馮國會,王茜如,黃凱良,常莎莎,崔 航
(沈陽建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院,遼寧 沈陽 110168)
在化石燃料消耗逐年增加的情況下,利用熱泵供熱可以減少一次能源的消耗[1-2]。地面輻射供暖系統(tǒng)以其供水溫度低、熱舒適性好、具有良好的蓄熱性能等優(yōu)點越來越受到用戶的青睞[3-4]。地面輻射供暖的計算,主要就是確定盤管間距。在傳統(tǒng)的施工設(shè)計中,地面輻射供暖工程應(yīng)由專業(yè)人員依據(jù)國家現(xiàn)行規(guī)范與技術(shù)措施進(jìn)行設(shè)計[5]?!兜孛孑椛涔┡┕な謨浴分辛谐隽烁鶕?jù)經(jīng)驗和實踐總結(jié)的經(jīng)驗表格,可依據(jù)供水溫度、室內(nèi)設(shè)計溫度、單位地面面積所需有效散熱量查得盤管設(shè)計間距。近零能耗建筑的實現(xiàn),設(shè)計是重要的環(huán)節(jié)[6]。各國在實現(xiàn)建筑近零能耗的技術(shù)路線上基本一致,都是先利用被動式設(shè)計降低建筑本體的能耗,如高性能的圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計、良好的氣密性能、斷絕熱橋等措施,其次再利用高效的能源系統(tǒng)進(jìn)一步減少建筑的能源需求[7-9]。一系列技術(shù)手段使得近零能耗建筑的熱負(fù)荷相比普通建筑降低很多,單位地面面積所需有效散熱量低,超出經(jīng)驗表格的范圍,因此現(xiàn)行的設(shè)計規(guī)范不再適用于近零能耗建筑。設(shè)計施工時,按普通建筑的經(jīng)驗選取盤管間距和供水溫度,必然造成冬季室內(nèi)溫度過高,熱舒適性差,能源系統(tǒng)能效偏低,能耗偏大等問題。鑒于此,筆者以沈陽市某近零能耗示范建筑為例,利用TRNSYS軟件進(jìn)行熱負(fù)荷計算,模擬盤管間距和供水溫度對室內(nèi)溫度、熱舒適情況、熱泵機(jī)組能效情況和能源系統(tǒng)總能耗的影響,優(yōu)化近零能耗建筑地面輻射供暖末端設(shè)計參數(shù)。
該近零能耗示范建筑位于遼寧省沈陽市,用地總面積為334.8 m2,是一座集辦公、展示為一體的公共建筑。該建筑共兩層,1層高3.3 m,包括示范房間1、展廳、廚房、衛(wèi)生間、會客室、示范房間2、熱泵設(shè)備機(jī)房和控制室;2層高3.6 m,包括辦公室、衛(wèi)生間和開敞辦公區(qū)。
建筑主體結(jié)構(gòu)為鋼框架+現(xiàn)澆聚苯顆粒泡沫混凝土墻體,外墻傳熱系數(shù)為0.1 W/(m2·K),采用先進(jìn)的外門窗密閉技術(shù),外窗傳熱系數(shù)為1.0 W/(m2·K),氣密性達(dá)到8級。窗墻比為:偏西側(cè)0.09,偏南側(cè)0.12,偏北側(cè)0.12,偏東側(cè)0.05,建筑外觀圖如圖1所示。
圖1 建筑外觀圖
利用TRNBuild建立近零能耗建筑模型,根據(jù)建筑實際情況設(shè)置圍護(hù)結(jié)構(gòu)、內(nèi)熱源、滲透、新風(fēng)等參數(shù),由于末端設(shè)備采用地面輻射供暖末端,計算熱負(fù)荷時室內(nèi)計算溫度的取值應(yīng)比采用對流輻射供暖末端的室內(nèi)計算溫度低2 ℃[10],建筑各房間供暖室內(nèi)計算溫度取值如表1所示。
表1 各房間供暖室內(nèi)計算溫度
利用TRNSYS軟件建立負(fù)荷計算模型,模擬日期為11月1日至次年3月31日,時間7 296~10 920 h。供暖季逐時熱負(fù)荷如圖2所示。從圖可以看出,該近零能耗建筑供暖季最大逐時熱負(fù)荷出現(xiàn)1月16日,9 128 h,熱負(fù)荷為11.19 kW。供暖季累計熱負(fù)荷8 101.73 kW·h,供暖季熱指標(biāo)12.14 W/m2。與普通建筑相比,該近零能耗建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)低,氣密性良好,供暖季累計熱負(fù)荷較低,熱指標(biāo)較低。供暖季初期和末期由于室外溫度較高,逐時熱負(fù)荷較低,單位地面面積所需有效散熱量較低。
圖2 近零能耗建筑供暖季逐時熱負(fù)荷
人體的熱舒適性由人體和環(huán)境兩方面綜合影響,人體因素主要有衣著、活動量及個人體質(zhì)等[11];環(huán)境因素主要有溫度、濕度、空氣流速等。評價環(huán)境熱舒適性的方法有熱舒適圖,熱舒適性方程,PMV-PPD指標(biāo)法等[12],自20世紀(jì)70年代以來,國際上普遍采用Fanger基于人體熱平衡方程式和ASHRAE七點標(biāo)度得到的平均熱感覺指數(shù)-預(yù)測不滿意率(PMV-PPD)模型作為評價人體熱舒適的指標(biāo)[13]。PMV是基于1 396個受試者的熱感覺投票結(jié)果分析提出的[14],用于評價環(huán)境的熱舒適性偏離熱中性環(huán)境的程度,PPD是預(yù)測一組人中對給定的熱環(huán)境感到不舒適的人數(shù)占全部人數(shù)的比例。筆者熱舒適性評價采用PMV-PPD指標(biāo)法?!睹裼媒ㄖ┡L(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》(GB 50736—2012)根據(jù)我國實際情況制定了適合我國的PMV-PPD值(見表2)。
表2 不同熱舒適等級對應(yīng)的PMV、PPD值
建筑負(fù)荷模型、末端裝置系統(tǒng)、能源系統(tǒng)模型及相關(guān)循環(huán)控制模型由TRNSYS軟件建立。TRNSYS全稱為Transient System Simulation[15](瞬態(tài)系統(tǒng)模擬),最初利用TRNSYS模擬太陽能系統(tǒng)[16],后期已開發(fā)更多模塊。軟件認(rèn)為一個系統(tǒng)由若干個模塊組成,一個模塊實現(xiàn)某一特定的功能,因此,在對系統(tǒng)進(jìn)行仿真模擬時,只要調(diào)用實現(xiàn)這些特定功能的模塊,給定輸入條件,就可以對系統(tǒng)進(jìn)行模擬分析。圖3為土壤源熱泵結(jié)合地面輻射供暖末端系統(tǒng)運行流程圖。
圖3 能源系統(tǒng)運行流程圖
3.1.1 設(shè)計參數(shù)對熱舒適的影響
以示范房間2作為典型房間,模擬在不控制土壤源熱泵啟停時,供水溫度35 ℃、盤管間距200 mm的室內(nèi)溫度和熱舒適情況。示范房間2供暖季逐時溫度如圖4所示。整個供暖季最低室內(nèi)溫度出現(xiàn)在9 128 h,為18.06 ℃,全年最高室內(nèi)溫度出現(xiàn)在10 915 h,達(dá)到28.14 ℃,全年平均溫度為22.8 ℃。供暖初期和末期由于室外溫度相對較高,室內(nèi)溫度偏高,整個供暖季逐時室內(nèi)溫度均高于設(shè)計溫度。供暖季共3 624 h,其中412 h溫度為18~20 ℃,1 120 h溫度為20~22 ℃,892 h溫度為22~24 ℃,1 200 h溫度達(dá)到24 ℃以上。
圖4 典型房間供暖季逐時溫度
利用Type65c模塊輸出供暖季逐時PMV、PPD,整個供暖季PMV為-0.43~1.41,其中2 025 h為-0.5~0.5,1 174 h為0.5~1,PMV約有88.27%的時間為-1~1。整個供暖季PPD為5%~45.8%,PPD約有55%的時間小等于10%,90%的時間小等于27%,即達(dá)到Ⅱ級。熱舒適性達(dá)不到Ⅱ級的時間全部集中在供暖初期和末期,此時人體熱感覺較熱。供暖季初期和末期由于室外溫度相對較高,且近零能耗建筑密閉性優(yōu)良,按普通建筑設(shè)計地面輻射供暖末端參數(shù),會造成室內(nèi)溫度過高,熱舒適性較差。
3.1.2 盤管間距對熱舒適的影響
保持供水溫度35 ℃,增大盤管間距至400 mm,輸出供暖季逐時室內(nèi)溫度,供暖季最低室內(nèi)溫度出現(xiàn)在9 128 h,為17.3 ℃,最高室內(nèi)溫度出現(xiàn)在10 915 h,為27.68 ℃,全年平均溫度為22.1 ℃,供暖季室內(nèi)溫度稍有降低,可以滿足用戶需求。
輸出供暖季逐時PMV、PPD情況,整個供暖季PMV為-0.57~1.31,其中2 296 h為-0.5~0.5,1 116 h為0.5~1或-1~-0.5,PMV約有94.15%的時間為-1~1。整個供暖季PPD為5%~40.86%,PPD約有62.11%的時間小等于10%,95.17%的時間小等于27%。熱舒適性達(dá)到Ⅱ級的時間有所增加,熱舒適性有所提高。
3.1.3 供水溫度對熱舒適的影響
盤管間距不變,保持200 mm,降低供水溫度至30 ℃,輸出房間供暖季逐時溫度,供暖季最低室內(nèi)溫度為15.2 ℃,最高室內(nèi)溫度為25.2 ℃,供暖季平均室內(nèi)溫度20.0 ℃,高于室內(nèi)設(shè)計溫度,整個供暖季僅有供暖中期24 h的室內(nèi)溫度低于16 ℃,可以滿足用戶對室內(nèi)溫度的需求。
輸出30 ℃供水溫度下供暖季逐時PMV、PPD,與35 ℃供水溫度對比如圖5所示。整個供暖季PMV為-0.94~0.86,100%的時間處于-1~1,其中2 481 h為-0.5~0.5。整個供暖季PPD為5~23.85%,均小等于27%,PPD值中約有66.23%的時間小等于10%。整個供暖季熱舒適性均達(dá)到Ⅱ級以上,相比35 ℃供水溫度,熱舒適性提高,效果顯著。
圖5 不同供水溫度的PMV、PPD值對比
3.2.1 控制策略
增加溫度控制模塊Type108對各房間室溫分別進(jìn)行控制,當(dāng)所有房間溫度均達(dá)到設(shè)定值時,水泵停止。只要有一個房間溫度不達(dá)標(biāo),則負(fù)荷側(cè)水泵啟動,蓄熱水泵和源側(cè)水泵依然由水箱溫度控制。優(yōu)化控制策略后,各房間溫度得到穩(wěn)定的控制,還可以有效地減少能耗。供水溫度35 ℃,盤管間距200 mm,不控制室溫和控制室溫后的系統(tǒng)能耗對比如圖6所示。供暖季11月初至次年3月末共5個月,其中1月份水泵能耗和熱泵能耗最大,系統(tǒng)總能耗最大。供暖季熱泵能耗一直大于水泵能耗,當(dāng)不控制室溫時,整個供暖季水泵總能耗為1 035.63 kW·h,熱泵總能耗為1 951.50 kW·h,能源系統(tǒng)總能耗為2 987.13 kW·h。增加室溫控制后,供暖季水泵總能耗為845.10 kW·h,降低18.4%,熱泵總能耗為1 454.98 kW·h,降低25.4%,能源系統(tǒng)總能耗為2 300.08 kW·h,降低687.05 kW·h,與優(yōu)化控制策略前相比能源系統(tǒng)總能耗降低了23%。
圖6 控制室溫前后的供暖季系統(tǒng)能耗對比
3.2.2 供水溫度對COP和能耗的影響
固定盤管間距為200 mm,對比供水溫度45 ℃、40 ℃、35 ℃、30 ℃下土壤源熱泵機(jī)組的COP和供暖季能源系統(tǒng)的能耗,圖7為不同供水溫度下土壤源熱泵機(jī)組COP供暖季逐時變化情況。供水溫度45 ℃時,供暖季平均COP為3.50;供水溫度40 ℃時,供暖季平均COP為3.65;供水溫度35 ℃時,供暖季平均COP為3.78;供水溫度30 ℃時,供暖季平均COP為3.94。當(dāng)供水溫度降低至30 ℃,與45℃供水溫度相比土壤源熱泵能效提升12.57%。
圖7 不同供水溫度下熱泵COP供暖季逐時變化情況
輸出不同供水溫度下的供暖季能耗情況如圖8所示。當(dāng)供水溫度為45 ℃,40 ℃,35 ℃,30 ℃時,總能耗分別為2 375.3 kW·h,2 390.5 kW·h,2 300.1 kW·h,2 229.8 kW·h。降低供水溫度,為維持室內(nèi)溫度和水箱設(shè)定溫度,水泵啟動時間增加,因此水泵總能耗逐漸增加,但由于土壤源熱泵機(jī)組能耗逐漸降低,供水溫度45 ℃和40 ℃時系統(tǒng)總能耗相差不多,降低供水溫度至35 ℃、30 ℃,系統(tǒng)總能耗繼續(xù)降低。當(dāng)供水溫度降低至30 ℃,與45 ℃供水溫度相比能源系統(tǒng)總能耗降低145.5 kW·h,降低了6.13%。
圖8 不同供水溫度下供暖季能耗情況
為確定盤管間距和供水溫度之間的最優(yōu)匹配模式,分別設(shè)置盤管間距為150 mm,200 mm,250 mm,300 mm,350 mm,400 mm;供水溫度為25 ℃,30 ℃,35 ℃,40 ℃,45 ℃,輸出供暖季PMV,各工況的模擬結(jié)果如圖9所示。45 ℃供水溫度,不同盤管間距下,人體熱感覺均溫暖;40 ℃供水溫度,不同盤管間距下,人體熱感覺均較溫暖;25 ℃供水溫度,不同盤管間距下,人體熱感覺均較涼。盤管間距增大,PMV逐漸降低,但盤管間距對熱舒適的影響沒有供水溫度影響顯著(見圖9)。當(dāng)PMV為0時,人體熱感覺適中,熱舒適性達(dá)到最優(yōu),此時最佳供水溫度出現(xiàn)在30~35 ℃。
圖9 不同工況下供暖季PMV值
輸出各工況下供暖季PPD,供水溫度45 ℃時,增大盤管間距PPD降低,熱舒適性提高,但增大盤管間距至400 mm,PPD為35.93%,熱舒適性依然達(dá)不到Ⅱ級,供水溫度40 ℃時,熱舒適性相比45 ℃提高,但達(dá)不到Ⅰ級。供水溫度25 ℃時,隨著盤管間距增大,熱舒適性降低,盤管間距100 mm時熱舒適性依然達(dá)不到Ⅱ級。各盤管間距下PPD最小值均出現(xiàn)在30~35 ℃。因此設(shè)置盤管間距為150 mm,200 mm,250 mm,300 mm,350 mm,400 mm;供水溫度為29 ℃,30 ℃,31 ℃,32 ℃,33 ℃,34 ℃,35 ℃,尋找以熱舒適性最高為優(yōu)化目標(biāo)的盤管間距和供水溫度最佳匹配模式。
輸出各工況下PPD如圖10所示,不同盤管間距,供水溫度從29 ℃升高至35 ℃時,PPD均呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢,但不同供水溫度下,盤管間距對PPD的影響不同,當(dāng)供水溫度為29~31 ℃,盤管間距增大,PPD增大,熱舒適性降低;當(dāng)供水溫度為33 ℃至35 ℃,盤管間距增大,PPD降低,熱舒適性提高;供水溫度32 ℃時,盤管間距對PPD影響不大。最佳匹配模式為:150 mm、200 mm、250 mm盤管間距對應(yīng)的最優(yōu)供水溫度為31 ℃,300 mm、350 mm盤管間距對應(yīng)的最優(yōu)供水溫度為32℃,400 mm盤管間距對應(yīng)的最優(yōu)供水溫度為33 ℃,此時熱舒適性均能達(dá)到Ⅰ級。近零能耗建筑使用地面輻射供暖末端時,供水溫度可降低為30~35 ℃,盤管間距可適當(dāng)增大為300~400 mm。
圖10 不同工況下供暖季PPD值
(1)近零能耗建筑利用土壤源熱泵結(jié)合地面輻射供暖末端供熱,當(dāng)盤管間距200 mm,熱泵供水溫度35 ℃,典型房間供暖季初期和末期室溫偏高,熱舒適性稍差;增大盤管間距或降低供水溫度可提高熱舒適性。
(2)增加室溫控制系統(tǒng)使水泵能耗降低18.4%,熱泵能耗降低25.4%,系統(tǒng)總能耗降低687.05 kW·h,降低了23%。
(3)供水溫度降低為30 ℃,相比45 ℃供水溫度時熱泵能效提升12.57%,總能耗降低145.5 kW·h。
(4)供水溫度和盤管間距的最佳匹配模式為:150 mm、200 mm、250 mm盤管間距對應(yīng)的最優(yōu)供水溫度為31 ℃,300 mm、350 mm盤管間距對應(yīng)的最優(yōu)供水溫度為32 ℃,400 mm盤管間距對應(yīng)的最優(yōu)供水溫度為33℃,此時熱舒適性均能達(dá)到Ⅰ級。近零能耗建筑使用地面輻射供暖末端時,供水溫度可降低為30~35 ℃,盤管間距可增大為300~400 mm,以達(dá)到提高建筑熱舒適性,節(jié)能的效果。