文章简介：单户住宅各种空调方案的能耗分析
摘要： 选择烟台地区一典型单户住宅，对其进行了动态负荷计算。提出了八种空调方案，计算并分析比较了各方案的能耗，为单户住宅的空调方案选择提供了参考。
关键词： 单户住宅 空调方案 能耗
随着经济的发展，单户住宅（包括别墅式住宅）得到迅速的发展。
特别在沿海发达地区的小城镇，这类建筑更是随处可见。随着人民生活水平的提高，对居住条件的要求也愈来愈高。在我国纬度30°～40°地区的气候，要求稍高的住宅不仅夏季有空调供冷，冬季也需有采暖。如何采用合理的全年空调方案以降低能耗，也成为人们关注的一个问题。本文对几种可行的单户住宅空调方案进行了全年的能耗分析比较。
1 典型住宅和冷热负荷
选择烟台地区典型单户住宅作为研究对象，建筑平面图见图1，建筑共两层，建筑面积330m2。房间包括客厅、卧室、餐厅、厨房、书房、卫生间，其中楼梯间、走廊、卫生间和厨房不考虑空气调节。图1 建筑平面图
利用清华大学环境控制系统模拟分析工具包（DeSTⅡ），计算出该建筑逐时负荷，最大热负荷为15.92kW，最大冷负荷为13.23kW。
2 空调方案确定与能耗计算方法
根据单户住宅空调负荷部分负荷率高的特点，在考虑了对太阳能及地下水资源的利用后，提出近期几种可行的空调方案，分析其全年能耗。
2.1 方案1－太阳能地板采暖+房间空调器系统
夏季用房间空调器供冷，冬季用太阳能供暖（地板采暖系统）。当有太阳辐射热时，集热器工作,向建筑供热,多余热量蓄存于蓄热水箱中,不足热量由辅助热源补充。当没有太阳辐射时，用蓄热水箱供暖，不足热量由辅助热源补充。
经计算，该建筑需真空管式太阳能集热器面积共85m2，蓄热水箱取每m2集热器面积50升[1]， 则容积为4.2m3。辅助热源为161GO小型壁挂式燃气炉，供热量是18.6kW，热效率85%。夏季时采用房间空调器进行供冷，每个房间装设一台海尔空调机，型号选择从KFR-25G到KFR-58G，性能系数COP平均为2.6。
冬季太阳能集热器的集热量与集热器进口水温有关，而用户对供水温度也有要求，故蓄热水箱考虑分层蓄水、取水。该系统耗能设备有燃气炉、水泵和房间空调器。燃气炉耗能量根据补充不足热量计算，水泵能耗为消耗功率与运行时间的乘积，房间空调器的每运行时刻的能耗为该时刻消耗功率与运行时间的乘积，累加即得供冷季总能耗。
2.2 方案2－燃气锅炉+房间空调器系统
夏季用房间空调器供冷，冬季采用燃气锅炉供应85℃热水，末端采用散热器采暖。选用与方案1相同的小型壁挂式燃气炉；夏季仍然采用海尔空调机。
耗能设备为燃气锅炉、水泵和房间空调器。在整个采暖季热负荷已知的条件下，根据燃气锅炉的热效率，即可得到能耗；水泵和房间空调器能耗计算方法同上。
2.3 方案3－电热水锅炉+蓄热器+房间空调器
夏季采用房间空调器供冷，冬季采用电热水锅炉+蓄热器系统供暖。该系统可利用夜间低谷电，本文采用三种运行模式：同时蓄热与供热、释热、锅炉单独供热。锅炉只在“谷时段”和“平时段”运行，即在这两时段进行蓄热、供热运行。选择CWDR0.03-95/70型电热水锅炉，电功率30kW，热效率98%；蓄热器容积为6.3m3。夏季仍然采用海尔空调机。
该系统耗能设备有电热水锅炉、水泵和房间空调器。电热水锅炉能耗根据采暖负荷即可确定，为计算能耗费用采用了分时段计算能耗。水泵和房间空调器的能耗计算方法同前。
2.4 方案4－热泵型变制冷剂流量系统（VRV系统）
夏季按风冷式空调器运行，冬季按空气-空气热泵运行。根据夏季制冷工况进行设备选择，室内机根据各房间最大冷负荷选择，型号为FXYC20KVE和FXYC25KVE；室外机根据室内机的容量系数确定为大金的RSXY5K，名义制冷量为14kW，制热量为16kW。全负荷时COP冬季为3.04（室外7℃），夏季为2.3（室外35℃）。
能耗设备为室外机和室内机。机组具有良好的部分负荷性能，由样本可回归得到冬、夏不同部分负荷率和不同室外温度下的COP值，室外机耗电量由每时刻冷热负荷除该时刻和该负荷率下的COP并累积得到；并考虑了除霜损失。室内机能耗按运行时间进行累积。
2.5 方案5－风冷式热泵型冷热水机组为冷热源的系统
夏季按风冷式冷水机组运行，供应7～12℃冷冻水，冬季按空气源热泵运行，供应40～50℃热水。该系统热泵机组选用约克小型冷热水机组，型号YCAC-H-PACK15，名义制冷量为13.9kW，制热量为16.5kW，机组自带循环水泵，并带有一个50升的水箱；冬季辅助热源选用了DR-3电加热器，功率3kW；末端采用风机盘管，型号从02到06。机组停开控制，冬、夏停/开温度分别为55/40℃、4/12℃。
该系统的耗能设备有热泵机组、辅助热源、水泵和风机盘管。热泵机组能耗与室外温度和水侧的温度有关，为此首先根据样本回归得到了冬、夏机组的特性（制热量、制冷量、耗功率），然后考虑了系统蓄热（系统总水容量170kg）条件，模拟计算了每个时刻系统的水温，并根据机组特性计算该时刻的能耗，最后累计得到机组的总能耗，并考虑了除霜损失。水泵能耗计算同前，辅助热源根据各时刻的不足热量即可累计得到电功率。风机盘管能耗为平均耗功量与运行时间的乘积。
2.6 方案6－太阳能热源水-水热泵系统
该系统的太阳能收集系统同方案1。水-水热泵机组在冬季按热泵运行，它从太阳能收集系统的蓄热水箱中取热，制出的热水供到房间中的末端设备（风机盘管），向房间供热，不足热量由辅助热源补充。在夏季，热泵按制冷运行（由四通阀换向），冷凝器放出的热量通过冷却塔排到室外。太阳能集热系统只用于用户的热水供应。热泵机组按停开控制，冬夏停/开温度分别为49/40℃、4/12℃。为避免机组频繁启动，在系统回水管路中，连接一个容积为0.4m3的水箱，以增大系统的容水量，本系统太阳能集热面积为58m2，蓄热水箱容积为3m3。水-水热泵机组为WP036-070冷热水机组，风机盘管选择同方案5。辅助热源为小型壁挂式燃气炉，型号同方案1。
该系统耗能设备为热泵机组、风机盘管、辅助热源和水泵。水-水热泵机组的冬季能耗与低位热源（太阳能）的温度及热水温度有关，而夏季能耗与室外湿球温度及冷冻水温度有关。为此，根据样本回归了热泵制热量与耗功率随两侧水温变化的特性，夏季制冷量、耗功率随室外湿球温度和冷冻水温度的特性。与方案5一样需确定任一时刻系统冷冻水或热水的温度，太阳能集热系统中的蓄热水箱较小，难于分层计算，近似的模拟出水箱中两层（上层热、下层冷）的水温。从而根据机组两侧温度的变化再计算任一时刻的能耗并累加。其他设备的能耗与上述方案中相同设备一样进行计算。
2.7 方案7－地下水热源水-水热泵系统
在该地区，地下水温度约在13℃左右，这种温度的水在湿负荷不大的住宅中可直接用作冷源。经计算，风机盘管在13℃水温下处理过程的热湿比约为23000kJ/kg，可满足一般房间热湿比的要求。由于水温稍高，所选用的风机盘管型号要大一些。本方案在夏季由深井泵将地下水直接送到风机盘管中应用，回水回灌到另一口井中；冬季从夏季的回灌井中由深井泵取水，作水-水热泵的低位热源，使用后的水回灌到夏季的取水井中。这样夏季可获得较低温度的水，而冬季获得较高温度的水。本方案有两口井，井深20米，取水量为4.2m3/h；水-水热泵机组选择同方案6。热泵机组冬季运行时制热量及耗功率只与热水侧温度有关，机组也是停开控制（停开温度为49/40℃）。用方案6相类似的方案计算冬季功率；深井泵、风机盘管能耗计算方法同前。
2.8 方案8－直燃式溴化锂吸收式冷热水机组+风机盘管系统
采暖季和供冷季由直燃式溴化锂吸收式冷热水机组给风机盘管提供热水和冷水。本方案选用远大BCT16的小型直燃式溴化锂吸收式冷热水机组，名义制冷量和制热量均为16kW，额定耗气量冬季为1.8m3/h夏季为1.5m3/h，额定耗电量冬季为0.4kW，夏季为1.0kW。该机组自带冷热水的循环水泵和小型冷却塔。
系统的耗能设备是冷热水机组和风机盘管。冷热水机组具有良好的部分负荷性能，其任一时刻的耗电量和耗气量与部分负荷率的关系由样本得到，按任一时刻的负荷即可计算出能耗，累加即可得到全年能耗。风机盘管耗电量计算方法同前。
3 能耗结果及分析
各个方案均使用清华DeSTⅡ软件计算出逐时刻的负荷，再根据上节所述的能耗计算方法，计算各时刻的能耗（电功率消耗、燃气耗量），再进行累加即得到各方案冬季、夏季以及全年的能耗。由于各系统所消耗的能源种类不同，这里把它们都转化成一次能源和标准煤的消耗量，来进行比较分析。为了更直观起见，以较普通的方案2作基准计算各方案的相对值。能耗计算结果见表1，由表1可见：
（1）冬季，方案1的太阳能地板辐射采暖能耗最小，仅是燃气炉采暖（方案2）的48.5%，它的能耗主要是辅助热源消耗的。方案3的电热水锅炉采暖系统，由于消耗高品位能源（电能）而成为能耗最大的方案。方案8的直燃式溴化锂吸收式冷热水机组的系统，冬季运行相当于燃气炉，故它的能耗与方案2接近；由于空调末端设备用了风机盘管，而方案2用散热器，因此方案8的能耗略大于方案2。方案4～7都是热泵型机组的空调系统，各方案能耗相差无几，其中方案4、5的空气源热泵稍大一些。
表1 各方案能耗统计
方案序号 夏季能耗 冬季能耗 全年能耗
标准煤(kg) 相对值 标准煤(kg) 相对值 标准煤(kg) 相对值
1 1361 1.000 1367 0.485 2728 0.653
2 1361 1.000 2817 1.000 4178 1.000
3 1361 1.000 8386 2.977 9747 2.333
4 983 0.722 3341 1.186 4324 1.035
5 1546 1.136 3326 1.181 4872 1.166
6 1467 1.078 2965 1.053 4432 1.061
7 632 0.464 3005 1.067 3637 0.871
8 1211 0.890 2912 1.034 4123 0.987
（2）夏季，方案7的地下水直供冷方案最节能，它仅为方案2（常规的房间空调器）能耗的46.4%，当然随着井深的增加能耗会增加。方案4（VRV系统）由于有良好的部分负荷特性，因此也明显优于方案2。方案8的小型直燃式机组的空调方案也比方案2要节能。方案5和方案6分别是风冷和水冷的冷水机组供冷方案，对于用于大型建筑中的大型机组，它们具有较高的性能系数，通常是优于采用分散式的房间空调器。但在单户住宅中使用的小型机组，其性能系数小，如方案5的风冷机组在额定工况下的制冷性能系数为2.88，而且还不包括冷冻水泵的功耗；小型水泵目前国内无低扬程的泵可选，只能选扬程比要求大1～3倍的泵，且它们的效率很低，一般仅30%～40%，且只要有负荷就必须运行、耗能；此外小型机只能用停开来调节，部分负荷特性也不优良，因此它们的运行能耗比额定工况下制冷性能系数为2.6的房间空调器还大。
（3）就全年能耗而言，利用可再生能源的方案1和方案7优于其他方案，尤其是方案1，它的能耗仅为方案2的65.3%。而使用电锅炉系统仍是所有方案中能耗最高的。以燃气为主要能源的方案（方案8和1）在单户住宅中应用也是能耗较少的方案。其他几个使用热泵的方案（方案4、5、6）全年能耗相差不多，均稍高于方案2，其原因是这类热泵机组、水泵等设备都是小型设备，能量效率都不高，大部分机组没有能量调节措施。
（4）利用可再生能源（太阳能和地下水）的方案应该说是值得推广的方案，尤其在太阳能或地下水资源丰富的地方，更值得提倡。但是太阳能的设备费很高，目前在推广中存在一定困难。方案6的太阳能热源水-水热泵方案，既采用了较贵的太阳能设备，系统也比较复杂，能耗方面也没有优势，因此不宜推广。方案3使用电锅炉的系统，从能耗来说肯定是最不合理的方案，因此只能用于当地电网峰谷差很大需要削峰填谷，且有充足电力的地区。方案4、5全年都消耗电能，能量消耗水平位于中间，是可以考虑应用的空调方案。在有燃气供应的地方，方案2和8是很好的单户住宅空调方案。
（5）本文以烟台地区的气象条件下进行的比较。对于北纬30°～40°的地区，气象条件不同，则负荷不同，各方案的全年能耗会有变化，而对夏季或冬季的能耗比较，可能相对关系基本接近。另外，本文各方案的比较，都是以选定的设备进行的，即使同一种设备，其性能会因不同生产厂家而不同，因此，改用其他设备其计算结果会有所差别
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