嚴(yán)寒地區(qū)某超低能耗建筑暖通空調(diào)節(jié)能系統(tǒng)分析
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李慧星，張然，馮國會，黃凱良，曹熾洪，劉馨
（1．沈陽建筑大學(xué)，沈陽110168;2．中國建筑科學(xué)研究院，北京100013）
[摘要]嚴(yán)寒地區(qū)超低能耗建筑暖通空調(diào)節(jié)能系統(tǒng)設(shè)計以沈陽建筑大學(xué)中德節(jié)能示范中心為例，它集成多項(xiàng)嚴(yán)寒地區(qū)建筑節(jié)能技術(shù)與可再生能源綜合利用技術(shù)，同時具有工程案例示范和科技研發(fā)功能。圍繞建筑光伏光熱利用、地源／空氣源熱泵、高效儲能設(shè)備、系統(tǒng)控制、經(jīng)濟(jì)性評價等方面進(jìn)行了研究。系統(tǒng)每年節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用2. 67萬元，投資回收期為5.62 a，性能明顯優(yōu)于常規(guī)地?zé)岜孟到y(tǒng)。
[關(guān)鍵詞]超低能耗；相變儲能；雙源熱泵；性能系數(shù)
O 引言
地源熱泵和空氣源熱泵都是目前較為常見的空調(diào)系統(tǒng)冷熱源形式，但是受到建筑物所在地的氣候環(huán)境和場地影響，地源熱泵和空氣源熱泵都存在一些局限性，在廣大嚴(yán)寒地區(qū)，冬季室外全天溫度均低于- 15℃，然而目前鮮有能夠在的- 15℃以下仍能夠高效工作的空氣源熱泵機(jī)組。本課題研究的嚴(yán)寒地區(qū)超低能耗建筑暖通空調(diào)節(jié)能系統(tǒng)，其采用地埋管換熱的地源熱泵系統(tǒng)需要根據(jù)建筑的冬夏的累計空調(diào)負(fù)荷，設(shè)計輔助熱源維持土壤的熱平衡，保障系統(tǒng)能夠長期穩(wěn)定運(yùn)行。本示范中心的空調(diào)冷熱源系統(tǒng)將空氣源和地源兩種熱源有機(jī)結(jié)合，并輔助相變蓄熱技術(shù)，優(yōu)化能源應(yīng)用比例，降低建筑運(yùn)行費(fèi)用。
1 建筑概況
該超低能耗建筑位于遼寧省沈陽市，是一座集辦公展示于一體的公共建筑，2015年5月正式竣工運(yùn)行（見圖1）。內(nèi)設(shè)展廳、會議室、客房及其它功能用房�？偨ㄖ娣e1 600. 71 m2，建筑地上二層，地下一層，其中：地下一層面積為563. 24 m2，包括設(shè)備用房、報告廳、和輔助用房；一層面積為563. 24m2：包括會議室、展廳、客房、接待室等；二層面積為447. 41 m2：包括開敞式辦公室、智能控制設(shè)備用房、建筑能耗監(jiān)測用房等。
該建筑堅持綠色設(shè)計，綠色施工為原則，建筑外形采用簡單的方塊造型，盡量減小建筑體形系數(shù)，避免建筑過多熱損失，并加入光伏幕墻技術(shù)、地道風(fēng)、建筑熱回收等多項(xiàng)節(jié)能技術(shù)措施。充分利用太陽能、地?zé)崮艿瓤稍偕茉�，大大地降低化石能源消耗。建筑采用了高效外圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫技術(shù)措施，使其傳熱系數(shù)達(dá)到0.1 W/( m2．K)；在建筑西南外墻設(shè)有憎水巖棉和光伏幕墻設(shè)施，能夠在光伏板發(fā)電的同時回收其光照余熱，實(shí)現(xiàn)太陽能光熱一光電雙效利用，結(jié)合相變蓄能技術(shù)更加合理利用能源。
2室內(nèi)外設(shè)計參數(shù)
2.1 室外設(shè)計參數(shù)
沈陽屬于嚴(yán)寒地區(qū)B區(qū)，夏季空調(diào)：室外干球溫度t。= 31.4℃，室外濕球溫度空t。。=25.4aC，室外平均風(fēng)速w。=2.9 m/s，冬季室外供暖計算溫度為- 16.8℃，相對濕度沙。=64%，室外平均風(fēng)速v。=3.1 m/s。
2.2室內(nèi)設(shè)計參數(shù)
根據(jù)建筑內(nèi)部各個房間的不同功能，設(shè)定了相應(yīng)的溫濕度指標(biāo)，詳見表1。
3負(fù)荷計算及系統(tǒng)設(shè)計
3.1 負(fù)荷計算
對建筑負(fù)荷進(jìn)行計算，空調(diào)設(shè)計冷負(fù)荷為31kW，冷指標(biāo)為19. 38 W/m2，供暖設(shè)計熱負(fù)荷為14.4kW，熱指標(biāo)為8.99 kW。利用能耗分析軟件對建筑全年的能耗進(jìn)行了分析。得出夏季總耗冷量為37 063.5 kW*h，冬季供暖總耗熱量為24 852.3 kW-h。
3.2冷熱源系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計
根據(jù)能耗分析結(jié)果，匹配其負(fù)荷特性，系統(tǒng)主機(jī)選用兩臺空氣源一地源雙源熱泵，該機(jī)型產(chǎn)品為空調(diào)廠家為中德節(jié)能中心專門定制的產(chǎn)品。機(jī)組型號一大一小，靈活控制，便于調(diào)節(jié)，并能實(shí)現(xiàn)備用。在空調(diào)季節(jié)初期和末期，采用小機(jī)組為建筑供冷，適時切換大機(jī)組，使機(jī)組盡可能滿負(fù)荷運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行節(jié)能，具體詳見表2。
3.3 相變蓄熱裝置設(shè)計
相變蓄熱裝置是利用相變蓄能材料在相變過程中吸收和放出的潛熱而溫度不變的特性實(shí)現(xiàn)蓄熱和放熱功能的。本系統(tǒng)設(shè)有相變蓄熱水箱設(shè)計容積為6 m 3，水箱規(guī)格為2 m xl.5 mx2 m以46≠}石蠟為相變材料，石蠟的相變焓為218 kj/kg，相變溫度為46℃。水箱中有石蠟采用DN 70 304不銹鋼管封裝，石蠟總質(zhì)量為792 kg，占整個水箱體積的15%，水箱的有效蓄熱量為493 650 kJ(137.12 kW．h)，水箱蓄熱能力略大于夜間所需供熱量，白天陽光充足時，吸收光伏幕墻空腔內(nèi)空氣熱量，一邊為建筑供暖，一邊將熱量蓄存在水箱中，使相變材料融化；建筑夜間依靠相變水箱供熱，熱泵機(jī)組關(guān)機(jī)，達(dá)到節(jié)能目的。相變蓄熱裝蓄熱充足后可滿足建筑冬季夜間9.5 h的供熱需求。
3.4 PV/T系統(tǒng)設(shè)計
傳統(tǒng)硅光太陽能電池板只能將熱能轉(zhuǎn)化為電能，光一電的轉(zhuǎn)化效率僅為10 010左右，有將近90%的能量沒有得到有效的利用，隨著太陽的照射，會在光伏板上產(chǎn)生巨大的熱堆積，使光電轉(zhuǎn)化工況惡化，每升高1℃效率將下降0. 5%而低于10%。PV/T技術(shù)即PV/Tremble技術(shù)，是在Trembe墻的玻璃蓋板的背面貼上光伏電池就構(gòu)成了新型的帶有光伏電池的Trombe墻，即“PV -Trombe墻”。它解決了傳統(tǒng)Trombe墻功能單一的缺陷，在發(fā)電的同時，冬季可以向室內(nèi)供暖，夏季可以降低室內(nèi)冷負(fù)荷，還降低了光伏電池表面的溫度。
與PV/T裝置結(jié)合的雙源熱泵可以吸收太陽能裝置的熱量為建筑供暖，令空氣源熱泵在嚴(yán)寒地區(qū)冬季也能夠正常啟動（見圖2）。同時以雙源熱泵的空氣源作為建筑的輔助熱源能夠有效的改善。常規(guī)的空氣源熱泵直接與大氣相同，在我國廣大嚴(yán)寒地區(qū)的冬季由于室外溫度過低通常無法使用。
在這個建筑中，將經(jīng)過PV/T墻加熱的空氣引至地下室雙源熱泵的蒸發(fā)器中，作為冬季供暖的主要熱源。晴朗的白天，太陽光照充足，這時讓空氣源滿負(fù)荷運(yùn)行，吸取熱量，將全天供暖所需的熱負(fù)荷全部制取出來，儲存在蓄熱水箱中，待到夜晚沒有太陽時，再將熱量釋放出來，以滿足建筑的供暖需求。假使太陽能不能滿足建筑的供暖負(fù)荷時，系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為土壤源熱泵工況。這種空氣源+土壤源的雙源熱泵工況能夠充分的保證供暖需求的后備性。
3.5末端系統(tǒng)設(shè)計
整個建筑采用雙管同程式空調(diào)水系統(tǒng)空氣源一地源雙源熱泵系統(tǒng)，冷熱水采用一次變頻循環(huán)泵，根據(jù)空調(diào)負(fù)荷的變換實(shí)現(xiàn)運(yùn)行節(jié)能。冬季采用地面輻射供暖系統(tǒng)為建筑供暖，夏季采用風(fēng)機(jī)盤管裝置為建筑供冷，保證建筑有舒適的室內(nèi)環(huán)境。其中風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)采用三速開關(guān)自動控制；地?zé)岜P管的分集水器位置設(shè)置有電動兩通閥，通過供回水溫差對閥門開度進(jìn)行調(diào)節(jié)，保證室內(nèi)溫度舒適，防止能源浪費(fèi)。
3.6通風(fēng)系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計
整個建筑設(shè)置有集中的新風(fēng)系統(tǒng)和排風(fēng)熱回收系統(tǒng)。建筑沒有設(shè)置單獨(dú)的新風(fēng)機(jī)組，而是通過地下設(shè)置的通道對新風(fēng)進(jìn)行預(yù)處理，一般在夏季地道表面溫度可以達(dá)到15℃，可以實(shí)現(xiàn)新風(fēng)的降溫除濕，實(shí)現(xiàn)夏季免費(fèi)冷氣；在冬季，室外接近-20 0C的空氣同樣經(jīng)過15℃地道預(yù)熱，冬季再通過排風(fēng)全熱回收裝置，綜合回收效率達(dá)到75%。
4 運(yùn)行策略
根據(jù)建筑本身特性和空調(diào)系統(tǒng)特點(diǎn)，完成了一整套符合其運(yùn)行特點(diǎn)的控制策略�？刂葡到y(tǒng)通過對光伏幕墻空腔溫度、地道風(fēng)溫度、水箱溫度和回水溫度決定機(jī)組工況和整個空調(diào)系統(tǒng)水泵、風(fēng)機(jī)的啟停、以及相關(guān)的閥門的開閉。
系統(tǒng)冬季供熱時，共有3種工況：工況1，機(jī)組供熱+水箱蓄熱；工況2，水箱直接供熱模式；工況3，機(jī)組直接供熱3種模式。每1種工況都需要控制12個閥門以及根據(jù)光伏幕墻空腔溫度、水箱溫度和回水溫度進(jìn)行運(yùn)行模式的切換以實(shí)現(xiàn)不同的供暖模式。
系統(tǒng)夏季制冷時，控制12個閥門以及根據(jù)地道風(fēng)溫度和回水溫度以實(shí)現(xiàn)制冷機(jī)組的開、停和機(jī)組的切換。
5經(jīng)濟(jì)性分析
5.1系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用統(tǒng)計
根據(jù)沈陽當(dāng)?shù)貧庀髼l件相關(guān)資料，確定了機(jī)組的啟停工況和運(yùn)行時間。沈陽地區(qū)冬季供暖季從第一年11月1日開始至第二年3月31日止，共計152 d，其中12月20日至2月3日，共計45 d采用嚴(yán)寒模式運(yùn)行，供暖期開始后15 d和結(jié)束前15 d采用溫暖策略，其他時間采用常規(guī)策略。夏季供冷的總時間為92 d，高峰策略20 d，平時策略72 d，按工作時間統(tǒng)計其運(yùn)行耗電量。并且統(tǒng)計了各個設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時的用電量。
建筑熱源機(jī)房耗年電量為：75 234. 45 kW - h/a，點(diǎn)位面積空調(diào)年耗電量為47.02 kW．h/m2。相變水箱全年累計供熱582 h，相當(dāng)于代替機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)節(jié)省耗電量3899.4 kW-h。冬季可節(jié)省用電費(fèi)用約1 950元。
經(jīng)過相關(guān)計算地道風(fēng)全年減少新風(fēng)冷負(fù)荷5883.49 kW-h，減小機(jī)組裝機(jī)容量15 kW，整個制冷季節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用2 000元，冬季新風(fēng)經(jīng)過地道風(fēng)后進(jìn)入熱回收機(jī)組，機(jī)組回余熱回收效率可以達(dá)到75%，減少新風(fēng)機(jī)組裝機(jī)容量30 kW，供暖季節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用3 500元。PV/T裝置全年發(fā)電量為38 649 kW -h，折合電費(fèi)1.93萬元。合全年各項(xiàng)運(yùn)行費(fèi)用，本套系統(tǒng)每年較常規(guī)地源熱泵系統(tǒng)節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用約2. 67萬元。
5.2初投資分析
系統(tǒng)采用了雙源熱泵機(jī)組，一機(jī)雙用，而設(shè)備單價僅比同功率地源熱泵機(jī)組價格高15 %。通過地道風(fēng)技術(shù)，相變蓄熱技術(shù)，余熱回收技術(shù)等減少了機(jī)組的裝機(jī)容量和地埋管數(shù)量，詳細(xì)對比見下表。
本系統(tǒng)投資為53萬元，常規(guī)地源熱泵系統(tǒng)初投資為38萬元，增加初投資15萬元，靜態(tài)投資回收期為5. 62 a，系統(tǒng)按25 a壽命計算，可節(jié)省總投資51. 75萬元。
6結(jié)論
中德節(jié)能示范中心暖通空調(diào)節(jié)能系統(tǒng)將相變儲能技術(shù)與太陽能集熱技術(shù)結(jié)合，提高了太陽能供暖穩(wěn)定性。與常規(guī)地源熱泵系統(tǒng)相比，系統(tǒng)減少了裝機(jī)功率，增加了地道風(fēng)裝置，PV/T裝置，相變蓄熱裝置和余熱回收裝置，總投資增加l5萬元，但運(yùn)行費(fèi)用減少了2. 67萬元，靜態(tài)系統(tǒng)投資回收期為5.62 a年，預(yù)計系統(tǒng)壽命為25 a，期間可節(jié)省總投資51. 75萬元，具有非常高的示范意義和推廣價值。
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