某地源热泵空调系统采用不同末端的能耗分析与对比

薛文军

(西安工程大学，陕西 西安 710048)



某地源热泵空调系统采用不同末端的能耗分析与对比

薛文军

(西安工程大学，陕西 西安 710048)

摘要：使用能耗分析软件 EnergyPlus 对西安别墅建筑进行了地源热泵空调系统能耗模拟，比较了采用辐射板和风机盘管的两种末段方式的模拟结果，研究表明：采用辐射板比采用风机盘管的末段方式节能，节能幅度达到30%以上。

关键词：energyplus软件；地源热泵；风机盘管；辐射板；能耗模拟

1引言

目前我国正处在建筑业高速蓬勃发展时期，建筑能耗已经占到我国总商品能耗的20%～30%左右[1]，与本世纪初相比能耗已经增加了近一倍[2]。其中住宅能耗占全国总能耗的 20%左右[3]。而城市化进程是居住能耗持续增长的重要驱动因素[3]，相关研究已证实了高居住能耗与城市化水平之间的正相关关系[4]。而建筑空调系统采用的末端种类对建筑能耗的作用也不尽相同，因此有必要对其研究。末端方式主要有辐射板和风机盘管，使用辐射板比风机盘管节能，但铺设辐射板成本较高，但两者所消耗的传统冷热源花费却并不少。因此地源热泵不失为一个好的选择。一些学者进行了辐射板系统在建筑物内不同冷热源的性能研究。Kilkis[6]对地源热泵(GSHP)使用辐射板末端进行了优化，提高了火用效率和一次能源比；Kosir等[7]斯洛文尼亚的某博物馆采用低温辐射系统与自动化局部通风相结合，对能源的需求下降了60.5%；而对地源热泵采用风机盘管的研究主要集中在工程设计、实际应用方面及选择不同类型的风机盘管等方面。刘华清[8]为某节能办公楼设计了采用带全热交换器新风机组加无级调速无刷直流风机盘管系统及地板送风变风量空调系统；对比分析了采用这些系统对节能减排的意义。对于住宅能耗的研究，由于用户用能行为复杂，且资料获取困难，因而其研究的难度也较大[5]。为了研究家庭的用能特点，可用的方法有实测和模拟两种。实测得到的数据充分详细，分析结果可靠并有说服力，但实测过程中会有很多的困难，且无法包含所有的工况；而模拟方法能覆盖所有工况，受意外情况影响小，能够得到可信的模拟结果。

2EnergyPlus 软件简介

EnergyPlus 是建筑全能耗分析软件，由美国能源部资助开发，基于动态负理论，采用反应系数法对包括建筑物及其相关的供热、通风和空调系统设备能耗情况进行模拟分析。EnergyPlus 不但可以对实际的建筑物进行模拟计算，还可以对虚拟建筑物建立模型进行计算。建筑能耗分析软件由以下4个块构成：负荷模块、系统模块、设备模块和经济模块，这4个模块相互联系形成一个建筑系统模型。EnergyPlus 是建筑能耗逐时模拟计算引擎，它采用集成同步的负荷/系统/设备的模拟方法，这3个值可以相互反馈。负荷模块是模拟建筑外围护结构及其与室外环境和室负荷之间的相互影响的，在负荷模块中有多种计算墙体传热负荷的方法，如反应系数法和热传导传递函数法用来计算墙体传热；传递函数法、热平衡法和热网络法用来将窗、墙得热及内部负荷转变为冷、热负荷；系统模块用来模拟空调系统的空气输送设备、风机、盘管及相关的控制装置；设备模块是模拟制冷机、锅炉、冷却塔、发电设备、泵等将冷热源设备；经济模块可以计算为满足建筑负荷所需要的能源的费用。

3建筑模型、模拟周期及设计参数

3.1建筑平面图和建筑模型

该建筑位于西安市高新区，北轴夹角为0°。建筑面积 299.2 m2，总建筑高度为8.6 m，第一层高3.6 m，第二层高3.3 m，该建筑以居住为主，其建筑模型整体外观图如图1所示。

3.2建筑围护结构

墙体总面积133.26 m2，窗面积为32.56 m2，窗墙比为24.43%。建筑围护结构主要由地面、外墙、玻璃幕墙、外窗等组成。围护结构的主要热工性能参数见表 1。其中外窗采用双层钢化 LOE玻璃，厚度为6 mm，传热系数为K=2.4 W/(m2K)玻璃幕墙为双层钢化LOE玻璃，中间空气夹层为 13 mm 传热系数K=1.4 W/(m2K)。

表 1　材料导热系数

3.3模拟周期以及设计参数

本文对该建筑进行全年能耗模拟，夏季供冷期5月15日到9月15日，冬季供暖期为11月15日到3月15日，剩余为过渡期。室外空气计算参数：按照《实用供热空调设计手册》[9]取值。室内环境控制空气计算参数：夏季，25 ℃，60%；冬季，18 ℃，40%新风量按《公共建筑节能标准》[10]选定为30 m3/(h·人)，灯光功率为10 W/m2，设备功率为11 W/m2。本建筑空调系统形式是独立新风加风机盘管系统，冷热源系统冷冻水供回水温度设定为7/12 ℃，冷却水供回水温度设定为37/32 ℃，冬季空调热水供回水温度为60/50 ℃。空调系统的非工作时间为7:30-18:00，节假日全天运行。空调系统分部图及主要设备参数见表2。

表 2　主要设备参数

4能耗模拟结果与分析

4.1不同末端全年能耗模拟详细结果比较

从图2中可知，B空调系统比A空调系统多消耗能量30.88%，因此采用B空调系统节能优势非常明显。

从图3为逐月能耗，其变化趋势相对一致，从1月份到3月份以及11月到12月属于供暖期，随着外界温度的逐渐升高，建筑能耗也呈现递减的趋势，4月能耗都降到最低，但是系统A降低幅度达到3月份的20%，而系统B降低幅度仅为22%，这是因为辐射空调系统比传统空调系统节能。在相同的热舒适性条件下，冬季辐射空调室内平均空气温度可比传统空调的低，同样从5月到9月开始供冷时，系统A比B能耗上升幅度小，系统A的变化曲线与系统B比较平缓，是因为夏季辐射空调室内平均空气温度可比传统空调的高。由于辐射空调系统室内空气温度在夏季可比传统空调高、冬季低，由此空调水与环境之间的温差低，有利于对低品位能源的使用，提高了能源利用率，可进一步提高节能性。

4.2不同末端各分项能耗模拟详细结果比较

从图4和图5中可知能耗由5部分组成，分别是供暖、制冷、照明、室内设备和泵的能耗。在采用风机盘管为末端装置的空调系统的建筑中，泵消耗的能量占到总能耗的一半还多，达到55.5%。从而可以说明其能量主要消耗在冷热水环路中。而在采用辐射板为末端装置的空调系统中，占比最大的是供暖消耗，达到48.4%。说明地源热泵冬季热负荷比较高，冷热不均匀问题比较突出。因为使用同样的照明设施和室内设备，这两部分消耗的相同能量。

4.3不同末端能耗模拟结果不满足热舒适性小时数比较

从图6可知，采用不同末端方式的空调系统(冷热源为土壤)，使用风机盘管的末端其不满足热舒适性小时数分别为供暖524.33 h和制冷12 h，使用辐射板的末端其不满足热舒适性小时数分别为供暖445 h和制冷293.67 h。两种系统其总不满足小时数都小于1 728 h数，符合LEED认证标准。

5结语

对这两种采用不同末端方式的地源热泵空调系统的能耗模拟计算结果进行了分析和比较，由模拟结果可知采用风机盘管为末端装置的空调系统比采用辐射板为末端装置的空调系统多消耗能量30.88%，因此采用辐射板为末端装置的空调系统节能优势非常明显。因此选用辐射板作为该建筑地源热泵空调系统的末端方式。模拟结果可知室内人员、照明、设备的负荷几乎占整个夏季设计日逐时冷负荷的一半以上，这说明了室内热扰在建筑负荷中的重要影响，这主要是因为现代居住

建筑主要负荷由室内热源产生。因此实地对室内热源进行调查对于整个能耗模拟是很重要的数据来源。

参考文献：

[1]黄俊鹏，陈芬，李峥嵘.知识经济时代的建筑节能[J].暖通空调，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.节能住宅的现状分析及发展思路[J].质量与标准化，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]鲁迪.上海某节能办公楼暖通空调节能设计[J].制冷空调与电力机械，2010(3):45～47，35.

[9]陆耀庆.实用供热空调设计手册[R].北京：中国建筑工业出版社，2008.

[10]GB50189-2005.中华人民共和国建设部.公共建筑节能设计标准[S].北京：中国标准出版社，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

文章编号：1674-9944(2016)02-0102-03

中图分类号：TU834.1

文献标识码：A

作者简介：薛文军(1989—)，男，山西吕梁人，西安工程大学硕士研究生。

收稿日期：2015-11-09