綜合辦公建筑中水環熱泵空調系統的節能性分析

張慶華

（上海中建建筑設計院有限公司，上海 200122）

能源危機是21世紀各國關注的焦點之一，而節約能源則是解決能源危機的關鍵。我國作為能源消耗大國，有著巨大的節約能源空間，其中綜合辦公建筑是探索能源節約的重要目標。根據統計數據顯示，我國既有綜合辦公建筑的95 %、新建綜合辦公建筑的80 %以上都是高耗能建筑。綜合辦公建筑中不可或缺的暖通系統占據建筑能耗中65 %以上。水環熱泵空調系統于20世紀80年代初，在我國的一些建筑物中開始應用，至今已有近40年，作為熱泵技術的革新和升級，采用熱回收技術，將建筑物內區余熱收集并利用，因此對于有內區與外區的大中型建筑物、具有同時供冷及供熱需求的場合，具有良好的節能性，目前已經成為應用較為廣泛的建筑空調形式。但由于目前缺乏系統性的節能性和適應性研究作為應用指導，水環熱泵空調系統在我國各地區的應用中存在諸多問題。因此，研究水環熱泵空調系統的節能性具有重要價值和意義。

謝彪等人研究了水環熱泵空調系統在辦公建筑的應用效果，認為水環熱泵空調系統在辦公建筑節能方面具有巨大潛力。然而水環熱泵技術在我國還不成熟，缺乏足夠的研究支撐，尤其是在不同氣候地區應用水環熱泵空調系統的節能性認識不足，制約了水環熱泵技術在我國的推廣。為明確水環熱泵空調系統在我國不同氣候地區的節能性和適應性，該文以烏魯木齊、北京、哈爾濱、長沙、深圳5個城市的綜合辦公建筑為模型，采用建筑能耗模擬軟件eQUEST進行精確模擬分析。

1 建筑物參數

1.1 氣候分區與代表性城市

由于我國幅員遼闊，氣候分區較多，為方便分析，根據我國氣候分區特點選取代表性城市進行分析研究。我國的氣候分區主要分為嚴寒地區A區、嚴寒地區C區、寒冷地區、夏熱冬冷地區和夏熱冬暖地區，其相對應的城市分別是哈爾濱、烏魯木齊、北京、長沙、深圳。

1.2 建筑形式

除了地理位置之外，建筑形式也是影響水環熱泵空調系統節能性的一個重要因素。在同一地區的不同建筑中使用水環熱泵空調系統的節能效果是不同的。該文選取的建筑能耗分析模型為綜合辦公建筑，建筑共16層，為內外分區的綜合性辦公場所，其內外區的面積比為0.2。該建筑模型的總建筑面積為14 282 m2，其中一層為大廳、會議室、多功能廳等，樓層高為4.4 m，建筑面積766 m2；2～16層為辦公區域，設計樓層高為3.3 m，建筑面積13 516 m2。

1.3 空調房間室內環境參數

建筑模型的空調房間室內環境參數設置見表1。

表1 空調房間室內環境參數

1.4 建筑物圍護結構熱工性能

根據氣候分區不同，建筑物圍護結構的熱工性能參數有所不同。在進行能耗分析時，按照GB50189—2015《公共建筑節能設計標準》中規定的建筑圍護結構熱工參數，選取不同城市的熱工參數，見表2。

表2 不同城市建筑結構熱工參數

2 水環熱泵空調系統設計

2.1 水環熱泵空調系統建立

水環熱泵空調系統的工作原理如下：機組制熱時，以水循環系統中的水為加熱源；機組制冷時，則以水為排熱源。當水環熱泵空調系統制熱運行的吸熱量小于制冷運行的放熱量時，循環環路中的水溫度升高，到一定程度時利用冷卻塔釋放多余熱量；反之循環環路中的水溫度降低，到一定程度時通過輔助加熱設備供熱。當同一空調系統中機組制熱運行的吸熱量和制冷運行的放熱量基本相等時，循環環路中的水才能維持在一定溫度范圍內，此時系統高效運行。

水環熱泵空調系統的能耗主要是熱泵機組、空調循環水泵、冷卻塔。在eQUEST軟件中，對水環熱泵空調系統的設計均采用默認值，但是為精確分析研究，該文對建筑模型下的空調系統參數進行自定義，輔助熱源鍋爐、冷卻塔、循環水泵、板式換熱器均為1臺；對循環水系統設計變流量控制，達到節能減耗效果。

2.2 空調系統冷熱能耗設置

水環熱泵空調系統的熱源主要是輔助加熱設備，其能耗計算公式如下：

其中，P為加熱源設備裝機容量（kW）；Q為建筑所需補充的熱量（kW）；C為水環熱泵空調系統平均供熱（kW），該數據由廠家提供數據為依據，根據使用經驗，該文選取C=4.4。此外設置冷卻塔進出水和循環水溫度分別如下：哈爾濱：冷卻塔進出水溫度33 ℃/28 ℃，最低循環水溫8 ℃，最高循環水溫33 ℃；烏魯木齊：冷卻塔進出水溫度33 ℃/28 ℃，最低循環水溫8 ℃，最高循環水溫33 ℃；北京：冷卻塔進出水溫度35 ℃/30 ℃，最低循環水溫10 ℃，最高循環水溫35 ℃；長沙：冷卻塔進出水溫度37 ℃/32 ℃，最低循環水溫12 ℃，最高循環水溫37 ℃；深圳：冷卻塔進出水溫度37 ℃/32 ℃，最低循環水溫12 ℃，最高循環水溫37℃。

3 能耗模擬結果

采用eQUEST建筑能耗分析軟件對建立5個代表性城市的建筑模型進行精確分析研究，得到5個代表性城市采用水環熱泵空調系統與常規空調系統的能耗和耗氣量對比數據，見表3。

結合以上模擬分析的結果，水環熱泵空調系統具有一定節能性，但需要滿足這個條件：地區適用性。北京地區是較為適宜水環熱泵空調系統應用的地區，哈爾濱地區在一些適合建筑模型中可以有一定的節能效果，而深圳地區不適宜設置水環熱泵空調系統，因為該文所選用的幾個模型地區分別代表了我國的4個典型的氣候分區，這樣就可以判定在我國寒冷地區為最適宜水環熱泵空調系統應用的地區，夏熱冬暖地區不適宜應用水環熱泵空調系統。

4 結論

該文通過使用建筑能耗分析軟件eQUEST模擬分析5個代表性城市的綜合辦公建筑能耗，結果表明采用水環熱泵空調系統的節能效果明顯優于常規空調系統。軟件模擬數據顯示，嚴寒地區的哈爾濱、烏魯木齊的主要能耗在于室內加熱，其耗氣量較大；寒冷地區的北京，主要能耗在于室內制冷，耗氣量居中；夏熱冬冷地區的長沙，主要能耗在于制冷，耗氣量約為北京地區的50 %；夏熱冬暖地區的深圳主要能耗在于制冷，耗氣量較低。通過與常規空調系統的能耗對比發現，使用水環熱泵空調系統的能耗節省在10 %以上，節能效果顯著。

表3 能耗模擬分析結果

水環熱泵系統的節能優越性體現在：建筑同時有供冷、供熱負荷時，系統能夠在環路內實現熱平衡，減少冷卻塔和輔助加熱設備的能耗。為進一步改善水環熱泵空調系統的節能效果，建議在3個方面優化改進。1）選擇高效的空調機組。水環熱泵空調系統主要耗能部分是空調機組，因此通過選擇高效的空調機組，可有利于提高水環熱泵空調系統的節能效果。2）選擇合適的循環水系統冷熱源。水環熱泵空調系統的循環水系統是另一耗能環節，根據辦公建筑特色，合理選擇冷熱源，如地下水、廢熱、閉式冷卻塔、開式冷卻塔等，提高水環熱泵空調系統熱回收能力。3）合理設置循環水溫度范圍。根據日常使用需要設定合理的循環水溫度，有利于降低水環熱泵空調系統的能耗。根據工程實踐，通常將循環水溫度設置在15 ℃～35 ℃最佳，既能保證水環熱泵空調系統使用，又能維持最優能耗。

綜上所述，水環熱泵空調系統在我國各氣候分區的適用性均較好，其節能效果明顯優于常規空調系統。為改善綜合辦公建筑的節能效果，水環熱泵空調系統值得廣泛推廣和應用。