近零能耗建筑地源热泵检测方法研究

杜晓辉　原瑞增　贾云飞　李 展

摘 要：以寒冷地区某居住建筑为例，本研究通过DEST软件建立近零能耗建筑与常规节能建筑模型，对比分析其建筑冷热需求差异及其对空调系统的影响，并结合现有地源热泵系统检测方法，探讨了適用于近零能耗建筑的地源热泵性能检测方法。

关键词：近零能耗建筑;地源热泵系统;性能检测

中图分类号：TU831 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2019）35-0144-04

Discussion on Research Method of Ground Source Heat Pump

Detection Method for Near-zero-energy Consumption Buildings

DU Xiaohui1 YUAN Ruizeng2 JIA Yunfei2 LI Zhan2

（1. Henan Penghui Industrial Co.， Ltd.，Zhengzhou Henan 452485;2. Henan Provincial Academy of Building Research，Zhengzhou Henan 450053）

Abstract： Taking a residential building in a cold area as an example， this study used DEST software to build a model of near-zero-energy buildings and conventional energy-saving buildings， compared the differences in building cooling and heating requirements and their impact on air conditioning systems，and discussed the performance detection methods of ground source heat pumps that are suitable for buildings with nearly zero energy consumption by combining with the existing detection methods of ground source heat pump systems.

Keywords： near-zero-energy buildings;ground source heat pump system;energy efficiency test

随着建筑节能相关标准体系的逐渐完善，我国目前己实现建筑节能“三步走”的目标，现阶段，新建建筑全面实现相对节能率65%，部分城市开始试点实行节能率75%。2007年开始，我国与德国在建筑节能领域开展合作，开展被动式超低能耗建筑技术研究并相继建成大量超低能耗绿色建筑示范工程。

随着《近零能耗建筑技术标准》（GB/T 51350—2019）的发布，我国已经基本建立自有的近零能耗建筑标准体系，既和1986—2016年贯彻的30%、50%、65%“三步走”建筑节能发展路线相衔接，又和我国2025年、2035年、2050年中长期建筑能效提升目标有效关联。其中，充分利用可再生能源，以最少的能源消耗提供舒适的室内环境，是近零能耗建筑的一大特点。

目前，我国可再生能源主要集中在太阳能及地源热泵技术的应用。而考虑节能性和经济性等因素，地源热泵的使用受到地质条件、埋管面积、建筑负荷等因素的制约[1-3]。随着建筑节能标准的提升，建筑能耗持续降低，地源热泵系统在更高节能标准建筑中的应用发生改变。调研发现，现阶段针对地源热泵系统在近零能耗建筑中的研究主要集中在不同形式复合系统的可行性及运行策略研究方面[4-6]，对系统的应用效果以及评价方法研究较少。分析近零能耗建筑和常规节能建筑设计差异对地源热泵系统运行状况的影响，研究近零能耗建筑中地源热泵系统全年性能检测方法及评价体系对于地源热泵在近零能耗建筑中的推广具有重要意义。

1 近零能耗建筑冷热需求特性研究

和常规的节能建筑相比，近零能耗建筑有着高性能的外围护结构、高性能门窗、无热桥及良好的气密性等节能技术措施[7]，这就使得近零能耗建筑的冷热负荷需求和常规节能建筑存在差异。需求的不同会影响建筑能耗构成甚至设备运行效率，如果相同规模的制冷机组在不同负荷率下的用户需求不同，冷机的运行效率不同，不同的负荷特性下空调系统的运行策略也会不同。

1.1 建筑冷热需求计算

DEST是清华大学开发的一款建筑环境及HVAC系统模拟软件，软件分为DEST-C和DEST-H两个模块。其中，DEST-H主要用于住宅建筑能耗特性的影响因素分析、住宅建筑的全年动态负荷计算、住宅室温计算、末端设备系统经济性分析等领域。

1.1.1 模型建立。为了简化研究过程，本文选取的研究对象为典型多层居住建筑，地上五层、地下两层。总建筑面积为2536m2，体形系数为0.44。执行节能标准为《河南省居住建筑节能设计标准（寒冷地区65%+）》（DBJ 41/062—2017），利用DEST-C软件分别建立满足《河南省居住建筑节能设计标准（寒冷地区65%+）》（DBJ 41/062—2017）以及《近零能耗建筑技术标准》（GB/T 51350—2019）的建筑模型（见图1）进行分析，模型设置的参数如表1、表2所示。

表1 建筑概况

表2 常规节能建筑与近零能耗建筑的热工参数对比

本研究建立的DEST-H模型如图1所示。

1.1.2 参数设置。有关参数包括气象数据参数、模型维护结构材质和房间功能。

1.1.2.1 气象数据参数设置。DEST-C模拟所依据的传热原理依赖于建筑室外环境参数情况，选择模型所在地理区域城市，即将模拟所处区域的气象数据加载至模拟环境中，为模拟分析提供可靠的基础。按照DEST的操作方式，在本文中，所有方案的模拟均选择河南省鄭州市作为模拟环境，郑州市在我国采暖气候分区中属于寒冷地区。

图1 DEST-H建筑模型

1.1.2.2 模型维护结构材质设定。模型建立好之后，需要对模型进行常规节能建筑负荷模拟并对近零能耗建筑进行负荷模拟分析，因此需要分别设置模型热工性能参数，如表3、表4所示。

表3 常规节能建筑模型热工性能参数

表4 近零能耗建筑模型热工性能参数

1.1.2.3 房间功能设定。住宅建筑不同房间的使用功能不同，会对室内热环境产生不同的影响。例如，一个客厅空间和一个卧室空间的不同，在于其人员活动的数量和时间段、照明设备的选择以及室内电器设备的陈设等，这些影响因素有着不同的热工特性，DEST-H会对室内热环境产生不同影响，构成室内热环境的内扰因素。对不同的功能空间，人们定义了室内不同的内扰形式，其中包括人员的数量、活动时间和人员的发热量;照明设备的开启方式以及功率、产热量;家具设备的相关系数以及空调系统的运行方式等。

1.2 模拟结果分析

1.2.1 常规节能建筑模拟结果。通过模拟计算，人们可以得到节能率为65%+的节能建筑和近零能耗建筑的全年空调负荷计算结果，其单位建筑面积的负荷指标如表5所示。

表5 单位面积负荷指标

1.2.2 模拟结果对比分析。下面主要分析负荷强度特性和负荷分布特性。

1.2.2.1 负荷强度特性。对比节能率65%+的节能建筑和近零能耗建筑的负荷特性可知，近零能耗建筑相比于节能率为65%+的建筑冷热负荷大幅度降低，冷负荷峰值降低比例大于热负荷峰值，近零能耗建筑的冷热负荷峰值比小于节能率为65%+的节能建筑。

寒冷地区不同节能率居住建筑峰值负荷对比分析如表6所示。

表6 不同节能率建筑负荷峰值分析

从表7可以看到，冷热负荷分布不均匀，节能65%+的居住建筑累计冷热负荷比为0.52，近零能耗建筑的累计负荷比增至0.81。

表7 不同节能率建筑累计冷热负荷分析

1.2.2.2 负荷分布特性。建筑冷热负荷分布如表8、图2所示。

从图2可以看出，节能65%+建筑和近零能耗建筑在冷热负荷分布上存在相同的变化趋势。在供暖季节，负荷分布较为平均，机组大部分时间处于部分负荷运行，负荷率在25%～50%、50%～75%的比例接近均等，约为30%;在供暖季节，负荷率大于50%的时间只占6%～7%，说明90%以上的时间机组负荷率低于50%，这意味着在机组配置时要充分考虑部分负荷的运行情况，通过选择多台主机交替运行的方式来满足用户负荷需求，或根据建筑的实际情况和机组运行特性，制定合理的运行策略，提高系统运行效率。

表8 建筑冷热负荷分布

图2 不同节能率建筑冷热负荷分布

2 现有地源热泵性能检测方法

根据《可再生能源建筑应用示范项目测评导则》、《可再生能源建筑应用工程评价标准》（GB/T 50801—2013）内容，地源热泵系统示范项目的测试内容主要包括三个方面：形式检查、系统性能检测和系统能效评估。

形式检查包含项目系统检查、项目实施量检查、项目运行情况检查三个部分。其中，系统检查主要是对地源热泵系统的外观质量、系统关键部位、系统安全性、环保措施等方面的检查;实施量检查主要检查地源热泵系统实际实施量情况与可再生能源建筑应用申报书和项目最初的设计文件是否一致;运行情况检查主要是查看地源热泵系统的运行调试记录是否齐全，运行时各项指标是否符合相关规范要求。

系统性能检测主要围绕室内舒适度、机组性能和系统性能三个方面进行，通过现场搭建测试平台采集系统运行数据，了解系统的实际运行情况，并通过数据的处理分析得出热泵机组制热/制冷性能系数和系统COP。

系统能效评估则是根据检测数据，计算得到示范项目的系统能效比、常规能源替代量、二氧化碳等温室及污染气体的减排量，进而评估其节能、环境和经济效益。

综上，现有的地源热泵性能评价方法多是从系统能效出发，即对系统运行的单个状态点进行测试评价。近零能耗建筑是性能参数与能耗指标的双重考核，不仅仅要从单个运行工况点来对地源热泵的运行状态进行评估，更应从建筑全生命周期去考虑。因此，如何通过测试若干运行工况点来计算出系统全年甚至全生命周期运行能效的方法尤为重要。

图3 地源热泵系统全年性能检测方法原理

3 地源热泵全年性能检测方法研究

3.1 研究思路

通过理论计算建筑全年冷热负荷分布特性，得到地源热泵系统在供冷（暖）季不同负荷率区间下的运行时间分布比例，然后通过实际测试不同负荷率区间下系统的平均能效比并加权平均得到系统全年制冷（热）性能系数，进而综合评价地源热泵系统全年运行状况。

3.2 新方法提出

为了解决现有技术中存在的问题，本文提出一种地源热泵系统全年性能检测方法，通过有限次的测试得到地源热泵系统全年运行性能参数，进而科学地评价地源热泵系统运行效果，具体方法如下。

①计算应用地源热泵系统的建筑物冷热负荷分布特性，建筑物冷热负荷分布特性包括建筑物冷热负荷的极值和地源热泵系统在不同负荷率区间下的全年运行时间分布比例。

②根据当前检测时刻的室外温度，计算当前检测时刻的建筑物实时逐时负荷。

③根据建筑物冷热负荷的极值和建筑物实时逐时负荷，计算当前检测时刻的地源热泵系统运行负荷率并更新对应负荷率区间下的运行累计时长。

④根据测量的地源热泵系统进出口水温、流量和设备耗电量，计算不同负荷率区间下的地源热泵系统运行能效比。

⑤判断不同负荷率区间下的运行累计时长是否大于预设时长，若大于则执行步骤⑥;反之，则执行步骤②至步骤④。

⑥输出不同负荷率区间下的地源热泵系统的平均能效比，并根据不同负荷率区间下的全年运行时间分布比例和不同负荷率区间下的地源热泵系统的平均能效比，计算地源热泵系统的全年综合能效比。

新型的地源热泵系统全年性能检测方法原理如图3所示。

4 结论

本文通过DEST-H软件建模对比常规节能建筑和近零能耗建筑负荷差异，得到近零能耗建筑冷热负荷强度特点和全年分布特性;通过调研现有地源热泵系统检测方法，分析现有检测方法对于近零能耗建筑中地源热泵系统的适应性和局限性;最后提出一种新型地源热泵系统在近零能耗建筑中的性能检测方法，以期通过有限次的检测来科学评价地源热泵系统全年运行能效，为近零能耗建筑中地源热泵系统的应用效果评价奠定理论基础。

参考文献：

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