）

0 引言

戶式輻射空調(diào)以其高舒適性、健康性和獨(dú)立調(diào)控性等優(yōu)點(diǎn)逐漸在高中檔小區(qū)和高中檔別墅中普及。與此同時(shí)，由于其全天候的運(yùn)行特性，節(jié)能性的要求也迫在眉睫。前人對于輻射空調(diào)系統(tǒng)的研究主要是從熱舒適、空調(diào)系統(tǒng)組合、系統(tǒng)節(jié)能性和經(jīng)濟(jì)性等角度對輻射空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行研究［1-2］，而對戶式輻射空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能分析的研究少之又少。文獻(xiàn)［3］以帶有地源熱泵戶式輻射空調(diào)系統(tǒng)的某住宅建筑為研究對象，分析了該空調(diào)系統(tǒng)在冬夏季典型日的運(yùn)行狀態(tài)、設(shè)備啟停狀態(tài)、室內(nèi)溫濕度等參數(shù)的變化規(guī)律以及供冷季和供熱季的空調(diào)能耗及運(yùn)行費(fèi)用。文獻(xiàn)［4］研究了室內(nèi)溫度設(shè)定值對空氣源熱泵戶式供熱系統(tǒng)日運(yùn)行成本影響，并提出了一種最佳調(diào)控方法——逐時(shí)調(diào)整室內(nèi)溫度。通過這種調(diào)控方式，該空調(diào)系統(tǒng)在保證熱舒適性的前提下，能夠獲得最低日運(yùn)行成本。本文以戶式輻射空調(diào)住宅建筑為研究對象，從負(fù)荷構(gòu)成角度對該建筑進(jìn)行全年空調(diào)能耗分析，得到空調(diào)能耗各組成部分所占比例，為戶式輻射空調(diào)的節(jié)能研究提供依據(jù)。

1 研究對象

1.1 建筑概況

該建筑位于長江流域蘇州市，共有八層，和相鄰建筑間距充分，冬夏季光照充足。本文以其中一典型戶型為研究對象，該戶層高3 m，建筑面積為120 m2，空調(diào)面積為94.2 m2，包括主臥、次臥、書房、客廳、陽臺。建筑平面如圖1所示。

圖1 建筑平面示意

1.2 空調(diào)系統(tǒng)原理

該住宅建筑的空氣源熱泵戶式輻射空調(diào)系統(tǒng)包括輻射系統(tǒng)和新風(fēng)除濕系統(tǒng)兩部分。其中，輻射空調(diào)系統(tǒng)調(diào)控室內(nèi)溫度，新風(fēng)除濕系統(tǒng)調(diào)控室內(nèi)濕度，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)溫濕度獨(dú)立控制。夏季時(shí)熱泵機(jī)組產(chǎn)生低溫冷水，一部分在板式換熱器內(nèi)與輻射回水混合，處理后的輻射回水重新流回輻射末端壁面（毛細(xì)管）對室內(nèi)輻射傳熱進(jìn)行降溫冷卻；另外一部送入新風(fēng)機(jī)與新風(fēng)換熱除濕，處理后的新風(fēng)送入室內(nèi)承擔(dān)室內(nèi)全部濕負(fù)荷及部分熱負(fù)荷。當(dāng)新風(fēng)機(jī)組滿足負(fù)荷時(shí)，只開新風(fēng)機(jī)組運(yùn)行，當(dāng)不滿足室內(nèi)熱負(fù)荷時(shí)將開啟輻射系統(tǒng)。冬季同理可得。該空調(diào)系統(tǒng)原理如圖2所示。

圖2 空氣源熱泵戶式輻射空調(diào)系統(tǒng)原理

2 模型建立與驗(yàn)證

2.1 建立模型

Energy plus軟件是由DOE和LBNL共同開發(fā)的一款建筑能耗模擬軟件，可以用來對建筑的采暖、制冷、照明、通風(fēng)以及其他能源消耗進(jìn)行全面能耗模擬分析和經(jīng)濟(jì)分析，也是建筑能耗模擬軟件中使用比較多的一款。本文利用Energy plus軟件對建筑及空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行建立模型，其中建筑模型如下圖3所示。

圖3 建筑模型

2.2 模型驗(yàn)證

在建立建筑模型和空調(diào)系統(tǒng)模型后，需要對所建模型進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。以實(shí)測的7月21號9：00-21：00的數(shù)據(jù)代表夏季工況，以實(shí)測的12月21號9：00-21：00的數(shù)據(jù)代表冬季工況，將實(shí)測數(shù)據(jù)與軟件模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。試驗(yàn)結(jié)果表明所建模型是合理的，具體驗(yàn)證如下。

圖4示出了冬夏季室內(nèi)溫度實(shí)測值與模擬值的比較，從圖中可以得出：冬季工況實(shí)測值和模擬值平均誤差為3.19%，夏季工況實(shí)測值和模擬值平均誤差為2.20%。

圖4 冬、夏季室內(nèi)溫度實(shí)測值與模擬值對比

冬夏季機(jī)組供水溫度實(shí)測值與模擬值比較如圖5所示，由圖中可以得出：冬季工況實(shí)測值和模擬值平均誤差為2.87%，夏季工況實(shí)測值和模擬值平均誤差為6.85%。

圖5 冬、夏季機(jī)組供水溫度實(shí)測值與模擬值對比

冬夏季空氣源熱泵能耗實(shí)測值與模擬值比較如圖6所示。由圖中可知：冬季工況實(shí)測值和模擬值平均誤差為5.57%，夏季工況實(shí)測值與模擬值平均誤差為22.38%，造成這個(gè)誤差的主要原因經(jīng)分析可能是由于模擬時(shí)窗戶沒有遮陽，而實(shí)測時(shí)發(fā)現(xiàn)有遮陽干擾，但模擬與實(shí)測的變化趨勢是相當(dāng)一致的。

圖6 冬、夏季空氣源熱泵能耗實(shí)測值與模擬值對比

冬夏季西外墻負(fù)荷實(shí)測值與模擬值比較如圖7所示。由圖可知：冬季工況實(shí)測值和模擬值平均誤差為10.88%，夏季工況實(shí)測值和模擬值平均誤差為19.27%。

圖7 冬、夏季西外墻負(fù)荷實(shí)測值與模擬值對比

冬夏季西外窗負(fù)荷實(shí)測值與模擬值比較如圖8所示。由圖中可以得出：冬季工況實(shí)測值和模擬值平均誤差為10.90%，夏季工況實(shí)測值和模擬值平均誤差為7.38%。

圖8 冬、夏季西外窗負(fù)荷實(shí)測值與模擬值對比

冬夏季新風(fēng)負(fù)荷的實(shí)測值與模擬值比較如圖9所示，由圖中可以得出：冬季工況實(shí)測和模擬平均誤差為15.53%，夏季工況實(shí)測和模擬平均誤差為6.94%。

圖9 冬、夏季新風(fēng)負(fù)荷的實(shí)測值與模擬值對比

3 建筑空調(diào)能耗分析

本文從負(fù)荷構(gòu)成的角度對該住宅建筑進(jìn)行全年空調(diào)能耗模擬，分析各部分負(fù)荷對建筑空調(diào)能耗的影響。在分析之前先對建筑全年空調(diào)能耗進(jìn)行實(shí)測值與模擬值對比分析，對建筑全年空調(diào)能耗進(jìn)行驗(yàn)證。建筑全年空調(diào)能耗實(shí)測值及模擬值比較如圖10所示。

圖10 建筑全年能耗實(shí)測值及模擬值對比

由圖10可以得出：冬季工況實(shí)測和模擬平均誤差為10.46%，夏季工況實(shí)測和模擬平均誤差為9.55%，全年二者能耗平均誤差為24.54%。

下面分別對各部分模擬能耗進(jìn)行分析，確定其對建筑全年空調(diào)能耗的影響程度。

全年墻體及樓板能耗如圖11所示。由圖可得：墻體及樓板全年能耗為3 732.00 kW/h，占建筑空調(diào)總能耗23.46%?？梢妷w樓板對建筑空調(diào)能耗影響較大。

圖11 全年墻體及樓板能耗對比

全年外窗能耗如圖12所示。由圖中可得出：外窗全年能耗為4 664.95 kW/h，占建筑空調(diào)總能耗的29.32%。其中夏季7，8月外窗能耗占全年外窗能耗42.72%。所以對輻射空調(diào)而言，建筑外窗采取遮陽措施可以大大降低7，8月的熱負(fù)荷，節(jié)約能耗。

圖12 全年外窗能耗對比

全年新風(fēng)能耗如圖13所示。由圖中可得出：新風(fēng)全年能耗為6 893.27kW/h，占建筑空調(diào)總能耗的43.32%。對輻射空調(diào)而言，新風(fēng)不僅滿足室內(nèi)衛(wèi)生要求、排風(fēng)要求和室內(nèi)正壓要求，還需要承擔(dān)排除室內(nèi)濕負(fù)荷要求，所用新風(fēng)量較大，因此所占的能耗比也較大。如何降低輻射空調(diào)系統(tǒng)的新風(fēng)量、變新風(fēng)量調(diào)節(jié)和采取部分回風(fēng)除濕的方式，將是節(jié)能研究的重點(diǎn)。

圖13 全年新風(fēng)能耗對比

對于住宅建筑，每戶人數(shù)、照明及設(shè)備使用情況均是不同。本次模擬假定：白天客廳有2人，其它房間沒人，夜晚臥室有2人，電視開啟時(shí)間段為12：00—14：00和20：00—22：00，飲水機(jī)全天開啟，照明設(shè)備開啟時(shí)間段為下午19：00—22：00。此外，由于人員、照明及設(shè)備產(chǎn)熱在冬天為有益熱，不會產(chǎn)生能耗，因此只對夏季工況進(jìn)行模擬分析。

主要供冷月人員模擬能耗如圖14所示。從圖中可得出：人員在供冷季節(jié)能耗為101.01 kW/h，占建筑空調(diào)總能耗0.63%。照明和電器設(shè)備每天產(chǎn)生的能耗是一樣，由模擬得因照明散熱而產(chǎn)生的能耗為214.00 kW/h，占建筑空調(diào)總能耗的1.34%；因設(shè)備散熱而產(chǎn)生的能耗為306.00 kW/h，占建筑空調(diào)總能耗1.93%。

圖14 主要供冷月人員模擬能耗對比

4 結(jié)論

（1）在夏熱冬冷地區(qū)，對于試驗(yàn)樣板房，墻體及樓板全年能耗為3 732.00 kW/h，占建筑總能耗的23.46%；外窗全年能耗為4 664.95 kW/h，占總能耗的29.32%；新風(fēng)全年能耗為6 893.27 kW/h，占總能耗的43.32%；人員、照明及設(shè)備全年能耗為621.01 kW/h，占總能耗的3.90%。空調(diào)能耗主要是由墻體、樓板及外窗傳熱和處理新風(fēng)所引起的。

（2）夏季7、8月外窗能耗占全年外窗能耗42.72%，建議建筑外窗采取遮陽措施。此舉可大大降低7、8月的熱負(fù)荷，節(jié)約能耗。

（3）對輻射空調(diào)而言，變新風(fēng)量調(diào)節(jié)和部分回風(fēng)除濕，將是新風(fēng)節(jié)能研究的重點(diǎn)。

此外，在能耗分析前需先對所建模型按供冷供熱工況多個(gè)指標(biāo)分別進(jìn)行驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明所建模型是合理的，具有一定的模擬計(jì)算精度。本文研究結(jié)果對住宅建筑的戶式輻射空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、運(yùn)行調(diào)控以及節(jié)能研究具有一定的參考作用。