夏熱冬冷地區(qū)住宅建筑分散與集中供暖能耗分析

范麗聰 陳垚 王智偉

西安建筑科技大學(xué)建筑設(shè)備科學(xué)與工程學(xué)院

夏熱冬冷地區(qū)從建筑熱工分區(qū)來說，屬于非集中采暖地區(qū)[1]。隨著人們生活水平的提高，該地區(qū)供暖的需求愈加迫切，供暖的行為愈加普遍[2-3]。目前該地區(qū)的供暖方式主要包括分散和集中兩大類，空氣源熱泵是夏熱冬冷地區(qū)最常用的分散式供暖系統(tǒng)，“人在空調(diào)開啟人走空調(diào)關(guān)閉”的靈活調(diào)節(jié)方式更能滿足分室分時供暖的調(diào)控需求，同時也能滿足夏季供冷、冬季供暖的雙重需求[4]。但是，該地區(qū)全年氣溫變化大、濕度高，使用傳統(tǒng)空氣源熱泵易出現(xiàn)壓比調(diào)節(jié)不適應(yīng)、結(jié)霜等問題[4-5]。另一方面，利用淺層地?zé)崮艿牡卦礋岜孟到y(tǒng)可實現(xiàn)夏熱冬冷地區(qū)住宅小區(qū)的集中供暖。從冷熱源角度看，地源熱泵系統(tǒng)的效率高于傳統(tǒng)的分體空調(diào)[6]。但是住宅“部分時間、部分空間”的供暖需求，使得集中式系統(tǒng)運行難度大，需要從冷熱源、輸配到末端的調(diào)節(jié)上都給出好的系統(tǒng)運行策略[7]。本文通過EnergyPlus軟件建立目標建筑，以分體式空氣源熱泵、地下水源熱泵系統(tǒng)為代表，對分室分時和全室全室供暖需求模式下的分散和集中供暖進行能耗分析。

1 目標建筑

目標建筑為夏熱冬冷地區(qū)最常見的多層住宅，共7 層，層高2.7 m，建筑立面圖和平面圖見圖1、2，符合《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計標準》[1]，東西南北朝向的窗墻比分別為0.28，0.28，0.43 和0.32。每層建筑面積33 6 m2，每層4 戶，戶型3 室1 廳?？偨ㄖ娣e為2352 m2，總供暖面積為1960 m2。

圖1 建筑立面圖

圖2 建筑平面圖

圍護結(jié)構(gòu)符合《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計標準》[1]的要求，見表1：

表1 圍護結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)

1.1 外擾

室外氣象參數(shù)選取EnergyPlus 中的典型氣象年數(shù)據(jù)，根據(jù)文獻[9]氣候區(qū)劃的結(jié)果，分別選擇南京、武漢和桂林作為北部過渡區(qū)，中部核心區(qū)和南部過渡區(qū)的典型城市，供暖室外計算溫度采用歷年平均不保證5 天的日平均溫度，從而確定設(shè)計日。見表2。

表2 夏熱冬冷地區(qū)典型城市供暖室外計算溫度

1.2 內(nèi)擾

不同的家庭模式其作息規(guī)律不同，作息規(guī)律對于分室分時需求有很大的影響。本文主要研究四種典型的家庭結(jié)構(gòu)類型，即A 類型：2 個上班族；B 類型：2 個上班族+1 個學(xué)生；C 類型：2 個上班族+2 個老人；D類型：2 個上班族+2 個老人+1 個學(xué)生。根據(jù)中國人口普查資料[10]確定A、B、C、D 家庭結(jié)構(gòu)占比，見表3。

表3 家庭結(jié)構(gòu)占比

按比例隨機分布，不同家庭結(jié)構(gòu)在建筑空間上的分布結(jié)果見圖3。

圖3 建筑家庭戶分布示意圖

居民活動集中在客廳和和臥室，因此僅客廳和臥室設(shè)有供暖，其他房間均為不供暖房間，供暖季按12月1 日～2 月18 日計算，共90 天[1]。本文考慮分室分時和全室全時兩種供暖需求模式：分室分時供暖模式下，供暖時刻的房間溫度設(shè)定為18 ℃，非供暖時刻設(shè)定為5 ℃，各家庭類型各供暖房間的供暖時刻見表4[11]。全室全時供暖模式下，客廳和臥室全天供暖，溫度設(shè)定為18 ℃。

表4 分室分時供暖需求模式的房間供暖時間

假設(shè)房間門窗處于緊閉，則全天通風(fēng)按換氣次數(shù)1 h-1[1]?？蛷d和臥室的照明最大功率均為20 W，各房間設(shè)備最大發(fā)熱量為4.3 W/m2[1]。本文考慮燈光、設(shè)備等的使用受人員在室的影響，確定各房間的燈光、設(shè)備的啟停規(guī)律，見表5。

表5 各房間的燈光、設(shè)備啟停規(guī)律

2 供暖系統(tǒng)

2.1 分體式空氣源熱泵

EnergyPlus 中的封裝式終端熱泵，即分體式空氣源熱泵，主要由室外空氣混合器，直接膨脹冷卻盤管，直接膨脹加熱盤管，送風(fēng)機和輔助加熱盤管等部件組成的，見圖4。本文研究加熱模式，故不考慮冷卻盤管。其中，空氣源熱泵的加熱盤管模型模擬室內(nèi)DX 加熱盤管的熱性能和室外機（壓縮機、風(fēng)扇、曲軸箱加熱器和除霜加熱器）的功耗[12]。

圖4 封裝式終端熱泵示意圖

本文選擇軟件默認的機組能效COP=2.75[12]。目標建筑共94 個供暖房間，每個房間設(shè)置一臺分體式空氣源熱泵。室外條件依據(jù)軟件中的典型氣象年數(shù)據(jù)。調(diào)控策略：分體式空氣源熱泵根據(jù)房間需求啟停。

2.2 地下水源熱泵

EnergyPlus 有兩種地下水源熱泵（GSHP）模型：參數(shù)估計模型和方程擬合模型，本文采取的是方程擬合模型，計算模型由Tang and Jin[13]提出，見圖5。供暖系統(tǒng)是由多個部件組成，各個部件之間由模擬實際建筑管網(wǎng)的的水環(huán)路連接在一起，分為熱源側(cè)和負荷側(cè)兩個環(huán)路，每個部件前后都需要設(shè)定節(jié)點，完成了系統(tǒng)的連接。

圖5 EnergyPlus 地下水源熱泵系統(tǒng)示意圖

本文選擇軟件默認的機組能效COP=6[12]。調(diào)控策略：地下水源熱泵+地板輻射采暖。熱源側(cè)熱泵蒸發(fā)器的進口水溫設(shè)定為18 ℃，熱源側(cè)定頻泵連續(xù)運行，用戶側(cè)變頻泵間歇運行，地板輻射采暖末端一直開啟，控制地輻進出口的水溫分別為45 ℃和35 ℃。

3 模擬結(jié)果與分析

3.1 分室分時供暖下分散與集中能耗對比分析

通過前文的建模，利用EnergyPlus 對南京、武漢、桂林三個代表城市的分室分時供暖需求模式下分體式空氣源熱泵（PTHP）和地下水源熱泵（GSHP）的供暖季運行能耗進行模擬，其具體結(jié)果見表6。文獻[14]指出一份電相當(dāng)于四份熱，將系統(tǒng)耗電量轉(zhuǎn)化為消耗的熱能。

表6 分室分時需求模式下供暖季能耗對比

由表6 可知在分室分時模式下，PTHP 的能耗略低于GSHP。

本文選擇1 樓Ⅰ單元D 戶為代表戶，以次臥1 作為代表房間，在分室分時供暖模式下進行室內(nèi)熱環(huán)境分析。不同的供暖系統(tǒng)下次臥1 的室內(nèi)空氣逐時溫度變化如圖6。當(dāng)開始供暖時，PTHP 供暖的室溫可以實現(xiàn)迅速提升，而帶有地板輻射供暖末端的GSHP 供暖系統(tǒng)，室溫變化緩慢，存在著明顯的熱惰性。同樣，當(dāng)供暖停止時PTHP 的室溫迅速下降，而GSHP 系統(tǒng)的房間溫度下降緩慢。

圖6 次臥1 的設(shè)計日室內(nèi)空氣逐時溫度

次臥1 的單位面積逐時供熱量如圖7。由圖7 可知在供暖時段分室分時供暖模式下GSHP 的單位面積的供熱量明顯高于PTHP。這是由于屬于集中式供暖的GSHP 相對于PTHP 在調(diào)控能力上存在著固有的劣勢。從建筑整體需求角度分析，PTHP 可以根據(jù)用戶需求靈活的進行末端調(diào)控，而對于GSHP 系統(tǒng)，無論末端用戶的多少，系統(tǒng)的機組總是運行，無法做到真正意義的供需平衡。因此，在末端需求相同的情況下，GSHP 的供熱量總是高于實際的需求量，這必然導(dǎo)致圖7 所示的結(jié)果。

圖7 次臥1 的設(shè)計日單位面積逐時供熱量

在設(shè)計工況下系統(tǒng)的COP 如圖8。據(jù)圖8 可知GSHP 的COP 遠優(yōu)于PTHP。在供暖時段由于室外的氣象參數(shù)條件變化不大，因此PTHP 的COP 幾乎不發(fā)生變化。GSHP 的COP 波動受室外氣象條件影響不大，主要與該時段建筑中供暖房間占比有關(guān)，如圖9 所示。供暖房間越少，用戶側(cè)負荷需求越不同步、負荷率越低，GSHP 的能效越低。

圖8 設(shè)計工況COP

圖9 建筑的逐時在室比例

通過以上對模擬結(jié)果的分析，在分室分時供暖需求模式下分散式供暖較集中式供暖能耗略少，這是由于集中式系統(tǒng)以較高的系統(tǒng)能效彌補了調(diào)控能力不足的缺陷導(dǎo)致的結(jié)果。

3.2 全室全時供暖下分散與集中能耗對比分析

由表7 可知，在全室全時供暖模式下，集中式供暖較分散式供暖能耗小。隨著緯度的降低，南京、武漢、桂林地區(qū)的分散和集中供暖能耗差逐漸減小，依次為0.05 GJ/m2，0.03 GJ/m2和0.02 GJ/m2。

表7 全室全時供暖需求模式下供暖季能耗對比

以次臥1 為例，全室全時供暖需求模式下室內(nèi)設(shè)定溫度恒為18 ℃，兩個供暖系統(tǒng)下次臥1 的室內(nèi)空氣逐時溫度變化如圖10。在武漢地區(qū)，設(shè)計日0:00-8:00之間室外氣溫相對較低，7:00 和8:00 室外空氣干球溫度最低降到了-1.8 ℃，之后氣溫回升，18:00 達到了5.3 ℃，如圖10 所示。隨著室外溫度的變化，建筑負荷需求變化，GSHP 無法根據(jù)需求及時調(diào)控，因此室內(nèi)實際溫度與設(shè)定溫度存在偏差，如圖11 所示。而PTHP具備很好的調(diào)控能力，室溫一直保持在18 ℃左右。

圖10 武漢地區(qū)室外氣象條件

圖11 次臥1 室內(nèi)空氣逐時溫度

次臥1 的單位面積逐時供熱量如圖12。全室全時供暖模式下PTHP 和GSHP 的單位面積平均供熱量分別為35.34 W/m2和43.89 W/m2。在8:00-24:00 之間，室外氣溫升高，但由于集中式供暖調(diào)控能力有限，GSHP的供熱量超過了PTHP 的供熱量。

圖12 次臥1 單位面積逐時供熱量

在全室全時供暖需求模式下，GSHP 的平均COP為4.01。以次臥1 的PTHP 的能效結(jié)果為例分析，PTHP 的COP 平均值為2.67，如圖13。在7:00-18:00時COP 突然減小，原因在于該時刻加熱盤管的加熱率增加，超出了最高部分負荷能效比的負荷值，如圖14所示。

圖13 設(shè)計日COP

圖14 加熱盤管逐時加熱率

全室全時供暖需求模式弱化了供暖系統(tǒng)的調(diào)控作用，因此集中式系統(tǒng)憑借高能效的優(yōu)勢，單位能耗小于分散式系統(tǒng)。隨著緯度的升高，室外氣溫逐漸降低，一方面影響PTHP 的運行能效，增加了與集中式的能效差距。另一方面使得建筑本身的負荷需求增加，因此集中式節(jié)能優(yōu)勢更明顯。

3.3 不同供暖需求模式對供暖能耗的影響分析

由于建筑本身需求負荷減小，同一地區(qū)同一系統(tǒng)分室分時供暖模式比全室全時供暖模式能耗明顯要小，如圖15 所示。與全室全時供暖模式相比，分室分時供暖需求模式下分散和集中系統(tǒng)的平均節(jié)能率分別為38.8%和20.4%。

圖15 不同地區(qū)分散和集中供暖系統(tǒng)的單位能耗變化

4 結(jié)論

1）在分室分時供暖需求模式下，以PTHP 為代表的分散式供暖比以GSHP 為代表的集中式供暖能耗略小，單位能耗相差0.01 GJ/m2。

2）全室全時供暖模式弱化了集中式供暖的調(diào)控受限的缺點，集中式供暖憑借能效的優(yōu)勢，其供暖能耗小于分散式供暖。且隨著緯度越高的城市，集中式供暖節(jié)能優(yōu)勢更明顯。導(dǎo)致該分散與集中供暖能耗差異性的主要原因是各自系統(tǒng)調(diào)控性與能效水平的差異性。

3）與全室全時模式相比，分室分時供暖需求模式下分散和集中系統(tǒng)平均節(jié)能了38.8%和20.4%。無論是分散還是集中系統(tǒng)，同一地區(qū)分室分時供暖模式比全室全時供暖模式能耗明顯要小。因此對于有分戶計量要求的住宅建筑，宜采用分室分時供暖模式。