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(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(jìn)行能耗分析。

1 目標(biāo)建筑

目標(biāo)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(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，戶型3 室1 廳。總建筑面積為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)計標(biāo)準(zhǔn)》[1]的要求，見表1：

表1 圍護(hù)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(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(jī)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(jī)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(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(fù)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(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(jìn)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(jìn)行模擬，其具體結(jié)果見表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(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(jìn)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(jī)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(yuǎn)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(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(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(fù)荷能效比的負(fù)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(fù)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(fù)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。