综合办公建筑中水环热泵空调系统的节能性分析

张庆华

（上海中建建筑设计院有限公司，上海 200122）

能源危机是21世纪各国关注的焦点之一，而节约能源则是解决能源危机的关键。我国作为能源消耗大国，有着巨大的节约能源空间，其中综合办公建筑是探索能源节约的重要目标。根据统计数据显示，我国既有综合办公建筑的95 %、新建综合办公建筑的80 %以上都是高耗能建筑。综合办公建筑中不可或缺的暖通系统占据建筑能耗中65 %以上。水环热泵空调系统于20世纪80年代初，在我国的一些建筑物中开始应用，至今已有近40年，作为热泵技术的革新和升级，采用热回收技术，将建筑物内区余热收集并利用，因此对于有内区与外区的大中型建筑物、具有同时供冷及供热需求的场合，具有良好的节能性，目前已经成为应用较为广泛的建筑空调形式。但由于目前缺乏系统性的节能性和适应性研究作为应用指导，水环热泵空调系统在我国各地区的应用中存在诸多问题。因此，研究水环热泵空调系统的节能性具有重要价值和意义。

谢彪等人研究了水环热泵空调系统在办公建筑的应用效果，认为水环热泵空调系统在办公建筑节能方面具有巨大潜力。然而水环热泵技术在我国还不成熟，缺乏足够的研究支撑，尤其是在不同气候地区应用水环热泵空调系统的节能性认识不足，制约了水环热泵技术在我国的推广。为明确水环热泵空调系统在我国不同气候地区的节能性和适应性，该文以乌鲁木齐、北京、哈尔滨、长沙、深圳5个城市的综合办公建筑为模型，采用建筑能耗模拟软件eQUEST进行精确模拟分析。

1 建筑物参数

1.1 气候分区与代表性城市

由于我国幅员辽阔，气候分区较多，为方便分析，根据我国气候分区特点选取代表性城市进行分析研究。我国的气候分区主要分为严寒地区A区、严寒地区C区、寒冷地区、夏热冬冷地区和夏热冬暖地区，其相对应的城市分别是哈尔滨、乌鲁木齐、北京、长沙、深圳。

1.2 建筑形式

除了地理位置之外，建筑形式也是影响水环热泵空调系统节能性的一个重要因素。在同一地区的不同建筑中使用水环热泵空调系统的节能效果是不同的。该文选取的建筑能耗分析模型为综合办公建筑，建筑共16层，为内外分区的综合性办公场所，其内外区的面积比为0.2。该建筑模型的总建筑面积为14 282 m2，其中一层为大厅、会议室、多功能厅等，楼层高为4.4 m，建筑面积766 m2；2～16层为办公区域，设计楼层高为3.3 m，建筑面积13 516 m2。

1.3 空调房间室内环境参数

建筑模型的空调房间室内环境参数设置见表1。

表1 空调房间室内环境参数

1.4 建筑物围护结构热工性能

根据气候分区不同，建筑物围护结构的热工性能参数有所不同。在进行能耗分析时，按照GB50189—2015《公共建筑节能设计标准》中规定的建筑围护结构热工参数，选取不同城市的热工参数，见表2。

表2 不同城市建筑结构热工参数

2 水环热泵空调系统设计

2.1 水环热泵空调系统建立

水环热泵空调系统的工作原理如下：机组制热时，以水循环系统中的水为加热源；机组制冷时，则以水为排热源。当水环热泵空调系统制热运行的吸热量小于制冷运行的放热量时，循环环路中的水温度升高，到一定程度时利用冷却塔释放多余热量；反之循环环路中的水温度降低，到一定程度时通过辅助加热设备供热。当同一空调系统中机组制热运行的吸热量和制冷运行的放热量基本相等时，循环环路中的水才能维持在一定温度范围内，此时系统高效运行。

水环热泵空调系统的能耗主要是热泵机组、空调循环水泵、冷却塔。在eQUEST软件中，对水环热泵空调系统的设计均采用默认值，但是为精确分析研究，该文对建筑模型下的空调系统参数进行自定义，辅助热源锅炉、冷却塔、循环水泵、板式换热器均为1台；对循环水系统设计变流量控制，达到节能减耗效果。

2.2 空调系统冷热能耗设置

水环热泵空调系统的热源主要是辅助加热设备，其能耗计算公式如下：

其中，P为加热源设备装机容量（kW）；Q为建筑所需补充的热量（kW）；C为水环热泵空调系统平均供热（kW），该数据由厂家提供数据为依据，根据使用经验，该文选取C=4.4。此外设置冷却塔进出水和循环水温度分别如下：哈尔滨：冷却塔进出水温度33 ℃/28 ℃，最低循环水温8 ℃，最高循环水温33 ℃；乌鲁木齐：冷却塔进出水温度33 ℃/28 ℃，最低循环水温8 ℃，最高循环水温33 ℃；北京：冷却塔进出水温度35 ℃/30 ℃，最低循环水温10 ℃，最高循环水温35 ℃；长沙：冷却塔进出水温度37 ℃/32 ℃，最低循环水温12 ℃，最高循环水温37 ℃；深圳：冷却塔进出水温度37 ℃/32 ℃，最低循环水温12 ℃，最高循环水温37℃。

3 能耗模拟结果

采用eQUEST建筑能耗分析软件对建立5个代表性城市的建筑模型进行精确分析研究，得到5个代表性城市采用水环热泵空调系统与常规空调系统的能耗和耗气量对比数据，见表3。

结合以上模拟分析的结果，水环热泵空调系统具有一定节能性，但需要满足这个条件：地区适用性。北京地区是较为适宜水环热泵空调系统应用的地区，哈尔滨地区在一些适合建筑模型中可以有一定的节能效果，而深圳地区不适宜设置水环热泵空调系统，因为该文所选用的几个模型地区分别代表了我国的4个典型的气候分区，这样就可以判定在我国寒冷地区为最适宜水环热泵空调系统应用的地区，夏热冬暖地区不适宜应用水环热泵空调系统。

4 结论

该文通过使用建筑能耗分析软件eQUEST模拟分析5个代表性城市的综合办公建筑能耗，结果表明采用水环热泵空调系统的节能效果明显优于常规空调系统。软件模拟数据显示，严寒地区的哈尔滨、乌鲁木齐的主要能耗在于室内加热，其耗气量较大；寒冷地区的北京，主要能耗在于室内制冷，耗气量居中；夏热冬冷地区的长沙，主要能耗在于制冷，耗气量约为北京地区的50 %；夏热冬暖地区的深圳主要能耗在于制冷，耗气量较低。通过与常规空调系统的能耗对比发现，使用水环热泵空调系统的能耗节省在10 %以上，节能效果显著。

表3 能耗模拟分析结果

水环热泵系统的节能优越性体现在：建筑同时有供冷、供热负荷时，系统能够在环路内实现热平衡，减少冷却塔和辅助加热设备的能耗。为进一步改善水环热泵空调系统的节能效果，建议在3个方面优化改进。1）选择高效的空调机组。水环热泵空调系统主要耗能部分是空调机组，因此通过选择高效的空调机组，可有利于提高水环热泵空调系统的节能效果。2）选择合适的循环水系统冷热源。水环热泵空调系统的循环水系统是另一耗能环节，根据办公建筑特色，合理选择冷热源，如地下水、废热、闭式冷却塔、开式冷却塔等，提高水环热泵空调系统热回收能力。3）合理设置循环水温度范围。根据日常使用需要设定合理的循环水温度，有利于降低水环热泵空调系统的能耗。根据工程实践，通常将循环水温度设置在15 ℃～35 ℃最佳，既能保证水环热泵空调系统使用，又能维持最优能耗。

综上所述，水环热泵空调系统在我国各气候分区的适用性均较好，其节能效果明显优于常规空调系统。为改善综合办公建筑的节能效果，水环热泵空调系统值得广泛推广和应用。