夏热冬冷地区户式辐射空调住宅建筑能耗分析

（上海理工大学，上海 200093）

0 引言

户式辐射空调以其高舒适性、健康性和独立调控性等优点逐渐在高中档小区和高中档别墅中普及。与此同时，由于其全天候的运行特性，节能性的要求也迫在眉睫。前人对于辐射空调系统的研究主要是从热舒适、空调系统组合、系统节能性和经济性等角度对辐射空调系统进行研究［1-2］，而对户式辐射空调系统节能分析的研究少之又少。文献［3］以带有地源热泵户式辐射空调系统的某住宅建筑为研究对象，分析了该空调系统在冬夏季典型日的运行状态、设备启停状态、室内温湿度等参数的变化规律以及供冷季和供热季的空调能耗及运行费用。文献［4］研究了室内温度设定值对空气源热泵户式供热系统日运行成本影响，并提出了一种最佳调控方法——逐时调整室内温度。通过这种调控方式，该空调系统在保证热舒适性的前提下，能够获得最低日运行成本。本文以户式辐射空调住宅建筑为研究对象，从负荷构成角度对该建筑进行全年空调能耗分析，得到空调能耗各组成部分所占比例，为户式辐射空调的节能研究提供依据。

1 研究对象

1.1 建筑概况

该建筑位于长江流域苏州市，共有八层，和相邻建筑间距充分，冬夏季光照充足。本文以其中一典型户型为研究对象，该户层高3 m，建筑面积为120 m2，空调面积为94.2 m2，包括主卧、次卧、书房、客厅、阳台。建筑平面如图1所示。

图1 建筑平面示意

1.2 空调系统原理

该住宅建筑的空气源热泵户式辐射空调系统包括辐射系统和新风除湿系统两部分。其中，辐射空调系统调控室内温度，新风除湿系统调控室内湿度，实现室内温湿度独立控制。夏季时热泵机组产生低温冷水，一部分在板式换热器内与辐射回水混合，处理后的辐射回水重新流回辐射末端壁面（毛细管）对室内辐射传热进行降温冷却；另外一部送入新风机与新风换热除湿，处理后的新风送入室内承担室内全部湿负荷及部分热负荷。当新风机组满足负荷时，只开新风机组运行，当不满足室内热负荷时将开启辐射系统。冬季同理可得。该空调系统原理如图2所示。

图2 空气源热泵户式辐射空调系统原理

2 模型建立与验证

2.1 建立模型

Energy plus软件是由DOE和LBNL共同开发的一款建筑能耗模拟软件，可以用来对建筑的采暖、制冷、照明、通风以及其他能源消耗进行全面能耗模拟分析和经济分析，也是建筑能耗模拟软件中使用比较多的一款。本文利用Energy plus软件对建筑及空调系统进行建立模型，其中建筑模型如下图3所示。

图3 建筑模型

2.2 模型验证

在建立建筑模型和空调系统模型后，需要对所建模型进行试验验证。以实测的7月21号9：00-21：00的数据代表夏季工况，以实测的12月21号9：00-21：00的数据代表冬季工况，将实测数据与软件模拟数据进行对比。试验结果表明所建模型是合理的，具体验证如下。

图4示出了冬夏季室内温度实测值与模拟值的比较，从图中可以得出：冬季工况实测值和模拟值平均误差为3.19%，夏季工况实测值和模拟值平均误差为2.20%。

图4 冬、夏季室内温度实测值与模拟值对比

冬夏季机组供水温度实测值与模拟值比较如图5所示，由图中可以得出：冬季工况实测值和模拟值平均误差为2.87%，夏季工况实测值和模拟值平均误差为6.85%。

图5 冬、夏季机组供水温度实测值与模拟值对比

冬夏季空气源热泵能耗实测值与模拟值比较如图6所示。由图中可知：冬季工况实测值和模拟值平均误差为5.57%，夏季工况实测值与模拟值平均误差为22.38%，造成这个误差的主要原因经分析可能是由于模拟时窗户没有遮阳，而实测时发现有遮阳干扰，但模拟与实测的变化趋势是相当一致的。

图6 冬、夏季空气源热泵能耗实测值与模拟值对比

冬夏季西外墙负荷实测值与模拟值比较如图7所示。由图可知：冬季工况实测值和模拟值平均误差为10.88%，夏季工况实测值和模拟值平均误差为19.27%。

图7 冬、夏季西外墙负荷实测值与模拟值对比

冬夏季西外窗负荷实测值与模拟值比较如图8所示。由图中可以得出：冬季工况实测值和模拟值平均误差为10.90%，夏季工况实测值和模拟值平均误差为7.38%。

图8 冬、夏季西外窗负荷实测值与模拟值对比

冬夏季新风负荷的实测值与模拟值比较如图9所示，由图中可以得出：冬季工况实测和模拟平均误差为15.53%，夏季工况实测和模拟平均误差为6.94%。

图9 冬、夏季新风负荷的实测值与模拟值对比

3 建筑空调能耗分析

本文从负荷构成的角度对该住宅建筑进行全年空调能耗模拟，分析各部分负荷对建筑空调能耗的影响。在分析之前先对建筑全年空调能耗进行实测值与模拟值对比分析，对建筑全年空调能耗进行验证。建筑全年空调能耗实测值及模拟值比较如图10所示。

图10 建筑全年能耗实测值及模拟值对比

由图10可以得出：冬季工况实测和模拟平均误差为10.46%，夏季工况实测和模拟平均误差为9.55%，全年二者能耗平均误差为24.54%。

下面分别对各部分模拟能耗进行分析，确定其对建筑全年空调能耗的影响程度。

全年墙体及楼板能耗如图11所示。由图可得：墙体及楼板全年能耗为3 732.00 kW/h，占建筑空调总能耗23.46%。可见墙体楼板对建筑空调能耗影响较大。

图11 全年墙体及楼板能耗对比

全年外窗能耗如图12所示。由图中可得出：外窗全年能耗为4 664.95 kW/h，占建筑空调总能耗的29.32%。其中夏季7，8月外窗能耗占全年外窗能耗42.72%。所以对辐射空调而言，建筑外窗采取遮阳措施可以大大降低7，8月的热负荷，节约能耗。

图12 全年外窗能耗对比

全年新风能耗如图13所示。由图中可得出：新风全年能耗为6 893.27kW/h，占建筑空调总能耗的43.32%。对辐射空调而言，新风不仅满足室内卫生要求、排风要求和室内正压要求，还需要承担排除室内湿负荷要求，所用新风量较大，因此所占的能耗比也较大。如何降低辐射空调系统的新风量、变新风量调节和采取部分回风除湿的方式，将是节能研究的重点。

图13 全年新风能耗对比

对于住宅建筑，每户人数、照明及设备使用情况均是不同。本次模拟假定：白天客厅有2人，其它房间没人，夜晚卧室有2人，电视开启时间段为12：00—14：00和20：00—22：00，饮水机全天开启，照明设备开启时间段为下午19：00—22：00。此外，由于人员、照明及设备产热在冬天为有益热，不会产生能耗，因此只对夏季工况进行模拟分析。

主要供冷月人员模拟能耗如图14所示。从图中可得出：人员在供冷季节能耗为101.01 kW/h，占建筑空调总能耗0.63%。照明和电器设备每天产生的能耗是一样，由模拟得因照明散热而产生的能耗为214.00 kW/h，占建筑空调总能耗的1.34%；因设备散热而产生的能耗为306.00 kW/h，占建筑空调总能耗1.93%。

图14 主要供冷月人员模拟能耗对比

4 结论

（1）在夏热冬冷地区，对于试验样板房，墙体及楼板全年能耗为3 732.00 kW/h，占建筑总能耗的23.46%；外窗全年能耗为4 664.95 kW/h，占总能耗的29.32%；新风全年能耗为6 893.27 kW/h，占总能耗的43.32%；人员、照明及设备全年能耗为621.01 kW/h，占总能耗的3.90%。空调能耗主要是由墙体、楼板及外窗传热和处理新风所引起的。

（2）夏季7、8月外窗能耗占全年外窗能耗42.72%，建议建筑外窗采取遮阳措施。此举可大大降低7、8月的热负荷，节约能耗。

（3）对辐射空调而言，变新风量调节和部分回风除湿，将是新风节能研究的重点。

此外，在能耗分析前需先对所建模型按供冷供热工况多个指标分别进行验证。试验结果表明所建模型是合理的，具有一定的模拟计算精度。本文研究结果对住宅建筑的户式辐射空调系统的设计、运行调控以及节能研究具有一定的参考作用。