夏熱冬冷地區的節能住宅能耗分析

王 波，吳靜怡，王如竹

（1.上海交通大學機械與動力工程學院，上海 200240；2.上海交通大學制冷與低溫研究所，上海 200240）

0 引言

建筑用能是社會用能的重要組成部分，目前世界各國用于居住建筑的能源消耗占社會總能耗的比重已經達到16%～50%［1］，因此國外發達國家非常重視住宅節能，歐洲住宅節能技術的應用和推廣較早，尤其是德國和瑞典，建筑節能技術處于領先地位。隨著我國居民生活水平的提高，近年來我國建筑用能也快速增加，與本世紀初相比目前的建筑用能已翻了一番［2］，我國建筑用能的能效較低，建筑節能已經成為我國發展低碳經濟戰略的重要組成部分。

本文將討論民用住宅的節能，住宅能耗主要包括采暖、空調、通風系統（HVAC）、照明、生活熱水、炊事及其他家用電器等的用能，其中HVAC系統所消耗的能耗約占整個住宅能耗的60%以上［3］，因此節能住宅的設計應該立足于建筑結構和采暖空調等建筑設備的有機結合。

Zhao Yang等利用DOE-2軟件比較分析了中國南方夏熱冬暖地區及北方寒冷地區的建筑改造的節能效果［4］；Hua Chen等分析了香港地區住宅使用水冷式空調替代風冷式空調的可行性與住宅節能潛力［5］；Jinlong Ouyang等建立了LCC模型，并分析了的各項節能技術在中國不同氣候地區使用中的經濟性［6］。對于我國的夏熱冬冷地區冬季需要采暖夏季需要空調，除了必須提高住宅圍護結構的保溫性與氣密性外，還必須選用高效的HVAC系統減少建筑物的能耗；例如采用變制冷劑流量（Variable Refrigerant Flow，VRF）多聯機空調與全熱交換器（Heat Recovery Ventilation，HRV），是降低該地區住宅HVAC系統能耗的有效有段。

本文將以上海某智能公寓為例，建立住宅建筑模型與HVAC系統模型，比較新型節能住宅圍護結構與傳統住宅圍護結構對住宅負荷及全年空調能耗的影響，以及HRV的節能效果。

1 研究方法與模型介紹

本文采用的新型節能住宅模型為上海交通大學綠色能源實驗樓內的智能公寓。上海交通大學綠色能源實驗樓是通過美國的LEED認證，并獲得銀牌的綠色節能建筑，整棟建筑為鋼框架結構，圍護外墻為外保溫幕墻系統。智能公寓位于實驗樓頂層（3層），建筑面積為59.4 m2，長9 m，寬6.6 m，高3 m，其南立面、西立面及北立面為外墻，東立面和地面與其他實驗室相鄰。住宅布局如圖1。

圖1 實驗住宅布局

新型節能住宅的外墻及屋頂經過外保溫處理，窗戶玻璃采用雙層Low-E玻璃，智能公寓的外圍護結構及其熱工性能見表1。

住宅采暖和制冷均用VRF變頻多聯機，新風由全熱交換器HRV引入。住宅內使用的VRF多聯機室外機為Panasonic CU-ME36B01，額定制冷量10.0 k W，額定制熱量11.2 k W；室內機Panasonic包括客廳CS-ME16D0A01和臥室CS-ME9D0A01，額定制冷COP為2.79，額定制熱COP為3.47。采用的HRV全熱交換器為Panasonic FY-150ZDY3NH，送風量150 m3／h，輸入功率88 W。

模擬分析采用的是目前國際最流行的建筑全能耗分析軟件EnergyPlus，該軟件采用集成同步的負荷、系統和設備結構，結合真實的氣象數據、輸入的建筑情況（建筑結構、圍護結構材料、暖通空調系統及設備、室內人員活動規律、照明電器情況）和室內設計溫度值，可以動態地計算建筑的全年能耗，計算結果精確。

表1 節能住宅外圍護結構及其熱工性能

VRF空調系統的建模是利用EnergyPlus中已有的空冷式DX（direct expansion直接膨脹式）盤管充當室內機，其特征曲線使用VRV室內機的性能曲線進行替代，從而建立虛擬的室外機與室內機關系。用于描述DX盤管制冷工況的性能曲線共有五條：制冷量與溫度變化關系修正曲線；制冷量與空氣流量關系修正曲線，能量輸入比與溫度變化修正曲線；能量輸入比與空氣流量關系修正曲線；部分負荷系數曲線。HRV的建模是利用在Energy Plus中已有的HRV模塊，只需要輸入HRV在100%空氣流量和75%空氣流量時全熱交換器的顯熱與潛熱交換效率。VRF性能曲線與HRV潛顯熱效率可從Panasonic提供的機組資料查取。

EnergyPlus軟件沒有集成上海市的室外氣象數據，為了反映上海市的室外氣候，本文將采用典型設計日條件進行建筑負荷的模擬仿真，并采用典型氣象年條件對建筑物全年HVAC系統能耗的模擬仿真。模擬過程中，室內設備及照明功率分別為7 W／m2和15 W／m2，人員設定為2人，建筑自然滲透風為每小時0.5次。由于住宅的使用特點與辦公建筑的使用特點正好相反，HVAC系統的工作日運行時間為18：00次日8：00，休息日全天運行。上海市工程建筑設計規范《居住建筑節能設計標準》（DGJ08-205-2011）中，對居住建筑的圍護結構、采暖空調設備、通風換氣均有更為嚴格的標準和要求。根據該標準，采用建筑物的采暖、空調年計算耗電量為建筑物的節能綜合指標，采暖期為12月1日到次年2月28號，空調期為6月15日到8月31號。冬季、夏季室內設計溫度分別為20℃和26℃。

2 模擬結果的分析

模擬工作分別對該建筑采用的節能建筑外圍護結構和使用全熱交換通風的節能效果進行分析，這些節能效果可以體現在住宅負荷及全年空調用能的模擬結果，以及通風設備用電能耗進行模擬結果中。作為比較對象，傳統住宅常見的外墻為240粘土磚墻，屋面為架空屋面，窗戶為單層玻璃鋼窗，其中240粘土磚墻的傳熱系數為1.96 W／（m2· K），架空屋面的傳熱系數為1.54 W／（m2·K），單層玻璃鋼窗的傳熱系數為5.78 W／（m2·K）。空調和采暖系統采用與新型節能住宅相同的VRF變頻空調系統。

2.1 提高外圍護結構性能的節能效果

新型節能住宅的外墻及屋頂經過外保溫處理，窗戶玻璃采用雙層Low-E玻璃，建筑的保溫性能有很大提高，因此建筑的制冷采暖負荷也發生變化。我國最新《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》（GB 50736-2012）限定了居住建筑的通風換氣量，最小換氣次數為每小時1.0次。因此在引入150 m3／h自然新風的前提下，對這種住宅和傳統住宅的典型設計日負荷進行模擬，當夏季設計日室外溫度設定在28.1～33.6℃之間波動時，全天的冷負荷模擬結果如圖2。

圖2 節能住宅與傳統住宅的負荷對比（夏季設計日）

由圖2可以看出，作為對比的傳統住宅，制冷負荷為7 325 W，空調負荷為123.3 W／m2；節能住宅的制冷負荷僅為5 275 W，空調負荷88.8 W／m2。因此采用新型節能建筑材料后建筑物的保溫性能提高，空調負荷明顯減少。

給定冬季設計日的室外溫度為4.9℃，假設恒定不變，通過模擬可以得到傳統住宅的采暖負荷為5 963 W左右；節能住宅的采暖負荷為4 131 W左右。采暖耗電從2 308 k Wh減少到1 902 k Wh。全年空調耗電比較如圖3所示。

圖3 節能住宅與傳統住宅的全年空調耗電對比

由圖3可以看出，新型節能住宅和傳統住宅的全年空調用電能耗分別為3 910.9 k Wh和4 671.5 k Wh；與傳統住宅相比，新型節能住宅全年空調總耗電減少16.3%；其中制冷耗電減少15.0%，采暖耗電減少17.6%，表明提升外圍護結構保溫性能，冬季采暖期的節能效果更顯著。

2.2 全熱交換通風的節能效果

直接的自然通風會損失乏氣的熱能，增加空調的能耗。HRV是新風與回風之間進行熱濕交換，相當于是對新風的預處理，夏季對新風降溫除濕，冬季對新風加熱加濕。因此，HRV的使用必然會使得室內空調的制冷／采暖需求減少，從而降低了空調的能耗。以新型節能住宅為研究對象，在保證相同通風量的前提下，對自然通風和全熱交換通風情況下空調的用電能耗進行模擬比較，模擬結果如圖4。

從圖4可以看出，全熱交換通風情況下，空調全年耗電為3276 k Wh，與自然通風相比，引入HRV后全年耗電降低了16.2%，其中制冷耗電降低了13.8%，采暖耗電降低了18.9%。與提高建筑物的外圍護結構保溫性能同樣，冬季采暖工況下HRV的節能效果更好，其原因是冬季室內外的平均溫差較夏季大，因而新風與回風之間的熱交換量較大。

圖4 自然通風與全熱交換通風下全年空調能耗對比

3 結論

本文采用建筑能耗模擬軟件EnergyPlus建立了上海地區新型節能住宅與傳統住宅的典型建筑模型，通過對模型的模擬分析，比較了新型節能住宅與傳統住宅的負荷、全年空調能耗，分析了HRV的節能效果，得出以下結果：

1）在上海的氣候條件下（夏熱冬冷地區），采用高保溫性能外圍護結構的新型節能住宅的空調負荷明顯低于傳統住宅，因而相同建筑面積情況下，新型節能住宅可選用更小制冷量的空調機。與傳統住宅相比，新型節能住宅全年空調耗電量減少了16.3%，制冷耗電減少了15.0%，采暖耗電減少了17.6%，冬季采暖工況下節能效果更佳。

2）HRV的使用，也可以降低空調的能耗。與自然通風相比，引入HRV后全年空調耗電降低了16.2%，制冷耗電降低了13.8%，采暖耗電降低了18.9%。冬季采暖工況下HRV的節能效果更好。

［1］ Saidur R，Masjuki HH，Jamaluddin MY.An application of Energy and Exergy Analysis in Residential Sector of Malaysia［J］.Energy Policy，2007，35（2）：1050-63.

［2］ Zhou，N.，M.A.Mc Neil，and M.Levine.Energy for 500 Million Homes：Drivers and Outlook for Residential Energy Consumption in China［R］.US：Lawrence Berkeley National Laboratory，2009.

［3］ 王如竹.關于建筑物節能及復合能量系統的幾點思考［J］.太陽能學報，2002，23（3）：322-335.

［4］ Zhao Yang，Yan Zhao，Xiaoli Xu，Bingxian Zhai.Analysis and comparison of building energy saving reconstruction in hot summer and warm winter regions of South China and cold regions of North China［J］.Energy and Buildings.2012，54（1）：192-195.

［5］ Hua Chen，W.L.Lee and F.W.H.Yik.Applying water cooled air conditioners in residential buildings in Hong Kong.Energy Conversion and Management［J］.2008，49（6）：1416-1423.

［6］ Jinlong Ouyang，Jian Ge and Kazunori Hokao.Economic analysis of energy-saving renovation measures for urban existing residential buildings in China based on thermal simulation and site investigation［J］.Energy Policy.2009，37（1）：140-149.