近零能耗建筑地源熱泵檢測方法研究

杜曉輝　原瑞增　賈云飛　李 展

摘 要：以寒冷地區(qū)某居住建筑為例，本研究通過DEST軟件建立近零能耗建筑與常規(guī)節(jié)能建筑模型，對比分析其建筑冷熱需求差異及其對空調(diào)系統(tǒng)的影響，并結(jié)合現(xiàn)有地源熱泵系統(tǒng)檢測方法，探討了適用于近零能耗建筑的地源熱泵性能檢測方法。

關(guān)鍵詞：近零能耗建筑;地源熱泵系統(tǒng);性能檢測

中圖分類號：TU831 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：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

隨著建筑節(jié)能相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)體系的逐漸完善，我國目前己實現(xiàn)建筑節(jié)能“三步走”的目標(biāo)，現(xiàn)階段，新建建筑全面實現(xiàn)相對節(jié)能率65%，部分城市開始試點實行節(jié)能率75%。2007年開始，我國與德國在建筑節(jié)能領(lǐng)域開展合作，開展被動式超低能耗建筑技術(shù)研究并相繼建成大量超低能耗綠色建筑示范工程。

隨著《近零能耗建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 51350—2019）的發(fā)布，我國已經(jīng)基本建立自有的近零能耗建筑標(biāo)準(zhǔn)體系，既和1986—2016年貫徹的30%、50%、65%“三步走”建筑節(jié)能發(fā)展路線相銜接，又和我國2025年、2035年、2050年中長期建筑能效提升目標(biāo)有效關(guān)聯(lián)。其中，充分利用可再生能源，以最少的能源消耗提供舒適的室內(nèi)環(huán)境，是近零能耗建筑的一大特點。

目前，我國可再生能源主要集中在太陽能及地源熱泵技術(shù)的應(yīng)用。而考慮節(jié)能性和經(jīng)濟性等因素，地源熱泵的使用受到地質(zhì)條件、埋管面積、建筑負荷等因素的制約[1-3]。隨著建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的提升，建筑能耗持續(xù)降低，地源熱泵系統(tǒng)在更高節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)建筑中的應(yīng)用發(fā)生改變。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)階段針對地源熱泵系統(tǒng)在近零能耗建筑中的研究主要集中在不同形式復(fù)合系統(tǒng)的可行性及運行策略研究方面[4-6]，對系統(tǒng)的應(yīng)用效果以及評價方法研究較少。分析近零能耗建筑和常規(guī)節(jié)能建筑設(shè)計差異對地源熱泵系統(tǒng)運行狀況的影響，研究近零能耗建筑中地源熱泵系統(tǒng)全年性能檢測方法及評價體系對于地源熱泵在近零能耗建筑中的推廣具有重要意義。

1 近零能耗建筑冷熱需求特性研究

和常規(guī)的節(jié)能建筑相比，近零能耗建筑有著高性能的外圍護結(jié)構(gòu)、高性能門窗、無熱橋及良好的氣密性等節(jié)能技術(shù)措施[7]，這就使得近零能耗建筑的冷熱負荷需求和常規(guī)節(jié)能建筑存在差異。需求的不同會影響建筑能耗構(gòu)成甚至設(shè)備運行效率，如果相同規(guī)模的制冷機組在不同負荷率下的用戶需求不同，冷機的運行效率不同，不同的負荷特性下空調(diào)系統(tǒng)的運行策略也會不同。

1.1 建筑冷熱需求計算

DEST是清華大學(xué)開發(fā)的一款建筑環(huán)境及HVAC系統(tǒng)模擬軟件，軟件分為DEST-C和DEST-H兩個模塊。其中，DEST-H主要用于住宅建筑能耗特性的影響因素分析、住宅建筑的全年動態(tài)負荷計算、住宅室溫計算、末端設(shè)備系統(tǒng)經(jīng)濟性分析等領(lǐng)域。

1.1.1 模型建立。為了簡化研究過程，本文選取的研究對象為典型多層居住建筑，地上五層、地下兩層?？偨ㄖ娣e為2536m2，體形系數(shù)為0.44。執(zhí)行節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)為《河南省居住建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)（寒冷地區(qū)65%+）》（DBJ 41/062—2017），利用DEST-C軟件分別建立滿足《河南省居住建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)（寒冷地區(qū)65%+）》（DBJ 41/062—2017）以及《近零能耗建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 51350—2019）的建筑模型（見圖1）進行分析，模型設(shè)置的參數(shù)如表1、表2所示。

表1 建筑概況

表2 常規(guī)節(jié)能建筑與近零能耗建筑的熱工參數(shù)對比

本研究建立的DEST-H模型如圖1所示。

1.1.2 參數(shù)設(shè)置。有關(guān)參數(shù)包括氣象數(shù)據(jù)參數(shù)、模型維護結(jié)構(gòu)材質(zhì)和房間功能。

1.1.2.1 氣象數(shù)據(jù)參數(shù)設(shè)置。DEST-C模擬所依據(jù)的傳熱原理依賴于建筑室外環(huán)境參數(shù)情況，選擇模型所在地理區(qū)域城市，即將模擬所處區(qū)域的氣象數(shù)據(jù)加載至模擬環(huán)境中，為模擬分析提供可靠的基礎(chǔ)。按照DEST的操作方式，在本文中，所有方案的模擬均選擇河南省鄭州市作為模擬環(huán)境，鄭州市在我國采暖氣候分區(qū)中屬于寒冷地區(qū)。

圖1 DEST-H建筑模型

1.1.2.2 模型維護結(jié)構(gòu)材質(zhì)設(shè)定。模型建立好之后，需要對模型進行常規(guī)節(jié)能建筑負荷模擬并對近零能耗建筑進行負荷模擬分析，因此需要分別設(shè)置模型熱工性能參數(shù)，如表3、表4所示。

表3 常規(guī)節(jié)能建筑模型熱工性能參數(shù)

表4 近零能耗建筑模型熱工性能參數(shù)

1.1.2.3 房間功能設(shè)定。住宅建筑不同房間的使用功能不同，會對室內(nèi)熱環(huán)境產(chǎn)生不同的影響。例如，一個客廳空間和一個臥室空間的不同，在于其人員活動的數(shù)量和時間段、照明設(shè)備的選擇以及室內(nèi)電器設(shè)備的陳設(shè)等，這些影響因素有著不同的熱工特性，DEST-H會對室內(nèi)熱環(huán)境產(chǎn)生不同影響，構(gòu)成室內(nèi)熱環(huán)境的內(nèi)擾因素。對不同的功能空間，人們定義了室內(nèi)不同的內(nèi)擾形式，其中包括人員的數(shù)量、活動時間和人員的發(fā)熱量;照明設(shè)備的開啟方式以及功率、產(chǎn)熱量;家具設(shè)備的相關(guān)系數(shù)以及空調(diào)系統(tǒng)的運行方式等。

1.2 模擬結(jié)果分析

1.2.1 常規(guī)節(jié)能建筑模擬結(jié)果。通過模擬計算，人們可以得到節(jié)能率為65%+的節(jié)能建筑和近零能耗建筑的全年空調(diào)負荷計算結(jié)果，其單位建筑面積的負荷指標(biāo)如表5所示。

表5 單位面積負荷指標(biāo)

1.2.2 模擬結(jié)果對比分析。下面主要分析負荷強度特性和負荷分布特性。

1.2.2.1 負荷強度特性。對比節(jié)能率65%+的節(jié)能建筑和近零能耗建筑的負荷特性可知，近零能耗建筑相比于節(jié)能率為65%+的建筑冷熱負荷大幅度降低，冷負荷峰值降低比例大于熱負荷峰值，近零能耗建筑的冷熱負荷峰值比小于節(jié)能率為65%+的節(jié)能建筑。

寒冷地區(qū)不同節(jié)能率居住建筑峰值負荷對比分析如表6所示。

表6 不同節(jié)能率建筑負荷峰值分析

從表7可以看到，冷熱負荷分布不均勻，節(jié)能65%+的居住建筑累計冷熱負荷比為0.52，近零能耗建筑的累計負荷比增至0.81。

表7 不同節(jié)能率建筑累計冷熱負荷分析

1.2.2.2 負荷分布特性。建筑冷熱負荷分布如表8、圖2所示。

從圖2可以看出，節(jié)能65%+建筑和近零能耗建筑在冷熱負荷分布上存在相同的變化趨勢。在供暖季節(jié)，負荷分布較為平均，機組大部分時間處于部分負荷運行，負荷率在25%～50%、50%～75%的比例接近均等，約為30%;在供暖季節(jié)，負荷率大于50%的時間只占6%～7%，說明90%以上的時間機組負荷率低于50%，這意味著在機組配置時要充分考慮部分負荷的運行情況，通過選擇多臺主機交替運行的方式來滿足用戶負荷需求，或根據(jù)建筑的實際情況和機組運行特性，制定合理的運行策略，提高系統(tǒng)運行效率。

表8 建筑冷熱負荷分布

圖2 不同節(jié)能率建筑冷熱負荷分布

2 現(xiàn)有地源熱泵性能檢測方法

根據(jù)《可再生能源建筑應(yīng)用示范項目測評導(dǎo)則》、《可再生能源建筑應(yīng)用工程評價標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50801—2013）內(nèi)容，地源熱泵系統(tǒng)示范項目的測試內(nèi)容主要包括三個方面：形式檢查、系統(tǒng)性能檢測和系統(tǒng)能效評估。

形式檢查包含項目系統(tǒng)檢查、項目實施量檢查、項目運行情況檢查三個部分。其中，系統(tǒng)檢查主要是對地源熱泵系統(tǒng)的外觀質(zhì)量、系統(tǒng)關(guān)鍵部位、系統(tǒng)安全性、環(huán)保措施等方面的檢查;實施量檢查主要檢查地源熱泵系統(tǒng)實際實施量情況與可再生能源建筑應(yīng)用申報書和項目最初的設(shè)計文件是否一致;運行情況檢查主要是查看地源熱泵系統(tǒng)的運行調(diào)試記錄是否齊全，運行時各項指標(biāo)是否符合相關(guān)規(guī)范要求。

系統(tǒng)性能檢測主要圍繞室內(nèi)舒適度、機組性能和系統(tǒng)性能三個方面進行，通過現(xiàn)場搭建測試平臺采集系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)，了解系統(tǒng)的實際運行情況，并通過數(shù)據(jù)的處理分析得出熱泵機組制熱/制冷性能系數(shù)和系統(tǒng)COP。

系統(tǒng)能效評估則是根據(jù)檢測數(shù)據(jù)，計算得到示范項目的系統(tǒng)能效比、常規(guī)能源替代量、二氧化碳等溫室及污染氣體的減排量，進而評估其節(jié)能、環(huán)境和經(jīng)濟效益。

綜上，現(xiàn)有的地源熱泵性能評價方法多是從系統(tǒng)能效出發(fā)，即對系統(tǒng)運行的單個狀態(tài)點進行測試評價。近零能耗建筑是性能參數(shù)與能耗指標(biāo)的雙重考核，不僅僅要從單個運行工況點來對地源熱泵的運行狀態(tài)進行評估，更應(yīng)從建筑全生命周期去考慮。因此，如何通過測試若干運行工況點來計算出系統(tǒng)全年甚至全生命周期運行能效的方法尤為重要。

圖3 地源熱泵系統(tǒng)全年性能檢測方法原理

3 地源熱泵全年性能檢測方法研究

3.1 研究思路

通過理論計算建筑全年冷熱負荷分布特性，得到地源熱泵系統(tǒng)在供冷（暖）季不同負荷率區(qū)間下的運行時間分布比例，然后通過實際測試不同負荷率區(qū)間下系統(tǒng)的平均能效比并加權(quán)平均得到系統(tǒng)全年制冷（熱）性能系數(shù)，進而綜合評價地源熱泵系統(tǒng)全年運行狀況。

3.2 新方法提出

為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本文提出一種地源熱泵系統(tǒng)全年性能檢測方法，通過有限次的測試得到地源熱泵系統(tǒng)全年運行性能參數(shù)，進而科學(xué)地評價地源熱泵系統(tǒng)運行效果，具體方法如下。

①計算應(yīng)用地源熱泵系統(tǒng)的建筑物冷熱負荷分布特性，建筑物冷熱負荷分布特性包括建筑物冷熱負荷的極值和地源熱泵系統(tǒng)在不同負荷率區(qū)間下的全年運行時間分布比例。

②根據(jù)當(dāng)前檢測時刻的室外溫度，計算當(dāng)前檢測時刻的建筑物實時逐時負荷。

③根據(jù)建筑物冷熱負荷的極值和建筑物實時逐時負荷，計算當(dāng)前檢測時刻的地源熱泵系統(tǒng)運行負荷率并更新對應(yīng)負荷率區(qū)間下的運行累計時長。

④根據(jù)測量的地源熱泵系統(tǒng)進出口水溫、流量和設(shè)備耗電量，計算不同負荷率區(qū)間下的地源熱泵系統(tǒng)運行能效比。

⑤判斷不同負荷率區(qū)間下的運行累計時長是否大于預(yù)設(shè)時長，若大于則執(zhí)行步驟⑥;反之，則執(zhí)行步驟②至步驟④。

⑥輸出不同負荷率區(qū)間下的地源熱泵系統(tǒng)的平均能效比，并根據(jù)不同負荷率區(qū)間下的全年運行時間分布比例和不同負荷率區(qū)間下的地源熱泵系統(tǒng)的平均能效比，計算地源熱泵系統(tǒng)的全年綜合能效比。

新型的地源熱泵系統(tǒng)全年性能檢測方法原理如圖3所示。

4 結(jié)論

本文通過DEST-H軟件建模對比常規(guī)節(jié)能建筑和近零能耗建筑負荷差異，得到近零能耗建筑冷熱負荷強度特點和全年分布特性;通過調(diào)研現(xiàn)有地源熱泵系統(tǒng)檢測方法，分析現(xiàn)有檢測方法對于近零能耗建筑中地源熱泵系統(tǒng)的適應(yīng)性和局限性;最后提出一種新型地源熱泵系統(tǒng)在近零能耗建筑中的性能檢測方法，以期通過有限次的檢測來科學(xué)評價地源熱泵系統(tǒng)全年運行能效，為近零能耗建筑中地源熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用效果評價奠定理論基礎(chǔ)。

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