王 波，吳靜怡，王如竹

（1.上海交通大學(xué)機械與動力工程學(xué)院，上海 200240；2.上海交通大學(xué)制冷與低溫研究所，上海 200240）

0 引言

建筑用能是社會用能的重要組成部分，目前世界各國用于居住建筑的能源消耗占社會總能耗的比重已經(jīng)達到16%～50%［1］，因此國外發(fā)達國家非常重視住宅節(jié)能，歐洲住宅節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用和推廣較早，尤其是德國和瑞典，建筑節(jié)能技術(shù)處于領(lǐng)先地位。隨著我國居民生活水平的提高，近年來我國建筑用能也快速增加，與本世紀初相比目前的建筑用能已翻了一番［2］，我國建筑用能的能效較低，建筑節(jié)能已經(jīng)成為我國發(fā)展低碳經(jīng)濟戰(zhàn)略的重要組成部分。

本文將討論民用住宅的節(jié)能，住宅能耗主要包括采暖、空調(diào)、通風(fēng)系統(tǒng)（HVAC）、照明、生活熱水、炊事及其他家用電器等的用能，其中HVAC系統(tǒng)所消耗的能耗約占整個住宅能耗的60%以上［3］，因此節(jié)能住宅的設(shè)計應(yīng)該立足于建筑結(jié)構(gòu)和采暖空調(diào)等建筑設(shè)備的有機結(jié)合。

Zhao Yang等利用DOE-2軟件比較分析了中國南方夏熱冬暖地區(qū)及北方寒冷地區(qū)的建筑改造的節(jié)能效果［4］；Hua Chen等分析了香港地區(qū)住宅使用水冷式空調(diào)替代風(fēng)冷式空調(diào)的可行性與住宅節(jié)能潛力［5］；Jinlong Ouyang等建立了LCC模型，并分析了的各項節(jié)能技術(shù)在中國不同氣候地區(qū)使用中的經(jīng)濟性［6］。對于我國的夏熱冬冷地區(qū)冬季需要采暖夏季需要空調(diào)，除了必須提高住宅圍護結(jié)構(gòu)的保溫性與氣密性外，還必須選用高效的HVAC系統(tǒng)減少建筑物的能耗；例如采用變制冷劑流量（Variable Refrigerant Flow，VRF）多聯(lián)機空調(diào)與全熱交換器（Heat Recovery Ventilation，HRV），是降低該地區(qū)住宅HVAC系統(tǒng)能耗的有效有段。

本文將以上海某智能公寓為例，建立住宅建筑模型與HVAC系統(tǒng)模型，比較新型節(jié)能住宅圍護結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)住宅圍護結(jié)構(gòu)對住宅負荷及全年空調(diào)能耗的影響，以及HRV的節(jié)能效果。

1 研究方法與模型介紹

本文采用的新型節(jié)能住宅模型為上海交通大學(xué)綠色能源實驗樓內(nèi)的智能公寓。上海交通大學(xué)綠色能源實驗樓是通過美國的LEED認證，并獲得銀牌的綠色節(jié)能建筑，整棟建筑為鋼框架結(jié)構(gòu)，圍護外墻為外保溫幕墻系統(tǒng)。智能公寓位于實驗樓頂層（3層），建筑面積為59.4 m2，長9 m，寬6.6 m，高3 m，其南立面、西立面及北立面為外墻，東立面和地面與其他實驗室相鄰。住宅布局如圖1。

圖1 實驗住宅布局

新型節(jié)能住宅的外墻及屋頂經(jīng)過外保溫處理，窗戶玻璃采用雙層Low-E玻璃，智能公寓的外圍護結(jié)構(gòu)及其熱工性能見表1。

住宅采暖和制冷均用VRF變頻多聯(lián)機，新風(fēng)由全熱交換器HRV引入。住宅內(nèi)使用的VRF多聯(lián)機室外機為Panasonic CU-ME36B01，額定制冷量10.0 k W，額定制熱量11.2 k W；室內(nèi)機Panasonic包括客廳CS-ME16D0A01和臥室CS-ME9D0A01，額定制冷COP為2.79，額定制熱COP為3.47。采用的HRV全熱交換器為Panasonic FY-150ZDY3NH，送風(fēng)量150 m3／h，輸入功率88 W。

模擬分析采用的是目前國際最流行的建筑全能耗分析軟件EnergyPlus，該軟件采用集成同步的負荷、系統(tǒng)和設(shè)備結(jié)構(gòu)，結(jié)合真實的氣象數(shù)據(jù)、輸入的建筑情況（建筑結(jié)構(gòu)、圍護結(jié)構(gòu)材料、暖通空調(diào)系統(tǒng)及設(shè)備、室內(nèi)人員活動規(guī)律、照明電器情況）和室內(nèi)設(shè)計溫度值，可以動態(tài)地計算建筑的全年能耗，計算結(jié)果精確。

表1 節(jié)能住宅外圍護結(jié)構(gòu)及其熱工性能

VRF空調(diào)系統(tǒng)的建模是利用EnergyPlus中已有的空冷式DX（direct expansion直接膨脹式）盤管充當室內(nèi)機，其特征曲線使用VRV室內(nèi)機的性能曲線進行替代，從而建立虛擬的室外機與室內(nèi)機關(guān)系。用于描述DX盤管制冷工況的性能曲線共有五條：制冷量與溫度變化關(guān)系修正曲線；制冷量與空氣流量關(guān)系修正曲線，能量輸入比與溫度變化修正曲線；能量輸入比與空氣流量關(guān)系修正曲線；部分負荷系數(shù)曲線。HRV的建模是利用在Energy Plus中已有的HRV模塊，只需要輸入HRV在100%空氣流量和75%空氣流量時全熱交換器的顯熱與潛熱交換效率。VRF性能曲線與HRV潛顯熱效率可從Panasonic提供的機組資料查取。

EnergyPlus軟件沒有集成上海市的室外氣象數(shù)據(jù)，為了反映上海市的室外氣候，本文將采用典型設(shè)計日條件進行建筑負荷的模擬仿真，并采用典型氣象年條件對建筑物全年HVAC系統(tǒng)能耗的模擬仿真。模擬過程中，室內(nèi)設(shè)備及照明功率分別為7 W／m2和15 W／m2，人員設(shè)定為2人，建筑自然滲透風(fēng)為每小時0.5次。由于住宅的使用特點與辦公建筑的使用特點正好相反，HVAC系統(tǒng)的工作日運行時間為18：00次日8：00，休息日全天運行。上海市工程建筑設(shè)計規(guī)范《居住建筑節(jié)能設(shè)計標準》（DGJ08-205-2011）中，對居住建筑的圍護結(jié)構(gòu)、采暖空調(diào)設(shè)備、通風(fēng)換氣均有更為嚴格的標準和要求。根據(jù)該標準，采用建筑物的采暖、空調(diào)年計算耗電量為建筑物的節(jié)能綜合指標，采暖期為12月1日到次年2月28號，空調(diào)期為6月15日到8月31號。冬季、夏季室內(nèi)設(shè)計溫度分別為20℃和26℃。

2 模擬結(jié)果的分析

模擬工作分別對該建筑采用的節(jié)能建筑外圍護結(jié)構(gòu)和使用全熱交換通風(fēng)的節(jié)能效果進行分析，這些節(jié)能效果可以體現(xiàn)在住宅負荷及全年空調(diào)用能的模擬結(jié)果，以及通風(fēng)設(shè)備用電能耗進行模擬結(jié)果中。作為比較對象，傳統(tǒng)住宅常見的外墻為240粘土磚墻，屋面為架空屋面，窗戶為單層玻璃鋼窗，其中240粘土磚墻的傳熱系數(shù)為1.96 W／（m2· K），架空屋面的傳熱系數(shù)為1.54 W／（m2·K），單層玻璃鋼窗的傳熱系數(shù)為5.78 W／（m2·K）?？照{(diào)和采暖系統(tǒng)采用與新型節(jié)能住宅相同的VRF變頻空調(diào)系統(tǒng)。

2.1 提高外圍護結(jié)構(gòu)性能的節(jié)能效果

新型節(jié)能住宅的外墻及屋頂經(jīng)過外保溫處理，窗戶玻璃采用雙層Low-E玻璃，建筑的保溫性能有很大提高，因此建筑的制冷采暖負荷也發(fā)生變化。我國最新《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》（GB 50736-2012）限定了居住建筑的通風(fēng)換氣量，最小換氣次數(shù)為每小時1.0次。因此在引入150 m3／h自然新風(fēng)的前提下，對這種住宅和傳統(tǒng)住宅的典型設(shè)計日負荷進行模擬，當夏季設(shè)計日室外溫度設(shè)定在28.1～33.6℃之間波動時，全天的冷負荷模擬結(jié)果如圖2。

圖2 節(jié)能住宅與傳統(tǒng)住宅的負荷對比（夏季設(shè)計日）

由圖2可以看出，作為對比的傳統(tǒng)住宅，制冷負荷為7 325 W，空調(diào)負荷為123.3 W／m2；節(jié)能住宅的制冷負荷僅為5 275 W，空調(diào)負荷88.8 W／m2。因此采用新型節(jié)能建筑材料后建筑物的保溫性能提高，空調(diào)負荷明顯減少。

給定冬季設(shè)計日的室外溫度為4.9℃，假設(shè)恒定不變，通過模擬可以得到傳統(tǒng)住宅的采暖負荷為5 963 W左右；節(jié)能住宅的采暖負荷為4 131 W左右。采暖耗電從2 308 k Wh減少到1 902 k Wh。全年空調(diào)耗電比較如圖3所示。

圖3 節(jié)能住宅與傳統(tǒng)住宅的全年空調(diào)耗電對比

由圖3可以看出，新型節(jié)能住宅和傳統(tǒng)住宅的全年空調(diào)用電能耗分別為3 910.9 k Wh和4 671.5 k Wh；與傳統(tǒng)住宅相比，新型節(jié)能住宅全年空調(diào)總耗電減少16.3%；其中制冷耗電減少15.0%，采暖耗電減少17.6%，表明提升外圍護結(jié)構(gòu)保溫性能，冬季采暖期的節(jié)能效果更顯著。

2.2 全熱交換通風(fēng)的節(jié)能效果

直接的自然通風(fēng)會損失乏氣的熱能，增加空調(diào)的能耗。HRV是新風(fēng)與回風(fēng)之間進行熱濕交換，相當于是對新風(fēng)的預(yù)處理，夏季對新風(fēng)降溫除濕，冬季對新風(fēng)加熱加濕。因此，HRV的使用必然會使得室內(nèi)空調(diào)的制冷／采暖需求減少，從而降低了空調(diào)的能耗。以新型節(jié)能住宅為研究對象，在保證相同通風(fēng)量的前提下，對自然通風(fēng)和全熱交換通風(fēng)情況下空調(diào)的用電能耗進行模擬比較，模擬結(jié)果如圖4。

從圖4可以看出，全熱交換通風(fēng)情況下，空調(diào)全年耗電為3276 k Wh，與自然通風(fēng)相比，引入HRV后全年耗電降低了16.2%，其中制冷耗電降低了13.8%，采暖耗電降低了18.9%。與提高建筑物的外圍護結(jié)構(gòu)保溫性能同樣，冬季采暖工況下HRV的節(jié)能效果更好，其原因是冬季室內(nèi)外的平均溫差較夏季大，因而新風(fēng)與回風(fēng)之間的熱交換量較大。

圖4 自然通風(fēng)與全熱交換通風(fēng)下全年空調(diào)能耗對比

3 結(jié)論

本文采用建筑能耗模擬軟件EnergyPlus建立了上海地區(qū)新型節(jié)能住宅與傳統(tǒng)住宅的典型建筑模型，通過對模型的模擬分析，比較了新型節(jié)能住宅與傳統(tǒng)住宅的負荷、全年空調(diào)能耗，分析了HRV的節(jié)能效果，得出以下結(jié)果：

1）在上海的氣候條件下（夏熱冬冷地區(qū)），采用高保溫性能外圍護結(jié)構(gòu)的新型節(jié)能住宅的空調(diào)負荷明顯低于傳統(tǒng)住宅，因而相同建筑面積情況下，新型節(jié)能住宅可選用更小制冷量的空調(diào)機。與傳統(tǒng)住宅相比，新型節(jié)能住宅全年空調(diào)耗電量減少了16.3%，制冷耗電減少了15.0%，采暖耗電減少了17.6%，冬季采暖工況下節(jié)能效果更佳。

2）HRV的使用，也可以降低空調(diào)的能耗。與自然通風(fēng)相比，引入HRV后全年空調(diào)耗電降低了16.2%，制冷耗電降低了13.8%，采暖耗電降低了18.9%。冬季采暖工況下HRV的節(jié)能效果更好。

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