夏热冬冷地区住宅建筑分散与集中供暖能耗分析

范丽聪 陈垚 王智伟

西安建筑科技大学建筑设备科学与工程学院

夏热冬冷地区从建筑热工分区来说，属于非集中采暖地区[1]。随着人们生活水平的提高，该地区供暖的需求愈加迫切，供暖的行为愈加普遍[2-3]。目前该地区的供暖方式主要包括分散和集中两大类，空气源热泵是夏热冬冷地区最常用的分散式供暖系统，“人在空调开启人走空调关闭”的灵活调节方式更能满足分室分时供暖的调控需求，同时也能满足夏季供冷、冬季供暖的双重需求[4]。但是，该地区全年气温变化大、湿度高，使用传统空气源热泵易出现压比调节不适应、结霜等问题[4-5]。另一方面，利用浅层地热能的地源热泵系统可实现夏热冬冷地区住宅小区的集中供暖。从冷热源角度看，地源热泵系统的效率高于传统的分体空调[6]。但是住宅“部分时间、部分空间”的供暖需求，使得集中式系统运行难度大，需要从冷热源、输配到末端的调节上都给出好的系统运行策略[7]。本文通过EnergyPlus软件建立目标建筑，以分体式空气源热泵、地下水源热泵系统为代表，对分室分时和全室全室供暖需求模式下的分散和集中供暖进行能耗分析。

1 目标建筑

目标建筑为夏热冬冷地区最常见的多层住宅，共7 层，层高2.7 m，建筑立面图和平面图见图1、2，符合《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》[1]，东西南北朝向的窗墙比分别为0.28，0.28，0.43 和0.32。每层建筑面积33 6 m2，每层4 户，户型3 室1 厅。总建筑面积为2352 m2，总供暖面积为1960 m2。

图1 建筑立面图

图2 建筑平面图

围护结构符合《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》[1]的要求，见表1：

表1 围护结构热工参数

1.1 外扰

室外气象参数选取EnergyPlus 中的典型气象年数据，根据文献[9]气候区划的结果，分别选择南京、武汉和桂林作为北部过渡区，中部核心区和南部过渡区的典型城市，供暖室外计算温度采用历年平均不保证5 天的日平均温度，从而确定设计日。见表2。

表2 夏热冬冷地区典型城市供暖室外计算温度

1.2 内扰

不同的家庭模式其作息规律不同，作息规律对于分室分时需求有很大的影响。本文主要研究四种典型的家庭结构类型，即A 类型：2 个上班族；B 类型：2 个上班族+1 个学生；C 类型：2 个上班族+2 个老人；D类型：2 个上班族+2 个老人+1 个学生。根据中国人口普查资料[10]确定A、B、C、D 家庭结构占比，见表3。

表3 家庭结构占比

按比例随机分布，不同家庭结构在建筑空间上的分布结果见图3。

图3 建筑家庭户分布示意图

居民活动集中在客厅和和卧室，因此仅客厅和卧室设有供暖，其他房间均为不供暖房间，供暖季按12月1 日～2 月18 日计算，共90 天[1]。本文考虑分室分时和全室全时两种供暖需求模式：分室分时供暖模式下，供暖时刻的房间温度设定为18 ℃，非供暖时刻设定为5 ℃，各家庭类型各供暖房间的供暖时刻见表4[11]。全室全时供暖模式下，客厅和卧室全天供暖，温度设定为18 ℃。

表4 分室分时供暖需求模式的房间供暖时间

假设房间门窗处于紧闭，则全天通风按换气次数1 h-1[1]。客厅和卧室的照明最大功率均为20 W，各房间设备最大发热量为4.3 W/m2[1]。本文考虑灯光、设备等的使用受人员在室的影响，确定各房间的灯光、设备的启停规律，见表5。

表5 各房间的灯光、设备启停规律

2 供暖系统

2.1 分体式空气源热泵

EnergyPlus 中的封装式终端热泵，即分体式空气源热泵，主要由室外空气混合器，直接膨胀冷却盘管，直接膨胀加热盘管，送风机和辅助加热盘管等部件组成的，见图4。本文研究加热模式，故不考虑冷却盘管。其中，空气源热泵的加热盘管模型模拟室内DX 加热盘管的热性能和室外机（压缩机、风扇、曲轴箱加热器和除霜加热器）的功耗[12]。

图4 封装式终端热泵示意图

本文选择软件默认的机组能效COP=2.75[12]。目标建筑共94 个供暖房间，每个房间设置一台分体式空气源热泵。室外条件依据软件中的典型气象年数据。调控策略：分体式空气源热泵根据房间需求启停。

2.2 地下水源热泵

EnergyPlus 有两种地下水源热泵（GSHP）模型：参数估计模型和方程拟合模型，本文采取的是方程拟合模型，计算模型由Tang and Jin[13]提出，见图5。供暖系统是由多个部件组成，各个部件之间由模拟实际建筑管网的的水环路连接在一起，分为热源侧和负荷侧两个环路，每个部件前后都需要设定节点，完成了系统的连接。

图5 EnergyPlus 地下水源热泵系统示意图

本文选择软件默认的机组能效COP=6[12]。调控策略：地下水源热泵+地板辐射采暖。热源侧热泵蒸发器的进口水温设定为18 ℃，热源侧定频泵连续运行，用户侧变频泵间歇运行，地板辐射采暖末端一直开启，控制地辐进出口的水温分别为45 ℃和35 ℃。

3 模拟结果与分析

3.1 分室分时供暖下分散与集中能耗对比分析

通过前文的建模，利用EnergyPlus 对南京、武汉、桂林三个代表城市的分室分时供暖需求模式下分体式空气源热泵（PTHP）和地下水源热泵（GSHP）的供暖季运行能耗进行模拟，其具体结果见表6。文献[14]指出一份电相当于四份热，将系统耗电量转化为消耗的热能。

表6 分室分时需求模式下供暖季能耗对比

由表6 可知在分室分时模式下，PTHP 的能耗略低于GSHP。

本文选择1 楼Ⅰ单元D 户为代表户，以次卧1 作为代表房间，在分室分时供暖模式下进行室内热环境分析。不同的供暖系统下次卧1 的室内空气逐时温度变化如图6。当开始供暖时，PTHP 供暖的室温可以实现迅速提升，而带有地板辐射供暖末端的GSHP 供暖系统，室温变化缓慢，存在着明显的热惰性。同样，当供暖停止时PTHP 的室温迅速下降，而GSHP 系统的房间温度下降缓慢。

图6 次卧1 的设计日室内空气逐时温度

次卧1 的单位面积逐时供热量如图7。由图7 可知在供暖时段分室分时供暖模式下GSHP 的单位面积的供热量明显高于PTHP。这是由于属于集中式供暖的GSHP 相对于PTHP 在调控能力上存在着固有的劣势。从建筑整体需求角度分析，PTHP 可以根据用户需求灵活的进行末端调控，而对于GSHP 系统，无论末端用户的多少，系统的机组总是运行，无法做到真正意义的供需平衡。因此，在末端需求相同的情况下，GSHP 的供热量总是高于实际的需求量，这必然导致图7 所示的结果。

图7 次卧1 的设计日单位面积逐时供热量

在设计工况下系统的COP 如图8。据图8 可知GSHP 的COP 远优于PTHP。在供暖时段由于室外的气象参数条件变化不大，因此PTHP 的COP 几乎不发生变化。GSHP 的COP 波动受室外气象条件影响不大，主要与该时段建筑中供暖房间占比有关，如图9 所示。供暖房间越少，用户侧负荷需求越不同步、负荷率越低，GSHP 的能效越低。

图8 设计工况COP

图9 建筑的逐时在室比例

通过以上对模拟结果的分析，在分室分时供暖需求模式下分散式供暖较集中式供暖能耗略少，这是由于集中式系统以较高的系统能效弥补了调控能力不足的缺陷导致的结果。

3.2 全室全时供暖下分散与集中能耗对比分析

由表7 可知，在全室全时供暖模式下，集中式供暖较分散式供暖能耗小。随着纬度的降低，南京、武汉、桂林地区的分散和集中供暖能耗差逐渐减小，依次为0.05 GJ/m2，0.03 GJ/m2和0.02 GJ/m2。

表7 全室全时供暖需求模式下供暖季能耗对比

以次卧1 为例，全室全时供暖需求模式下室内设定温度恒为18 ℃，两个供暖系统下次卧1 的室内空气逐时温度变化如图10。在武汉地区，设计日0:00-8:00之间室外气温相对较低，7:00 和8:00 室外空气干球温度最低降到了-1.8 ℃，之后气温回升，18:00 达到了5.3 ℃，如图10 所示。随着室外温度的变化，建筑负荷需求变化，GSHP 无法根据需求及时调控，因此室内实际温度与设定温度存在偏差，如图11 所示。而PTHP具备很好的调控能力，室温一直保持在18 ℃左右。

图10 武汉地区室外气象条件

图11 次卧1 室内空气逐时温度

次卧1 的单位面积逐时供热量如图12。全室全时供暖模式下PTHP 和GSHP 的单位面积平均供热量分别为35.34 W/m2和43.89 W/m2。在8:00-24:00 之间，室外气温升高，但由于集中式供暖调控能力有限，GSHP的供热量超过了PTHP 的供热量。

图12 次卧1 单位面积逐时供热量

在全室全时供暖需求模式下，GSHP 的平均COP为4.01。以次卧1 的PTHP 的能效结果为例分析，PTHP 的COP 平均值为2.67，如图13。在7:00-18:00时COP 突然减小，原因在于该时刻加热盘管的加热率增加，超出了最高部分负荷能效比的负荷值，如图14所示。

图13 设计日COP

图14 加热盘管逐时加热率

全室全时供暖需求模式弱化了供暖系统的调控作用，因此集中式系统凭借高能效的优势，单位能耗小于分散式系统。随着纬度的升高，室外气温逐渐降低，一方面影响PTHP 的运行能效，增加了与集中式的能效差距。另一方面使得建筑本身的负荷需求增加，因此集中式节能优势更明显。

3.3 不同供暖需求模式对供暖能耗的影响分析

由于建筑本身需求负荷减小，同一地区同一系统分室分时供暖模式比全室全时供暖模式能耗明显要小，如图15 所示。与全室全时供暖模式相比，分室分时供暖需求模式下分散和集中系统的平均节能率分别为38.8%和20.4%。

图15 不同地区分散和集中供暖系统的单位能耗变化

4 结论

1）在分室分时供暖需求模式下，以PTHP 为代表的分散式供暖比以GSHP 为代表的集中式供暖能耗略小，单位能耗相差0.01 GJ/m2。

2）全室全时供暖模式弱化了集中式供暖的调控受限的缺点，集中式供暖凭借能效的优势，其供暖能耗小于分散式供暖。且随着纬度越高的城市，集中式供暖节能优势更明显。导致该分散与集中供暖能耗差异性的主要原因是各自系统调控性与能效水平的差异性。

3）与全室全时模式相比，分室分时供暖需求模式下分散和集中系统平均节能了38.8%和20.4%。无论是分散还是集中系统，同一地区分室分时供暖模式比全室全时供暖模式能耗明显要小。因此对于有分户计量要求的住宅建筑，宜采用分室分时供暖模式。