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(lái)說(shuō),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(lèi),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(kāi)啟人走空調(diào)關(guān)閉”的靈活調(diào)節(jié)方式更能滿(mǎn)足分室分時(shí)供暖的調(diào)控需求,同時(shí)也能滿(mǎn)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(wèn)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(shí)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(shí)間、部分空間”的供暖需求,使得集中式系統(tǒng)運(yùn)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(yùn)行策略[7]。本文通過(guò)EnergyPlus軟件建立目標(biāo)建筑,以分體式空氣源熱泵、地下水源熱泵系統(tǒng)為代表,對(duì)分室分時(shí)和全室全室供暖需求模式下的分散和集中供暖進(jìn)行能耗分析。
目標(biāo)建筑為夏熱冬冷地區(qū)最常見(jiàn)的多層住宅,共7 層,層高2.7 m,建筑立面圖和平面圖見(jiàn)圖1、2,符合《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[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(hù),戶(hù)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(hù)結(jié)構(gòu)符合《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[1]的要求,見(jiàn)表1:
表1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)
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(xiàn)[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(guò)渡區(qū),中部核心區(qū)和南部過(guò)渡區(qū)的典型城市,供暖室外計(jì)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(jì)日。見(jiàn)表2。
表2 夏熱冬冷地區(qū)典型城市供暖室外計(jì)算溫度
不同的家庭模式其作息規(guī)律不同,作息規(guī)律對(duì)于分室分時(shí)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(lèi)型,即A 類(lèi)型:2 個(gè)上班族;B 類(lèi)型:2 個(gè)上班族+1 個(gè)學(xué)生;C 類(lèi)型:2 個(gè)上班族+2 個(gè)老人;D類(lèi)型:2 個(gè)上班族+2 個(gè)老人+1 個(gè)學(xué)生。根據(jù)中國(guó)人口普查資料[10]確定A、B、C、D 家庭結(jié)構(gòu)占比,見(jiàn)表3。
表3 家庭結(jié)構(gòu)占比
按比例隨機(jī)分布,不同家庭結(jié)構(gòu)在建筑空間上的分布結(jié)果見(jiàn)圖3。
圖3 建筑家庭戶(hù)分布示意圖
居民活動(dòng)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(jì)算,共90 天[1]。本文考慮分室分時(shí)和全室全時(shí)兩種供暖需求模式:分室分時(shí)供暖模式下,供暖時(shí)刻的房間溫度設(shè)定為18 ℃,非供暖時(shí)刻設(shè)定為5 ℃,各家庭類(lèi)型各供暖房間的供暖時(shí)刻見(jiàn)表4[11]。全室全時(shí)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(shí)供暖需求模式的房間供暖時(shí)間
假設(shè)房間門(mén)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(jiàn)表5。
表5 各房間的燈光、設(shè)備啟停規(guī)律
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(pán)管,直接膨脹加熱盤(pán)管,送風(fēng)機(jī)和輔助加熱盤(pán)管等部件組成的,見(jiàn)圖4。本文研究加熱模式,故不考慮冷卻盤(pán)管。其中,空氣源熱泵的加熱盤(pán)管模型模擬室內(nèi)DX 加熱盤(pán)管的熱性能和室外機(jī)(壓縮機(jī)、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(rèn)的機(jī)組能效COP=2.75[12]。目標(biāo)建筑共94 個(gè)供暖房間,每個(gè)房間設(shè)置一臺(tái)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。
EnergyPlus 有兩種地下水源熱泵(GSHP)模型:參數(shù)估計(jì)模型和方程擬合模型,本文采取的是方程擬合模型,計(jì)算模型由Tang and Jin[13]提出,見(jiàn)圖5。供暖系統(tǒng)是由多個(gè)部件組成,各個(gè)部件之間由模擬實(shí)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(fù)荷側(cè)兩個(gè)環(huán)路,每個(gè)部件前后都需要設(shè)定節(jié)點(diǎn),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(rèn)的機(jī)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(jìn)口水溫設(shè)定為18 ℃,熱源側(cè)定頻泵連續(xù)運(yùn)行,用戶(hù)側(cè)變頻泵間歇運(yùn)行,地板輻射采暖末端一直開(kāi)啟,控制地輻進(jìn)出口的水溫分別為45 ℃和35 ℃。
通過(guò)前文的建模,利用EnergyPlus 對(duì)南京、武漢、桂林三個(gè)代表城市的分室分時(shí)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(yùn)行能耗進(jìn)行模擬,其具體結(jié)果見(jiàn)表6。文獻(xiàn)[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(shí)需求模式下供暖季能耗對(duì)比
由表6 可知在分室分時(shí)模式下,PTHP 的能耗略低于GSHP。
本文選擇1 樓Ⅰ單元D 戶(hù)為代表戶(hù),以次臥1 作為代表房間,在分室分時(shí)供暖模式下進(jìn)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(shí)溫度變化如圖6。當(dāng)開(kāi)始供暖時(shí),PTHP 供暖的室溫可以實(shí)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(shí)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(jì)日室內(nèi)空氣逐時(shí)溫度
次臥1 的單位面積逐時(shí)供熱量如圖7。由圖7 可知在供暖時(shí)段分室分時(shí)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(duì)于PTHP 在調(diào)控能力上存在著固有的劣勢(shì)。從建筑整體需求角度分析,PTHP 可以根據(jù)用戶(hù)需求靈活的進(jìn)行末端調(diào)控,而對(duì)于GSHP 系統(tǒng),無(wú)論末端用戶(hù)的多少,系統(tǒng)的機(jī)組總是運(yùn)行,無(wú)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(shí)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(jì)日單位面積逐時(shí)供熱量
在設(shè)計(jì)工況下系統(tǒng)的COP 如圖8。據(jù)圖8 可知GSHP 的COP 遠(yuǎn)優(yōu)于PTHP。在供暖時(shí)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(dòng)受室外氣象條件影響不大,主要與該時(shí)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(hù)側(cè)負(fù)荷需求越不同步、負(fù)荷率越低,GSHP 的能效越低。
圖8 設(shè)計(jì)工況COP
圖9 建筑的逐時(shí)在室比例
通過(guò)以上對(duì)模擬結(jié)果的分析,在分室分時(shí)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(bǔ)了調(diào)控能力不足的缺陷導(dǎo)致的結(jié)果。
由表7 可知,在全室全時(shí)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(shí)供暖需求模式下供暖季能耗對(duì)比
以次臥1 為例,全室全時(shí)供暖需求模式下室內(nèi)設(shè)定溫度恒為18 ℃,兩個(gè)供暖系統(tǒng)下次臥1 的室內(nèi)空氣逐時(shí)溫度變化如圖10。在武漢地區(qū),設(shè)計(jì)日0:00-8:00之間室外氣溫相對(duì)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(dá)到了5.3 ℃,如圖10 所示。隨著室外溫度的變化,建筑負(fù)荷需求變化,GSHP 無(wú)法根據(jù)需求及時(shí)調(diào)控,因此室內(nèi)實(shí)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(shí)溫度
次臥1 的單位面積逐時(shí)供熱量如圖12。全室全時(shí)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(guò)了PTHP 的供熱量。
圖12 次臥1 單位面積逐時(shí)供熱量
在全室全時(shí)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(shí)COP 突然減小,原因在于該時(shí)刻加熱盤(pán)管的加熱率增加,超出了最高部分負(fù)荷能效比的負(fù)荷值,如圖14所示。
圖13 設(shè)計(jì)日COP
圖14 加熱盤(pán)管逐時(shí)加熱率
全室全時(shí)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(shì),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(yùn)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(fù)荷需求增加,因此集中式節(jié)能優(yōu)勢(shì)更明顯。
由于建筑本身需求負(fù)荷減小,同一地區(qū)同一系統(tǒng)分室分時(shí)供暖模式比全室全時(shí)供暖模式能耗明顯要小,如圖15 所示。與全室全時(shí)供暖模式相比,分室分時(shí)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
1)在分室分時(shí)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(shí)供暖模式弱化了集中式供暖的調(diào)控受限的缺點(diǎn),集中式供暖憑借能效的優(yōu)勢(shì),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(shì)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(shí)模式相比,分室分時(shí)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(wú)論是分散還是集中系統(tǒng),同一地區(qū)分室分時(shí)供暖模式比全室全時(shí)供暖模式能耗明顯要小。因此對(duì)于有分戶(hù)計(jì)量要求的住宅建筑,宜采用分室分時(shí)供暖模式。