某地源熱泵空調系統采用不同末端的能耗分析與對比

薛文軍

(西安工程大學，陜西 西安 710048)

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某地源熱泵空調系統采用不同末端的能耗分析與對比

薛文軍

(西安工程大學，陜西 西安 710048)

摘要：使用能耗分析軟件 EnergyPlus 對西安別墅建筑進行了地源熱泵空調系統能耗模擬，比較了采用輻射板和風機盤管的兩種末段方式的模擬結果，研究表明：采用輻射板比采用風機盤管的末段方式節能，節能幅度達到30%以上。

關鍵詞：energyplus軟件；地源熱泵；風機盤管；輻射板；能耗模擬

1引言

目前我國正處在建筑業高速蓬勃發展時期，建筑能耗已經占到我國總商品能耗的20%～30%左右[1]，與本世紀初相比能耗已經增加了近一倍[2]。其中住宅能耗占全國總能耗的 20%左右[3]。而城市化進程是居住能耗持續增長的重要驅動因素[3]，相關研究已證實了高居住能耗與城市化水平之間的正相關關系[4]。而建筑空調系統采用的末端種類對建筑能耗的作用也不盡相同，因此有必要對其研究。末端方式主要有輻射板和風機盤管，使用輻射板比風機盤管節能，但鋪設輻射板成本較高，但兩者所消耗的傳統冷熱源花費卻并不少。因此地源熱泵不失為一個好的選擇。一些學者進行了輻射板系統在建筑物內不同冷熱源的性能研究。Kilkis[6]對地源熱泵(GSHP)使用輻射板末端進行了優化，提高了火用效率和一次能源比；Kosir等[7]斯洛文尼亞的某博物館采用低溫輻射系統與自動化局部通風相結合，對能源的需求下降了60.5%；而對地源熱泵采用風機盤管的研究主要集中在工程設計、實際應用方面及選擇不同類型的風機盤管等方面。劉華清[8]為某節能辦公樓設計了采用帶全熱交換器新風機組加無級調速無刷直流風機盤管系統及地板送風變風量空調系統；對比分析了采用這些系統對節能減排的意義。對于住宅能耗的研究，由于用戶用能行為復雜，且資料獲取困難，因而其研究的難度也較大[5]。為了研究家庭的用能特點，可用的方法有實測和模擬兩種。實測得到的數據充分詳細，分析結果可靠并有說服力，但實測過程中會有很多的困難，且無法包含所有的工況；而模擬方法能覆蓋所有工況，受意外情況影響小，能夠得到可信的模擬結果。

2EnergyPlus 軟件簡介

EnergyPlus 是建筑全能耗分析軟件，由美國能源部資助開發，基于動態負理論，采用反應系數法對包括建筑物及其相關的供熱、通風和空調系統設備能耗情況進行模擬分析。EnergyPlus 不但可以對實際的建筑物進行模擬計算，還可以對虛擬建筑物建立模型進行計算。建筑能耗分析軟件由以下4個塊構成：負荷模塊、系統模塊、設備模塊和經濟模塊，這4個模塊相互聯系形成一個建筑系統模型。EnergyPlus 是建筑能耗逐時模擬計算引擎，它采用集成同步的負荷/系統/設備的模擬方法，這3個值可以相互反饋。負荷模塊是模擬建筑外圍護結構及其與室外環境和室負荷之間的相互影響的，在負荷模塊中有多種計算墻體傳熱負荷的方法，如反應系數法和熱傳導傳遞函數法用來計算墻體傳熱；傳遞函數法、熱平衡法和熱網絡法用來將窗、墻得熱及內部負荷轉變為冷、熱負荷；系統模塊用來模擬空調系統的空氣輸送設備、風機、盤管及相關的控制裝置；設備模塊是模擬制冷機、鍋爐、冷卻塔、發電設備、泵等將冷熱源設備；經濟模塊可以計算為滿足建筑負荷所需要的能源的費用。

3建筑模型、模擬周期及設計參數

3.1建筑平面圖和建筑模型

該建筑位于西安市高新區，北軸夾角為0°。建筑面積 299.2 m2，總建筑高度為8.6 m，第一層高3.6 m，第二層高3.3 m，該建筑以居住為主，其建筑模型整體外觀圖如圖1所示。

3.2建筑圍護結構

墻體總面積133.26 m2，窗面積為32.56 m2，窗墻比為24.43%。建筑圍護結構主要由地面、外墻、玻璃幕墻、外窗等組成。圍護結構的主要熱工性能參數見表 1。其中外窗采用雙層鋼化 LOE玻璃，厚度為6 mm，傳熱系數為K=2.4 W/(m2K)玻璃幕墻為雙層鋼化LOE玻璃，中間空氣夾層為 13 mm 傳熱系數K=1.4 W/(m2K)。

表 1　材料導熱系數

3.3模擬周期以及設計參數

本文對該建筑進行全年能耗模擬，夏季供冷期5月15日到9月15日，冬季供暖期為11月15日到3月15日，剩余為過渡期。室外空氣計算參數：按照《實用供熱空調設計手冊》[9]取值。室內環境控制空氣計算參數：夏季，25 ℃，60%；冬季，18 ℃，40%新風量按《公共建筑節能標準》[10]選定為30 m3/(h·人)，燈光功率為10 W/m2，設備功率為11 W/m2。本建筑空調系統形式是獨立新風加風機盤管系統，冷熱源系統冷凍水供回水溫度設定為7/12 ℃，冷卻水供回水溫度設定為37/32 ℃，冬季空調熱水供回水溫度為60/50 ℃?？照{系統的非工作時間為7:30-18:00，節假日全天運行?？照{系統分部圖及主要設備參數見表2。

表 2　主要設備參數

4能耗模擬結果與分析

4.1不同末端全年能耗模擬詳細結果比較

從圖2中可知，B空調系統比A空調系統多消耗能量30.88%，因此采用B空調系統節能優勢非常明顯。

從圖3為逐月能耗，其變化趨勢相對一致，從1月份到3月份以及11月到12月屬于供暖期，隨著外界溫度的逐漸升高，建筑能耗也呈現遞減的趨勢，4月能耗都降到最低，但是系統A降低幅度達到3月份的20%，而系統B降低幅度僅為22%，這是因為輻射空調系統比傳統空調系統節能。在相同的熱舒適性條件下，冬季輻射空調室內平均空氣溫度可比傳統空調的低，同樣從5月到9月開始供冷時，系統A比B能耗上升幅度小，系統A的變化曲線與系統B比較平緩，是因為夏季輻射空調室內平均空氣溫度可比傳統空調的高。由于輻射空調系統室內空氣溫度在夏季可比傳統空調高、冬季低，由此空調水與環境之間的溫差低，有利于對低品位能源的使用，提高了能源利用率，可進一步提高節能性。

4.2不同末端各分項能耗模擬詳細結果比較

從圖4和圖5中可知能耗由5部分組成，分別是供暖、制冷、照明、室內設備和泵的能耗。在采用風機盤管為末端裝置的空調系統的建筑中，泵消耗的能量占到總能耗的一半還多，達到55.5%。從而可以說明其能量主要消耗在冷熱水環路中。而在采用輻射板為末端裝置的空調系統中，占比最大的是供暖消耗，達到48.4%。說明地源熱泵冬季熱負荷比較高，冷熱不均勻問題比較突出。因為使用同樣的照明設施和室內設備，這兩部分消耗的相同能量。

4.3不同末端能耗模擬結果不滿足熱舒適性小時數比較

從圖6可知，采用不同末端方式的空調系統(冷熱源為土壤)，使用風機盤管的末端其不滿足熱舒適性小時數分別為供暖524.33 h和制冷12 h，使用輻射板的末端其不滿足熱舒適性小時數分別為供暖445 h和制冷293.67 h。兩種系統其總不滿足小時數都小于1 728 h數，符合LEED認證標準。

5結語

對這兩種采用不同末端方式的地源熱泵空調系統的能耗模擬計算結果進行了分析和比較，由模擬結果可知采用風機盤管為末端裝置的空調系統比采用輻射板為末端裝置的空調系統多消耗能量30.88%，因此采用輻射板為末端裝置的空調系統節能優勢非常明顯。因此選用輻射板作為該建筑地源熱泵空調系統的末端方式。模擬結果可知室內人員、照明、設備的負荷幾乎占整個夏季設計日逐時冷負荷的一半以上，這說明了室內熱擾在建筑負荷中的重要影響，這主要是因為現代居住

建筑主要負荷由室內熱源產生。因此實地對室內熱源進行調查對于整個能耗模擬是很重要的數據來源。

參考文獻：

[1]黃俊鵬，陳芬，李崢嶸.知識經濟時代的建筑節能[J].暖通空調，2005(6):6～12.

[2]Zhou N，M A McNeil，M Levine.Energy for 500 Million Homes:Drivers and Outlook for Residential Energy Consumption in China[R].US:Lawrence Berkeley National Laboratory，2009.

[3]章淳博.節能住宅的現狀分析及發展思路[J].質量與標準化，2012(4):1～34.

[4]Sathaye J，A Ketoff，L Schipper，et al.An End-Use Approach to Development of Long-Term Energy Demand Scenarios for Developing Countries[R].US:Lawrence Berkeley National Laboratory，1989.

[5]Swan L，V I Ugursal.Modeling of End-use Energy Consumption in the Residential Sector:a Review of Modeling Techniques[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews，2009，13(8):1819～1835.

[6]Kilkis B.Exergy metrication of radiant panel heating and cooling with heatpumps[J].Energy Convers Manage 2012(63):218～24.

[7]Kosir M，Krainer A，Dovjak M，et al.Alternative to the conventionalheating and cooling systems in public buildings[J].Strojnikivestnik-J Mech Eng，2010(56):575～83.

[8]魯迪.上海某節能辦公樓暖通空調節能設計[J].制冷空調與電力機械，2010(3):45～47，35.

[9]陸耀慶.實用供熱空調設計手冊[R].北京：中國建筑工業出版社，2008.

[10]GB50189-2005.中華人民共和國建設部.公共建筑節能設計標準[S].北京：中國標準出版社，2005.

Analysis and Comparison of Energy Consumption of Different Terminals in a Ground Source Heat Pump′s Air Conditioning System in Xi′an

Xue Wenjun

(Xi′anPolytechnicUniversity，Xi′an710048，China)

Abstract:This articlesimulates the energy consumption ofground source heat pump′s air conditioning system ofvilla buildings in Xi′an by using the software of EnergyPlus. Through the comparison ofenergy simulation′s results which employ two different terminals， namely the radiant panel and fan coil， the articleconcludes that using radiant panel is more energy-efficient than using fan coil， which indicates that the saving rate of energy can reach above 30%.

Key words:energyplus; GSHP; fan coil; radiant panel; energy consumption simulation

文章編號：1674-9944(2016)02-0102-03

中圖分類號：TU834.1

文獻標識碼：A

作者簡介：薛文軍(1989—)，男，山西呂梁人，西安工程大學碩士研究生。

收稿日期：2015-11-09