杜曉輝　原瑞增　賈云飛　李 展

摘 要：以寒冷地區(qū)某居住建筑為例，本研究通過(guò)DEST軟件建立近零能耗建筑與常規(guī)節(jié)能建筑模型，對(duì)比分析其建筑冷熱需求差異及其對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的影響，并結(jié)合現(xiàn)有地源熱泵系統(tǒng)檢測(cè)方法，探討了適用于近零能耗建筑的地源熱泵性能檢測(cè)方法。

關(guān)鍵詞：近零能耗建筑;地源熱泵系統(tǒng);性能檢測(cè)

中圖分類號(hào)：TU831 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2019）35-0144-04

Discussion on Research Method of Ground Source Heat Pump

Detection Method for Near-zero-energy Consumption Buildings

DU Xiaohui1 YUAN Ruizeng2 JIA Yunfei2 LI Zhan2

（1. Henan Penghui Industrial Co.， Ltd.，Zhengzhou Henan 452485;2. Henan Provincial Academy of Building Research，Zhengzhou Henan 450053）

Abstract： Taking a residential building in a cold area as an example， this study used DEST software to build a model of near-zero-energy buildings and conventional energy-saving buildings， compared the differences in building cooling and heating requirements and their impact on air conditioning systems，and discussed the performance detection methods of ground source heat pumps that are suitable for buildings with nearly zero energy consumption by combining with the existing detection methods of ground source heat pump systems.

Keywords： near-zero-energy buildings;ground source heat pump system;energy efficiency test

隨著建筑節(jié)能相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)體系的逐漸完善，我國(guó)目前己實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能“三步走”的目標(biāo)，現(xiàn)階段，新建建筑全面實(shí)現(xiàn)相對(duì)節(jié)能率65%，部分城市開(kāi)始試點(diǎn)實(shí)行節(jié)能率75%。2007年開(kāi)始，我國(guó)與德國(guó)在建筑節(jié)能領(lǐng)域開(kāi)展合作，開(kāi)展被動(dòng)式超低能耗建筑技術(shù)研究并相繼建成大量超低能耗綠色建筑示范工程。

隨著《近零能耗建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 51350—2019）的發(fā)布，我國(guó)已經(jīng)基本建立自有的近零能耗建筑標(biāo)準(zhǔn)體系，既和1986—2016年貫徹的30%、50%、65%“三步走”建筑節(jié)能發(fā)展路線相銜接，又和我國(guó)2025年、2035年、2050年中長(zhǎng)期建筑能效提升目標(biāo)有效關(guān)聯(lián)。其中，充分利用可再生能源，以最少的能源消耗提供舒適的室內(nèi)環(huán)境，是近零能耗建筑的一大特點(diǎn)。

目前，我國(guó)可再生能源主要集中在太陽(yáng)能及地源熱泵技術(shù)的應(yīng)用。而考慮節(jié)能性和經(jīng)濟(jì)性等因素，地源熱泵的使用受到地質(zhì)條件、埋管面積、建筑負(fù)荷等因素的制約[1-3]。隨著建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的提升，建筑能耗持續(xù)降低，地源熱泵系統(tǒng)在更高節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)建筑中的應(yīng)用發(fā)生改變。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)階段針對(duì)地源熱泵系統(tǒng)在近零能耗建筑中的研究主要集中在不同形式復(fù)合系統(tǒng)的可行性及運(yùn)行策略研究方面[4-6]，對(duì)系統(tǒng)的應(yīng)用效果以及評(píng)價(jià)方法研究較少。分析近零能耗建筑和常規(guī)節(jié)能建筑設(shè)計(jì)差異對(duì)地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行狀況的影響，研究近零能耗建筑中地源熱泵系統(tǒng)全年性能檢測(cè)方法及評(píng)價(jià)體系對(duì)于地源熱泵在近零能耗建筑中的推廣具有重要意義。

1 近零能耗建筑冷熱需求特性研究

和常規(guī)的節(jié)能建筑相比，近零能耗建筑有著高性能的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)、高性能門窗、無(wú)熱橋及良好的氣密性等節(jié)能技術(shù)措施[7]，這就使得近零能耗建筑的冷熱負(fù)荷需求和常規(guī)節(jié)能建筑存在差異。需求的不同會(huì)影響建筑能耗構(gòu)成甚至設(shè)備運(yùn)行效率，如果相同規(guī)模的制冷機(jī)組在不同負(fù)荷率下的用戶需求不同，冷機(jī)的運(yùn)行效率不同，不同的負(fù)荷特性下空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行策略也會(huì)不同。

1.1 建筑冷熱需求計(jì)算

DEST是清華大學(xué)開(kāi)發(fā)的一款建筑環(huán)境及HVAC系統(tǒng)模擬軟件，軟件分為DEST-C和DEST-H兩個(gè)模塊。其中，DEST-H主要用于住宅建筑能耗特性的影響因素分析、住宅建筑的全年動(dòng)態(tài)負(fù)荷計(jì)算、住宅室溫計(jì)算、末端設(shè)備系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析等領(lǐng)域。

1.1.1 模型建立。為了簡(jiǎn)化研究過(guò)程，本文選取的研究對(duì)象為典型多層居住建筑，地上五層、地下兩層。總建筑面積為2536m2，體形系數(shù)為0.44。執(zhí)行節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)為《河南省居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（寒冷地區(qū)65%+）》（DBJ 41/062—2017），利用DEST-C軟件分別建立滿足《河南省居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（寒冷地區(qū)65%+）》（DBJ 41/062—2017）以及《近零能耗建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 51350—2019）的建筑模型（見(jiàn)圖1）進(jìn)行分析，模型設(shè)置的參數(shù)如表1、表2所示。

表1 建筑概況

表2 常規(guī)節(jié)能建筑與近零能耗建筑的熱工參數(shù)對(duì)比

本研究建立的DEST-H模型如圖1所示。

1.1.2 參數(shù)設(shè)置。有關(guān)參數(shù)包括氣象數(shù)據(jù)參數(shù)、模型維護(hù)結(jié)構(gòu)材質(zhì)和房間功能。

1.1.2.1 氣象數(shù)據(jù)參數(shù)設(shè)置。DEST-C模擬所依據(jù)的傳熱原理依賴于建筑室外環(huán)境參數(shù)情況，選擇模型所在地理區(qū)域城市，即將模擬所處區(qū)域的氣象數(shù)據(jù)加載至模擬環(huán)境中，為模擬分析提供可靠的基礎(chǔ)。按照DEST的操作方式，在本文中，所有方案的模擬均選擇河南省鄭州市作為模擬環(huán)境，鄭州市在我國(guó)采暖氣候分區(qū)中屬于寒冷地區(qū)。

圖1 DEST-H建筑模型

1.1.2.2 模型維護(hù)結(jié)構(gòu)材質(zhì)設(shè)定。模型建立好之后，需要對(duì)模型進(jìn)行常規(guī)節(jié)能建筑負(fù)荷模擬并對(duì)近零能耗建筑進(jìn)行負(fù)荷模擬分析，因此需要分別設(shè)置模型熱工性能參數(shù)，如表3、表4所示。

表3 常規(guī)節(jié)能建筑模型熱工性能參數(shù)

表4 近零能耗建筑模型熱工性能參數(shù)

1.1.2.3 房間功能設(shè)定。住宅建筑不同房間的使用功能不同，會(huì)對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境產(chǎn)生不同的影響。例如，一個(gè)客廳空間和一個(gè)臥室空間的不同，在于其人員活動(dòng)的數(shù)量和時(shí)間段、照明設(shè)備的選擇以及室內(nèi)電器設(shè)備的陳設(shè)等，這些影響因素有著不同的熱工特性，DEST-H會(huì)對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境產(chǎn)生不同影響，構(gòu)成室內(nèi)熱環(huán)境的內(nèi)擾因素。對(duì)不同的功能空間，人們定義了室內(nèi)不同的內(nèi)擾形式，其中包括人員的數(shù)量、活動(dòng)時(shí)間和人員的發(fā)熱量;照明設(shè)備的開(kāi)啟方式以及功率、產(chǎn)熱量;家具設(shè)備的相關(guān)系數(shù)以及空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行方式等。

1.2 模擬結(jié)果分析

1.2.1 常規(guī)節(jié)能建筑模擬結(jié)果。通過(guò)模擬計(jì)算，人們可以得到節(jié)能率為65%+的節(jié)能建筑和近零能耗建筑的全年空調(diào)負(fù)荷計(jì)算結(jié)果，其單位建筑面積的負(fù)荷指標(biāo)如表5所示。

表5 單位面積負(fù)荷指標(biāo)

1.2.2 模擬結(jié)果對(duì)比分析。下面主要分析負(fù)荷強(qiáng)度特性和負(fù)荷分布特性。

1.2.2.1 負(fù)荷強(qiáng)度特性。對(duì)比節(jié)能率65%+的節(jié)能建筑和近零能耗建筑的負(fù)荷特性可知，近零能耗建筑相比于節(jié)能率為65%+的建筑冷熱負(fù)荷大幅度降低，冷負(fù)荷峰值降低比例大于熱負(fù)荷峰值，近零能耗建筑的冷熱負(fù)荷峰值比小于節(jié)能率為65%+的節(jié)能建筑。

寒冷地區(qū)不同節(jié)能率居住建筑峰值負(fù)荷對(duì)比分析如表6所示。

表6 不同節(jié)能率建筑負(fù)荷峰值分析

從表7可以看到，冷熱負(fù)荷分布不均勻，節(jié)能65%+的居住建筑累計(jì)冷熱負(fù)荷比為0.52，近零能耗建筑的累計(jì)負(fù)荷比增至0.81。

表7 不同節(jié)能率建筑累計(jì)冷熱負(fù)荷分析

1.2.2.2 負(fù)荷分布特性。建筑冷熱負(fù)荷分布如表8、圖2所示。

從圖2可以看出，節(jié)能65%+建筑和近零能耗建筑在冷熱負(fù)荷分布上存在相同的變化趨勢(shì)。在供暖季節(jié)，負(fù)荷分布較為平均，機(jī)組大部分時(shí)間處于部分負(fù)荷運(yùn)行，負(fù)荷率在25%～50%、50%～75%的比例接近均等，約為30%;在供暖季節(jié)，負(fù)荷率大于50%的時(shí)間只占6%～7%，說(shuō)明90%以上的時(shí)間機(jī)組負(fù)荷率低于50%，這意味著在機(jī)組配置時(shí)要充分考慮部分負(fù)荷的運(yùn)行情況，通過(guò)選擇多臺(tái)主機(jī)交替運(yùn)行的方式來(lái)滿足用戶負(fù)荷需求，或根據(jù)建筑的實(shí)際情況和機(jī)組運(yùn)行特性，制定合理的運(yùn)行策略，提高系統(tǒng)運(yùn)行效率。

表8 建筑冷熱負(fù)荷分布

圖2 不同節(jié)能率建筑冷熱負(fù)荷分布

2 現(xiàn)有地源熱泵性能檢測(cè)方法

根據(jù)《可再生能源建筑應(yīng)用示范項(xiàng)目測(cè)評(píng)導(dǎo)則》、《可再生能源建筑應(yīng)用工程評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50801—2013）內(nèi)容，地源熱泵系統(tǒng)示范項(xiàng)目的測(cè)試內(nèi)容主要包括三個(gè)方面：形式檢查、系統(tǒng)性能檢測(cè)和系統(tǒng)能效評(píng)估。

形式檢查包含項(xiàng)目系統(tǒng)檢查、項(xiàng)目實(shí)施量檢查、項(xiàng)目運(yùn)行情況檢查三個(gè)部分。其中，系統(tǒng)檢查主要是對(duì)地源熱泵系統(tǒng)的外觀質(zhì)量、系統(tǒng)關(guān)鍵部位、系統(tǒng)安全性、環(huán)保措施等方面的檢查;實(shí)施量檢查主要檢查地源熱泵系統(tǒng)實(shí)際實(shí)施量情況與可再生能源建筑應(yīng)用申報(bào)書(shū)和項(xiàng)目最初的設(shè)計(jì)文件是否一致;運(yùn)行情況檢查主要是查看地源熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行調(diào)試記錄是否齊全，運(yùn)行時(shí)各項(xiàng)指標(biāo)是否符合相關(guān)規(guī)范要求。

系統(tǒng)性能檢測(cè)主要圍繞室內(nèi)舒適度、機(jī)組性能和系統(tǒng)性能三個(gè)方面進(jìn)行，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)搭建測(cè)試平臺(tái)采集系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，了解系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行情況，并通過(guò)數(shù)據(jù)的處理分析得出熱泵機(jī)組制熱/制冷性能系數(shù)和系統(tǒng)COP。

系統(tǒng)能效評(píng)估則是根據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算得到示范項(xiàng)目的系統(tǒng)能效比、常規(guī)能源替代量、二氧化碳等溫室及污染氣體的減排量，進(jìn)而評(píng)估其節(jié)能、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益。

綜上，現(xiàn)有的地源熱泵性能評(píng)價(jià)方法多是從系統(tǒng)能效出發(fā)，即對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的單個(gè)狀態(tài)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試評(píng)價(jià)。近零能耗建筑是性能參數(shù)與能耗指標(biāo)的雙重考核，不僅僅要從單個(gè)運(yùn)行工況點(diǎn)來(lái)對(duì)地源熱泵的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，更應(yīng)從建筑全生命周期去考慮。因此，如何通過(guò)測(cè)試若干運(yùn)行工況點(diǎn)來(lái)計(jì)算出系統(tǒng)全年甚至全生命周期運(yùn)行能效的方法尤為重要。

圖3 地源熱泵系統(tǒng)全年性能檢測(cè)方法原理

3 地源熱泵全年性能檢測(cè)方法研究

3.1 研究思路

通過(guò)理論計(jì)算建筑全年冷熱負(fù)荷分布特性，得到地源熱泵系統(tǒng)在供冷（暖）季不同負(fù)荷率區(qū)間下的運(yùn)行時(shí)間分布比例，然后通過(guò)實(shí)際測(cè)試不同負(fù)荷率區(qū)間下系統(tǒng)的平均能效比并加權(quán)平均得到系統(tǒng)全年制冷（熱）性能系數(shù)，進(jìn)而綜合評(píng)價(jià)地源熱泵系統(tǒng)全年運(yùn)行狀況。

3.2 新方法提出

為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，本文提出一種地源熱泵系統(tǒng)全年性能檢測(cè)方法，通過(guò)有限次的測(cè)試得到地源熱泵系統(tǒng)全年運(yùn)行性能參數(shù)，進(jìn)而科學(xué)地評(píng)價(jià)地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行效果，具體方法如下。

①計(jì)算應(yīng)用地源熱泵系統(tǒng)的建筑物冷熱負(fù)荷分布特性，建筑物冷熱負(fù)荷分布特性包括建筑物冷熱負(fù)荷的極值和地源熱泵系統(tǒng)在不同負(fù)荷率區(qū)間下的全年運(yùn)行時(shí)間分布比例。

②根據(jù)當(dāng)前檢測(cè)時(shí)刻的室外溫度，計(jì)算當(dāng)前檢測(cè)時(shí)刻的建筑物實(shí)時(shí)逐時(shí)負(fù)荷。

③根據(jù)建筑物冷熱負(fù)荷的極值和建筑物實(shí)時(shí)逐時(shí)負(fù)荷，計(jì)算當(dāng)前檢測(cè)時(shí)刻的地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行負(fù)荷率并更新對(duì)應(yīng)負(fù)荷率區(qū)間下的運(yùn)行累計(jì)時(shí)長(zhǎng)。

④根據(jù)測(cè)量的地源熱泵系統(tǒng)進(jìn)出口水溫、流量和設(shè)備耗電量，計(jì)算不同負(fù)荷率區(qū)間下的地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行能效比。

⑤判斷不同負(fù)荷率區(qū)間下的運(yùn)行累計(jì)時(shí)長(zhǎng)是否大于預(yù)設(shè)時(shí)長(zhǎng)，若大于則執(zhí)行步驟⑥;反之，則執(zhí)行步驟②至步驟④。

⑥輸出不同負(fù)荷率區(qū)間下的地源熱泵系統(tǒng)的平均能效比，并根據(jù)不同負(fù)荷率區(qū)間下的全年運(yùn)行時(shí)間分布比例和不同負(fù)荷率區(qū)間下的地源熱泵系統(tǒng)的平均能效比，計(jì)算地源熱泵系統(tǒng)的全年綜合能效比。

新型的地源熱泵系統(tǒng)全年性能檢測(cè)方法原理如圖3所示。

4 結(jié)論

本文通過(guò)DEST-H軟件建模對(duì)比常規(guī)節(jié)能建筑和近零能耗建筑負(fù)荷差異，得到近零能耗建筑冷熱負(fù)荷強(qiáng)度特點(diǎn)和全年分布特性;通過(guò)調(diào)研現(xiàn)有地源熱泵系統(tǒng)檢測(cè)方法，分析現(xiàn)有檢測(cè)方法對(duì)于近零能耗建筑中地源熱泵系統(tǒng)的適應(yīng)性和局限性;最后提出一種新型地源熱泵系統(tǒng)在近零能耗建筑中的性能檢測(cè)方法，以期通過(guò)有限次的檢測(cè)來(lái)科學(xué)評(píng)價(jià)地源熱泵系統(tǒng)全年運(yùn)行能效，為近零能耗建筑中地源熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用效果評(píng)價(jià)奠定理論基礎(chǔ)。

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