近零能耗建筑地面輻射供暖末端設(shè)計參數(shù)優(yōu)化

馮國會,王茜如,黃凱良,常莎莎,崔 航

(沈陽建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院,遼寧 沈陽 110168)

在化石燃料消耗逐年增加的情況下，利用熱泵供熱可以減少一次能源的消耗[1-2]。地面輻射供暖系統(tǒng)以其供水溫度低、熱舒適性好、具有良好的蓄熱性能等優(yōu)點越來越受到用戶的青睞[3-4]。地面輻射供暖的計算，主要就是確定盤管間距。在傳統(tǒng)的施工設(shè)計中，地面輻射供暖工程應(yīng)由專業(yè)人員依據(jù)國家現(xiàn)行規(guī)范與技術(shù)措施進(jìn)行設(shè)計[5]?！兜孛孑椛涔┡┕な謨浴分辛谐隽烁鶕?jù)經(jīng)驗和實踐總結(jié)的經(jīng)驗表格，可依據(jù)供水溫度、室內(nèi)設(shè)計溫度、單位地面面積所需有效散熱量查得盤管設(shè)計間距。近零能耗建筑的實現(xiàn),設(shè)計是重要的環(huán)節(jié)[6]。各國在實現(xiàn)建筑近零能耗的技術(shù)路線上基本一致，都是先利用被動式設(shè)計降低建筑本體的能耗，如高性能的圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計、良好的氣密性能、斷絕熱橋等措施，其次再利用高效的能源系統(tǒng)進(jìn)一步減少建筑的能源需求[7-9]。一系列技術(shù)手段使得近零能耗建筑的熱負(fù)荷相比普通建筑降低很多，單位地面面積所需有效散熱量低，超出經(jīng)驗表格的范圍，因此現(xiàn)行的設(shè)計規(guī)范不再適用于近零能耗建筑。設(shè)計施工時，按普通建筑的經(jīng)驗選取盤管間距和供水溫度，必然造成冬季室內(nèi)溫度過高，熱舒適性差，能源系統(tǒng)能效偏低，能耗偏大等問題。鑒于此，筆者以沈陽市某近零能耗示范建筑為例，利用TRNSYS軟件進(jìn)行熱負(fù)荷計算，模擬盤管間距和供水溫度對室內(nèi)溫度、熱舒適情況、熱泵機(jī)組能效情況和能源系統(tǒng)總能耗的影響，優(yōu)化近零能耗建筑地面輻射供暖末端設(shè)計參數(shù)。

1 近零能耗建筑熱負(fù)荷特征分析

1.1 建筑概況

該近零能耗示范建筑位于遼寧省沈陽市，用地總面積為334.8 m2，是一座集辦公、展示為一體的公共建筑。該建筑共兩層，1層高3.3 m，包括示范房間1、展廳、廚房、衛(wèi)生間、會客室、示范房間2、熱泵設(shè)備機(jī)房和控制室；2層高3.6 m，包括辦公室、衛(wèi)生間和開敞辦公區(qū)。

建筑主體結(jié)構(gòu)為鋼框架+現(xiàn)澆聚苯顆粒泡沫混凝土墻體，外墻傳熱系數(shù)為0.1 W/(m2·K)，采用先進(jìn)的外門窗密閉技術(shù)，外窗傳熱系數(shù)為1.0 W/(m2·K)，氣密性達(dá)到8級。窗墻比為：偏西側(cè)0.09，偏南側(cè)0.12，偏北側(cè)0.12，偏東側(cè)0.05，建筑外觀圖如圖1所示。

圖1 建筑外觀圖

1.2 熱負(fù)荷計算分析

利用TRNBuild建立近零能耗建筑模型，根據(jù)建筑實際情況設(shè)置圍護(hù)結(jié)構(gòu)、內(nèi)熱源、滲透、新風(fēng)等參數(shù)，由于末端設(shè)備采用地面輻射供暖末端，計算熱負(fù)荷時室內(nèi)計算溫度的取值應(yīng)比采用對流輻射供暖末端的室內(nèi)計算溫度低2 ℃[10]，建筑各房間供暖室內(nèi)計算溫度取值如表1所示。

表1 各房間供暖室內(nèi)計算溫度

利用TRNSYS軟件建立負(fù)荷計算模型，模擬日期為11月1日至次年3月31日，時間7 296～10 920 h。供暖季逐時熱負(fù)荷如圖2所示。從圖可以看出,該近零能耗建筑供暖季最大逐時熱負(fù)荷出現(xiàn)1月16日，9 128 h，熱負(fù)荷為11.19 kW。供暖季累計熱負(fù)荷8 101.73 kW·h，供暖季熱指標(biāo)12.14 W/m2。與普通建筑相比，該近零能耗建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)低，氣密性良好，供暖季累計熱負(fù)荷較低，熱指標(biāo)較低。供暖季初期和末期由于室外溫度較高，逐時熱負(fù)荷較低，單位地面面積所需有效散熱量較低。

圖2 近零能耗建筑供暖季逐時熱負(fù)荷

2 系統(tǒng)模型建立

2.1 系統(tǒng)熱舒適評價指標(biāo)

人體的熱舒適性由人體和環(huán)境兩方面綜合影響，人體因素主要有衣著、活動量及個人體質(zhì)等[11]；環(huán)境因素主要有溫度、濕度、空氣流速等。評價環(huán)境熱舒適性的方法有熱舒適圖，熱舒適性方程，PMV-PPD指標(biāo)法等[12]，自20世紀(jì)70年代以來，國際上普遍采用Fanger基于人體熱平衡方程式和ASHRAE七點標(biāo)度得到的平均熱感覺指數(shù)-預(yù)測不滿意率(PMV-PPD)模型作為評價人體熱舒適的指標(biāo)[13]。PMV是基于1 396個受試者的熱感覺投票結(jié)果分析提出的[14]，用于評價環(huán)境的熱舒適性偏離熱中性環(huán)境的程度，PPD是預(yù)測一組人中對給定的熱環(huán)境感到不舒適的人數(shù)占全部人數(shù)的比例。筆者熱舒適性評價采用PMV-PPD指標(biāo)法?！睹裼媒ㄖ┡L(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》(GB 50736—2012)根據(jù)我國實際情況制定了適合我國的PMV-PPD值(見表2)。

表2 不同熱舒適等級對應(yīng)的PMV、PPD值

2.2 能源系統(tǒng)模型

建筑負(fù)荷模型、末端裝置系統(tǒng)、能源系統(tǒng)模型及相關(guān)循環(huán)控制模型由TRNSYS軟件建立。TRNSYS全稱為Transient System Simulation[15](瞬態(tài)系統(tǒng)模擬),最初利用TRNSYS模擬太陽能系統(tǒng)[16]，后期已開發(fā)更多模塊。軟件認(rèn)為一個系統(tǒng)由若干個模塊組成，一個模塊實現(xiàn)某一特定的功能，因此，在對系統(tǒng)進(jìn)行仿真模擬時，只要調(diào)用實現(xiàn)這些特定功能的模塊，給定輸入條件，就可以對系統(tǒng)進(jìn)行模擬分析。圖3為土壤源熱泵結(jié)合地面輻射供暖末端系統(tǒng)運行流程圖。

圖3 能源系統(tǒng)運行流程圖

3 結(jié)果與分析

3.1 末端設(shè)計參數(shù)對室內(nèi)環(huán)境的影響

3.1.1 設(shè)計參數(shù)對熱舒適的影響

以示范房間2作為典型房間，模擬在不控制土壤源熱泵啟停時，供水溫度35 ℃、盤管間距200 mm的室內(nèi)溫度和熱舒適情況。示范房間2供暖季逐時溫度如圖4所示。整個供暖季最低室內(nèi)溫度出現(xiàn)在9 128 h，為18.06 ℃，全年最高室內(nèi)溫度出現(xiàn)在10 915 h，達(dá)到28.14 ℃，全年平均溫度為22.8 ℃。供暖初期和末期由于室外溫度相對較高，室內(nèi)溫度偏高，整個供暖季逐時室內(nèi)溫度均高于設(shè)計溫度。供暖季共3 624 h，其中412 h溫度為18～20 ℃，1 120 h溫度為20～22 ℃，892 h溫度為22～24 ℃,1 200 h溫度達(dá)到24 ℃以上。

圖4 典型房間供暖季逐時溫度

利用Type65c模塊輸出供暖季逐時PMV、PPD，整個供暖季PMV為-0.43～1.41，其中2 025 h為-0.5～0.5，1 174 h為0.5～1，PMV約有88.27%的時間為-1～1。整個供暖季PPD為5%～45.8%，PPD約有55%的時間小等于10%，90%的時間小等于27%，即達(dá)到Ⅱ級。熱舒適性達(dá)不到Ⅱ級的時間全部集中在供暖初期和末期，此時人體熱感覺較熱。供暖季初期和末期由于室外溫度相對較高，且近零能耗建筑密閉性優(yōu)良，按普通建筑設(shè)計地面輻射供暖末端參數(shù)，會造成室內(nèi)溫度過高，熱舒適性較差。

3.1.2 盤管間距對熱舒適的影響

保持供水溫度35 ℃，增大盤管間距至400 mm，輸出供暖季逐時室內(nèi)溫度，供暖季最低室內(nèi)溫度出現(xiàn)在9 128 h，為17.3 ℃，最高室內(nèi)溫度出現(xiàn)在10 915 h，為27.68 ℃，全年平均溫度為22.1 ℃，供暖季室內(nèi)溫度稍有降低，可以滿足用戶需求。

輸出供暖季逐時PMV、PPD情況，整個供暖季PMV為-0.57～1.31，其中2 296 h為-0.5～0.5，1 116 h為0.5～1或-1～-0.5，PMV約有94.15%的時間為-1～1。整個供暖季PPD為5%～40.86%，PPD約有62.11%的時間小等于10%，95.17%的時間小等于27%。熱舒適性達(dá)到Ⅱ級的時間有所增加，熱舒適性有所提高。

3.1.3 供水溫度對熱舒適的影響

盤管間距不變，保持200 mm，降低供水溫度至30 ℃，輸出房間供暖季逐時溫度，供暖季最低室內(nèi)溫度為15.2 ℃,最高室內(nèi)溫度為25.2 ℃，供暖季平均室內(nèi)溫度20.0 ℃，高于室內(nèi)設(shè)計溫度，整個供暖季僅有供暖中期24 h的室內(nèi)溫度低于16 ℃，可以滿足用戶對室內(nèi)溫度的需求。

輸出30 ℃供水溫度下供暖季逐時PMV、PPD，與35 ℃供水溫度對比如圖5所示。整個供暖季PMV為-0.94～0.86，100%的時間處于-1～1，其中2 481 h為-0.5～0.5。整個供暖季PPD為5～23.85%，均小等于27%，PPD值中約有66.23%的時間小等于10%。整個供暖季熱舒適性均達(dá)到Ⅱ級以上，相比35 ℃供水溫度，熱舒適性提高，效果顯著。

圖5 不同供水溫度的PMV、PPD值對比

3.2 供水溫度對能源系統(tǒng)能耗的影響

3.2.1 控制策略

增加溫度控制模塊Type108對各房間室溫分別進(jìn)行控制，當(dāng)所有房間溫度均達(dá)到設(shè)定值時，水泵停止。只要有一個房間溫度不達(dá)標(biāo)，則負(fù)荷側(cè)水泵啟動，蓄熱水泵和源側(cè)水泵依然由水箱溫度控制。優(yōu)化控制策略后，各房間溫度得到穩(wěn)定的控制，還可以有效地減少能耗。供水溫度35 ℃，盤管間距200 mm，不控制室溫和控制室溫后的系統(tǒng)能耗對比如圖6所示。供暖季11月初至次年3月末共5個月，其中1月份水泵能耗和熱泵能耗最大，系統(tǒng)總能耗最大。供暖季熱泵能耗一直大于水泵能耗，當(dāng)不控制室溫時，整個供暖季水泵總能耗為1 035.63 kW·h，熱泵總能耗為1 951.50 kW·h，能源系統(tǒng)總能耗為2 987.13 kW·h。增加室溫控制后，供暖季水泵總能耗為845.10 kW·h，降低18.4%，熱泵總能耗為1 454.98 kW·h，降低25.4%，能源系統(tǒng)總能耗為2 300.08 kW·h，降低687.05 kW·h，與優(yōu)化控制策略前相比能源系統(tǒng)總能耗降低了23%。

圖6 控制室溫前后的供暖季系統(tǒng)能耗對比

3.2.2 供水溫度對COP和能耗的影響

固定盤管間距為200 mm，對比供水溫度45 ℃、40 ℃、35 ℃、30 ℃下土壤源熱泵機(jī)組的COP和供暖季能源系統(tǒng)的能耗，圖7為不同供水溫度下土壤源熱泵機(jī)組COP供暖季逐時變化情況。供水溫度45 ℃時，供暖季平均COP為3.50；供水溫度40 ℃時，供暖季平均COP為3.65；供水溫度35 ℃時，供暖季平均COP為3.78；供水溫度30 ℃時，供暖季平均COP為3.94。當(dāng)供水溫度降低至30 ℃，與45℃供水溫度相比土壤源熱泵能效提升12.57%。

圖7 不同供水溫度下熱泵COP供暖季逐時變化情況

輸出不同供水溫度下的供暖季能耗情況如圖8所示。當(dāng)供水溫度為45 ℃，40 ℃，35 ℃,30 ℃時，總能耗分別為2 375.3 kW·h,2 390.5 kW·h,2 300.1 kW·h,2 229.8 kW·h。降低供水溫度，為維持室內(nèi)溫度和水箱設(shè)定溫度，水泵啟動時間增加，因此水泵總能耗逐漸增加，但由于土壤源熱泵機(jī)組能耗逐漸降低，供水溫度45 ℃和40 ℃時系統(tǒng)總能耗相差不多，降低供水溫度至35 ℃、30 ℃，系統(tǒng)總能耗繼續(xù)降低。當(dāng)供水溫度降低至30 ℃，與45 ℃供水溫度相比能源系統(tǒng)總能耗降低145.5 kW·h，降低了6.13%。

圖8 不同供水溫度下供暖季能耗情況

3.3 盤管間距和供水溫度的最優(yōu)匹配模式

為確定盤管間距和供水溫度之間的最優(yōu)匹配模式，分別設(shè)置盤管間距為150 mm，200 mm，250 mm，300 mm，350 mm，400 mm；供水溫度為25 ℃，30 ℃，35 ℃，40 ℃，45 ℃，輸出供暖季PMV，各工況的模擬結(jié)果如圖9所示。45 ℃供水溫度，不同盤管間距下，人體熱感覺均溫暖；40 ℃供水溫度，不同盤管間距下，人體熱感覺均較溫暖；25 ℃供水溫度，不同盤管間距下，人體熱感覺均較涼。盤管間距增大，PMV逐漸降低，但盤管間距對熱舒適的影響沒有供水溫度影響顯著(見圖9)。當(dāng)PMV為0時，人體熱感覺適中，熱舒適性達(dá)到最優(yōu)，此時最佳供水溫度出現(xiàn)在30～35 ℃。

圖9 不同工況下供暖季PMV值

輸出各工況下供暖季PPD，供水溫度45 ℃時，增大盤管間距PPD降低，熱舒適性提高，但增大盤管間距至400 mm，PPD為35.93%，熱舒適性依然達(dá)不到Ⅱ級，供水溫度40 ℃時，熱舒適性相比45 ℃提高，但達(dá)不到Ⅰ級。供水溫度25 ℃時，隨著盤管間距增大，熱舒適性降低，盤管間距100 mm時熱舒適性依然達(dá)不到Ⅱ級。各盤管間距下PPD最小值均出現(xiàn)在30～35 ℃。因此設(shè)置盤管間距為150 mm，200 mm，250 mm，300 mm，350 mm，400 mm；供水溫度為29 ℃，30 ℃，31 ℃，32 ℃，33 ℃，34 ℃，35 ℃，尋找以熱舒適性最高為優(yōu)化目標(biāo)的盤管間距和供水溫度最佳匹配模式。

輸出各工況下PPD如圖10所示，不同盤管間距，供水溫度從29 ℃升高至35 ℃時，PPD均呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢，但不同供水溫度下，盤管間距對PPD的影響不同，當(dāng)供水溫度為29～31 ℃，盤管間距增大，PPD增大，熱舒適性降低；當(dāng)供水溫度為33 ℃至35 ℃，盤管間距增大，PPD降低，熱舒適性提高；供水溫度32 ℃時，盤管間距對PPD影響不大。最佳匹配模式為：150 mm、200 mm、250 mm盤管間距對應(yīng)的最優(yōu)供水溫度為31 ℃，300 mm、350 mm盤管間距對應(yīng)的最優(yōu)供水溫度為32℃，400 mm盤管間距對應(yīng)的最優(yōu)供水溫度為33 ℃，此時熱舒適性均能達(dá)到Ⅰ級。近零能耗建筑使用地面輻射供暖末端時，供水溫度可降低為30～35 ℃，盤管間距可適當(dāng)增大為300～400 mm。

圖10 不同工況下供暖季PPD值

4 結(jié) 論

(1)近零能耗建筑利用土壤源熱泵結(jié)合地面輻射供暖末端供熱，當(dāng)盤管間距200 mm，熱泵供水溫度35 ℃，典型房間供暖季初期和末期室溫偏高，熱舒適性稍差；增大盤管間距或降低供水溫度可提高熱舒適性。

(2)增加室溫控制系統(tǒng)使水泵能耗降低18.4%，熱泵能耗降低25.4%，系統(tǒng)總能耗降低687.05 kW·h，降低了23%。

(3)供水溫度降低為30 ℃，相比45 ℃供水溫度時熱泵能效提升12.57%，總能耗降低145.5 kW·h。

(4)供水溫度和盤管間距的最佳匹配模式為：150 mm、200 mm、250 mm盤管間距對應(yīng)的最優(yōu)供水溫度為31 ℃，300 mm、350 mm盤管間距對應(yīng)的最優(yōu)供水溫度為32 ℃，400 mm盤管間距對應(yīng)的最優(yōu)供水溫度為33℃，此時熱舒適性均能達(dá)到Ⅰ級。近零能耗建筑使用地面輻射供暖末端時，供水溫度可降低為30～35 ℃，盤管間距可增大為300～400 mm，以達(dá)到提高建筑熱舒適性，節(jié)能的效果。