近零能耗建筑地面辐射供暖末端设计参数优化

冯国会,王茜如,黄凯良,常莎莎,崔 航

(沈阳建筑大学市政与环境工程学院,辽宁 沈阳 110168)

在化石燃料消耗逐年增加的情况下，利用热泵供热可以减少一次能源的消耗[1-2]。地面辐射供暖系统以其供水温度低、热舒适性好、具有良好的蓄热性能等优点越来越受到用户的青睐[3-4]。地面辐射供暖的计算，主要就是确定盘管间距。在传统的施工设计中，地面辐射供暖工程应由专业人员依据国家现行规范与技术措施进行设计[5]。《地面辐射供暖施工手册》中列出了根据经验和实践总结的经验表格，可依据供水温度、室内设计温度、单位地面面积所需有效散热量查得盘管设计间距。近零能耗建筑的实现,设计是重要的环节[6]。各国在实现建筑近零能耗的技术路线上基本一致，都是先利用被动式设计降低建筑本体的能耗，如高性能的围护结构设计、良好的气密性能、断绝热桥等措施，其次再利用高效的能源系统进一步减少建筑的能源需求[7-9]。一系列技术手段使得近零能耗建筑的热负荷相比普通建筑降低很多，单位地面面积所需有效散热量低，超出经验表格的范围，因此现行的设计规范不再适用于近零能耗建筑。设计施工时，按普通建筑的经验选取盘管间距和供水温度，必然造成冬季室内温度过高，热舒适性差，能源系统能效偏低，能耗偏大等问题。鉴于此，笔者以沈阳市某近零能耗示范建筑为例，利用TRNSYS软件进行热负荷计算，模拟盘管间距和供水温度对室内温度、热舒适情况、热泵机组能效情况和能源系统总能耗的影响，优化近零能耗建筑地面辐射供暖末端设计参数。

1 近零能耗建筑热负荷特征分析

1.1 建筑概况

该近零能耗示范建筑位于辽宁省沈阳市，用地总面积为334.8 m2，是一座集办公、展示为一体的公共建筑。该建筑共两层，1层高3.3 m，包括示范房间1、展厅、厨房、卫生间、会客室、示范房间2、热泵设备机房和控制室；2层高3.6 m，包括办公室、卫生间和开敞办公区。

建筑主体结构为钢框架+现浇聚苯颗粒泡沫混凝土墙体，外墙传热系数为0.1 W/(m2·K)，采用先进的外门窗密闭技术，外窗传热系数为1.0 W/(m2·K)，气密性达到8级。窗墙比为：偏西侧0.09，偏南侧0.12，偏北侧0.12，偏东侧0.05，建筑外观图如图1所示。

图1 建筑外观图

1.2 热负荷计算分析

利用TRNBuild建立近零能耗建筑模型，根据建筑实际情况设置围护结构、内热源、渗透、新风等参数，由于末端设备采用地面辐射供暖末端，计算热负荷时室内计算温度的取值应比采用对流辐射供暖末端的室内计算温度低2 ℃[10]，建筑各房间供暖室内计算温度取值如表1所示。

表1 各房间供暖室内计算温度

利用TRNSYS软件建立负荷计算模型，模拟日期为11月1日至次年3月31日，时间7 296～10 920 h。供暖季逐时热负荷如图2所示。从图可以看出,该近零能耗建筑供暖季最大逐时热负荷出现1月16日，9 128 h，热负荷为11.19 kW。供暖季累计热负荷8 101.73 kW·h，供暖季热指标12.14 W/m2。与普通建筑相比，该近零能耗建筑围护结构传热系数低，气密性良好，供暖季累计热负荷较低，热指标较低。供暖季初期和末期由于室外温度较高，逐时热负荷较低，单位地面面积所需有效散热量较低。

图2 近零能耗建筑供暖季逐时热负荷

2 系统模型建立

2.1 系统热舒适评价指标

人体的热舒适性由人体和环境两方面综合影响，人体因素主要有衣着、活动量及个人体质等[11]；环境因素主要有温度、湿度、空气流速等。评价环境热舒适性的方法有热舒适图，热舒适性方程，PMV-PPD指标法等[12]，自20世纪70年代以来，国际上普遍采用Fanger基于人体热平衡方程式和ASHRAE七点标度得到的平均热感觉指数-预测不满意率(PMV-PPD)模型作为评价人体热舒适的指标[13]。PMV是基于1 396个受试者的热感觉投票结果分析提出的[14]，用于评价环境的热舒适性偏离热中性环境的程度，PPD是预测一组人中对给定的热环境感到不舒适的人数占全部人数的比例。笔者热舒适性评价采用PMV-PPD指标法。《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》(GB 50736—2012)根据我国实际情况制定了适合我国的PMV-PPD值(见表2)。

表2 不同热舒适等级对应的PMV、PPD值

2.2 能源系统模型

建筑负荷模型、末端装置系统、能源系统模型及相关循环控制模型由TRNSYS软件建立。TRNSYS全称为Transient System Simulation[15](瞬态系统模拟),最初利用TRNSYS模拟太阳能系统[16]，后期已开发更多模块。软件认为一个系统由若干个模块组成，一个模块实现某一特定的功能，因此，在对系统进行仿真模拟时，只要调用实现这些特定功能的模块，给定输入条件，就可以对系统进行模拟分析。图3为土壤源热泵结合地面辐射供暖末端系统运行流程图。

图3 能源系统运行流程图

3 结果与分析

3.1 末端设计参数对室内环境的影响

3.1.1 设计参数对热舒适的影响

以示范房间2作为典型房间，模拟在不控制土壤源热泵启停时，供水温度35 ℃、盘管间距200 mm的室内温度和热舒适情况。示范房间2供暖季逐时温度如图4所示。整个供暖季最低室内温度出现在9 128 h，为18.06 ℃，全年最高室内温度出现在10 915 h，达到28.14 ℃，全年平均温度为22.8 ℃。供暖初期和末期由于室外温度相对较高，室内温度偏高，整个供暖季逐时室内温度均高于设计温度。供暖季共3 624 h，其中412 h温度为18～20 ℃，1 120 h温度为20～22 ℃，892 h温度为22～24 ℃,1 200 h温度达到24 ℃以上。

图4 典型房间供暖季逐时温度

利用Type65c模块输出供暖季逐时PMV、PPD，整个供暖季PMV为-0.43～1.41，其中2 025 h为-0.5～0.5，1 174 h为0.5～1，PMV约有88.27%的时间为-1～1。整个供暖季PPD为5%～45.8%，PPD约有55%的时间小等于10%，90%的时间小等于27%，即达到Ⅱ级。热舒适性达不到Ⅱ级的时间全部集中在供暖初期和末期，此时人体热感觉较热。供暖季初期和末期由于室外温度相对较高，且近零能耗建筑密闭性优良，按普通建筑设计地面辐射供暖末端参数，会造成室内温度过高，热舒适性较差。

3.1.2 盘管间距对热舒适的影响

保持供水温度35 ℃，增大盘管间距至400 mm，输出供暖季逐时室内温度，供暖季最低室内温度出现在9 128 h，为17.3 ℃，最高室内温度出现在10 915 h，为27.68 ℃，全年平均温度为22.1 ℃，供暖季室内温度稍有降低，可以满足用户需求。

输出供暖季逐时PMV、PPD情况，整个供暖季PMV为-0.57～1.31，其中2 296 h为-0.5～0.5，1 116 h为0.5～1或-1～-0.5，PMV约有94.15%的时间为-1～1。整个供暖季PPD为5%～40.86%，PPD约有62.11%的时间小等于10%，95.17%的时间小等于27%。热舒适性达到Ⅱ级的时间有所增加，热舒适性有所提高。

3.1.3 供水温度对热舒适的影响

盘管间距不变，保持200 mm，降低供水温度至30 ℃，输出房间供暖季逐时温度，供暖季最低室内温度为15.2 ℃,最高室内温度为25.2 ℃，供暖季平均室内温度20.0 ℃，高于室内设计温度，整个供暖季仅有供暖中期24 h的室内温度低于16 ℃，可以满足用户对室内温度的需求。

输出30 ℃供水温度下供暖季逐时PMV、PPD，与35 ℃供水温度对比如图5所示。整个供暖季PMV为-0.94～0.86，100%的时间处于-1～1，其中2 481 h为-0.5～0.5。整个供暖季PPD为5～23.85%，均小等于27%，PPD值中约有66.23%的时间小等于10%。整个供暖季热舒适性均达到Ⅱ级以上，相比35 ℃供水温度，热舒适性提高，效果显著。

图5 不同供水温度的PMV、PPD值对比

3.2 供水温度对能源系统能耗的影响

3.2.1 控制策略

增加温度控制模块Type108对各房间室温分别进行控制，当所有房间温度均达到设定值时，水泵停止。只要有一个房间温度不达标，则负荷侧水泵启动，蓄热水泵和源侧水泵依然由水箱温度控制。优化控制策略后，各房间温度得到稳定的控制，还可以有效地减少能耗。供水温度35 ℃，盘管间距200 mm，不控制室温和控制室温后的系统能耗对比如图6所示。供暖季11月初至次年3月末共5个月，其中1月份水泵能耗和热泵能耗最大，系统总能耗最大。供暖季热泵能耗一直大于水泵能耗，当不控制室温时，整个供暖季水泵总能耗为1 035.63 kW·h，热泵总能耗为1 951.50 kW·h，能源系统总能耗为2 987.13 kW·h。增加室温控制后，供暖季水泵总能耗为845.10 kW·h，降低18.4%，热泵总能耗为1 454.98 kW·h，降低25.4%，能源系统总能耗为2 300.08 kW·h，降低687.05 kW·h，与优化控制策略前相比能源系统总能耗降低了23%。

图6 控制室温前后的供暖季系统能耗对比

3.2.2 供水温度对COP和能耗的影响

固定盘管间距为200 mm，对比供水温度45 ℃、40 ℃、35 ℃、30 ℃下土壤源热泵机组的COP和供暖季能源系统的能耗，图7为不同供水温度下土壤源热泵机组COP供暖季逐时变化情况。供水温度45 ℃时，供暖季平均COP为3.50；供水温度40 ℃时，供暖季平均COP为3.65；供水温度35 ℃时，供暖季平均COP为3.78；供水温度30 ℃时，供暖季平均COP为3.94。当供水温度降低至30 ℃，与45℃供水温度相比土壤源热泵能效提升12.57%。

图7 不同供水温度下热泵COP供暖季逐时变化情况

输出不同供水温度下的供暖季能耗情况如图8所示。当供水温度为45 ℃，40 ℃，35 ℃,30 ℃时，总能耗分别为2 375.3 kW·h,2 390.5 kW·h,2 300.1 kW·h,2 229.8 kW·h。降低供水温度，为维持室内温度和水箱设定温度，水泵启动时间增加，因此水泵总能耗逐渐增加，但由于土壤源热泵机组能耗逐渐降低，供水温度45 ℃和40 ℃时系统总能耗相差不多，降低供水温度至35 ℃、30 ℃，系统总能耗继续降低。当供水温度降低至30 ℃，与45 ℃供水温度相比能源系统总能耗降低145.5 kW·h，降低了6.13%。

图8 不同供水温度下供暖季能耗情况

3.3 盘管间距和供水温度的最优匹配模式

为确定盘管间距和供水温度之间的最优匹配模式，分别设置盘管间距为150 mm，200 mm，250 mm，300 mm，350 mm，400 mm；供水温度为25 ℃，30 ℃，35 ℃，40 ℃，45 ℃，输出供暖季PMV，各工况的模拟结果如图9所示。45 ℃供水温度，不同盘管间距下，人体热感觉均温暖；40 ℃供水温度，不同盘管间距下，人体热感觉均较温暖；25 ℃供水温度，不同盘管间距下，人体热感觉均较凉。盘管间距增大，PMV逐渐降低，但盘管间距对热舒适的影响没有供水温度影响显著(见图9)。当PMV为0时，人体热感觉适中，热舒适性达到最优，此时最佳供水温度出现在30～35 ℃。

图9 不同工况下供暖季PMV值

输出各工况下供暖季PPD，供水温度45 ℃时，增大盘管间距PPD降低，热舒适性提高，但增大盘管间距至400 mm，PPD为35.93%，热舒适性依然达不到Ⅱ级，供水温度40 ℃时，热舒适性相比45 ℃提高，但达不到Ⅰ级。供水温度25 ℃时，随着盘管间距增大，热舒适性降低，盘管间距100 mm时热舒适性依然达不到Ⅱ级。各盘管间距下PPD最小值均出现在30～35 ℃。因此设置盘管间距为150 mm，200 mm，250 mm，300 mm，350 mm，400 mm；供水温度为29 ℃，30 ℃，31 ℃，32 ℃，33 ℃，34 ℃，35 ℃，寻找以热舒适性最高为优化目标的盘管间距和供水温度最佳匹配模式。

输出各工况下PPD如图10所示，不同盘管间距，供水温度从29 ℃升高至35 ℃时，PPD均呈现先降低后升高的趋势，但不同供水温度下，盘管间距对PPD的影响不同，当供水温度为29～31 ℃，盘管间距增大，PPD增大，热舒适性降低；当供水温度为33 ℃至35 ℃，盘管间距增大，PPD降低，热舒适性提高；供水温度32 ℃时，盘管间距对PPD影响不大。最佳匹配模式为：150 mm、200 mm、250 mm盘管间距对应的最优供水温度为31 ℃，300 mm、350 mm盘管间距对应的最优供水温度为32℃，400 mm盘管间距对应的最优供水温度为33 ℃，此时热舒适性均能达到Ⅰ级。近零能耗建筑使用地面辐射供暖末端时，供水温度可降低为30～35 ℃，盘管间距可适当增大为300～400 mm。

图10 不同工况下供暖季PPD值

4 结 论

(1)近零能耗建筑利用土壤源热泵结合地面辐射供暖末端供热，当盘管间距200 mm，热泵供水温度35 ℃，典型房间供暖季初期和末期室温偏高，热舒适性稍差；增大盘管间距或降低供水温度可提高热舒适性。

(2)增加室温控制系统使水泵能耗降低18.4%，热泵能耗降低25.4%，系统总能耗降低687.05 kW·h，降低了23%。

(3)供水温度降低为30 ℃，相比45 ℃供水温度时热泵能效提升12.57%，总能耗降低145.5 kW·h。

(4)供水温度和盘管间距的最佳匹配模式为：150 mm、200 mm、250 mm盘管间距对应的最优供水温度为31 ℃，300 mm、350 mm盘管间距对应的最优供水温度为32 ℃，400 mm盘管间距对应的最优供水温度为33℃，此时热舒适性均能达到Ⅰ级。近零能耗建筑使用地面辐射供暖末端时，供水温度可降低为30～35 ℃，盘管间距可增大为300～400 mm，以达到提高建筑热舒适性，节能的效果。