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夏热冬冷地区的节能住宅能耗分析

来源:世旅网
124 电力与能源 第34卷第2期 2O13年4月 夏热冬冷地区的节能住宅能耗分析 王 波 ,吴静怡 ,王如竹 (1_上海交通大学机械与动力工程学院,上海 200240;2.上海交通大学制冷与低温研究所,上海 200240) 摘要:利用建筑能耗分析软件EnergyPlus建立了新型节能住宅与传统住宅的仿真模型,利用模型比较了夏 热冬冷地区节能住宅与传统住宅的负荷及全年空调耗电量,并分析了全热交换器(HRV)的节能效果。结果 表明,在上海的气候条件下(夏热冬冷地区),采用高保温性能外围护结构的节能住宅的空调负荷明显低于传 统住宅;与传统住宅相比,新型节能住宅全年空调耗电量减少了16.3 ;与自然通风相比,引入HRV后全年 空调耗电降低了16.2 ,冬季采暖工况下HRV的节能效果更好。 关键词:节能住宅;EnergyPlus;模拟;全热交换器 中图分类号:TU l11.4 文献标志码:A 文章编号:2095—1256(2013)02—0124—04 Performance Analysis of Energy-efficient Apartment in Hot Summer and Cold Winter Zone Wang Bo ,W Jingyi ,Wang Ruzhu (1.School of Mechanical and Power Engineering,Shanghai Jiaotong University,Shanghai 200240,China; 2.Institute of Refrigeration and Cryogenics,Shanghai Jiaotong University,Shanghai 200240,China.) Abstract:With EnergyPlus,the simulation model of new energy-efficient apartment and traditional apartment were built tO analyse air conditioning load and annual power consumption of the two apartments,and the energy saving effect of heat recovery ventilation(HRV).Simulation results showed that。in climate condition of Shanghai(hot summer and cold winter zone),the air conditioning load of new energy—efficient apartment with insulation building envelope was much lower than that of traditional apartment.Compared with traditional apartment,the annual power consumption of new energy-efficient apartment was reduced by 1 6.3 .And compared with normal ventilation,the annual energy saving rate by HRV was 16.2 ,while more energy was saved during winter than summer. Key words:Energy-efficient apartment;EnergyPlus;Simulation;Heat recovery ventilation O 引言 因此节能住宅的设计应该立足于建筑结构和采暖 空调等建筑设备的有机结合。 建筑用能是社会用能的重要组成部分,目前世 Zhao Yang等利用DOE-2软件比较分析了中国 界各国用于居住建筑的能源消耗占社会总能耗的 南方夏热冬暖地区及北方寒冷地区的建筑改造的节 比重已经达到16 ~5O 】],因此国外发达国家非 能效果¨4 ;Hua Chen等分析了香港地区住宅使用水 常重视住宅节能,欧洲住宅节能技术的应用和推广 冷式空调替代风冷式空调的可行性与住宅节能潜 较早,尤其是德国和瑞典,建筑节能技术处于领先 力L5 ;Jinlong Ouyang等建立了LCC模型,并分析了 地位。随着我国居民生活水平的提高,近年来我国 的各项节能技术在中国不同气候地区使用中的经济 建筑用能也快速增加,与本世纪初相比目前的建筑 性[6]。对于我国的夏热冬冷地区冬季需要采暖夏季 用能已翻了一番 ],我国建筑用能的能效较低,建 需要空调,除了必须提高住宅围护结构的保温性与 筑节能已经成为我国发展低碳经济战略的重要组 气密性外,还必须选用高效的HVAC系统减少建筑 成部分。 物的能耗;例如采用变制冷剂流量(Variable 本文将讨论民用住宅的节能,住宅能耗主要包 Refrigerant Flow,Ⅵ )多联机空调与全热交换器 括采暖、空调、通风系统(HVAC)、照明、生活热水、 (Heat Recovery Ventilation,HRV),是降低该地区住 炊事及其他家用电器等的用能,其中HVAC系统 宅HVAC系统能耗的有效有段。 所消耗的能耗约占整个住宅能耗的60 以上 ], 本文将以上海某智能公寓为例,建立住宅建 王波,等:夏热冬冷地区的节能住宅能耗分析 125 筑模型与HVAC系统模型,比较新型节能住宅围 护结构与传统住宅围护结构对住宅负荷及全年空 调能耗的影响,以及HRV的节能效果。 1研究方法与模型介绍 本文采用的新型节能住宅模型为上海交通大学 绿色能源实验楼内的智能公寓。上海交通大学绿色 能源实验楼是通过美国的LEED认证,并获得银牌 的绿色节能建筑,整栋建筑为钢框架结构,围护外墙 为外保温幕墙系统。智能公寓位于实验楼顶层(3 层),建筑面积为59.4 n12,长9 1TI,宽6.6 m,高3 m, 其南立面、西立面及北立面为外墙,东立面和地面与 其他实验室相邻。住宅布局如图1。 图1买验住宅布局 新型节能住宅的外墙及屋顶经过外保温处 理,窗户玻璃采用双层Low—E玻璃,智能公寓的 外围护结构及其热工性能见表1。 住宅采暖和制冷均用VRF变频多联机,新 风由全热交换器HRV引入。住宅内使用的 VRF多联机室外机为Panasonic CU—ME36Bo1, 额定制冷量10.0 kW,额定制热量11.2 kW;室内 机Panasonic包括客厅CS—ME16D0A01和卧室 CS—ME9DOA。 .额定制冷COP为2.79,额定制 热COP为3.47。采用的HRV全热交换器为 Panasonic FY一150ZDY3NH,送风量150 m。/h, 输入功率88 W。 模拟分析采用的是目前国际最流行的建筑全 能耗分析软件EnergyPlus,该软件采用集成同步 的负荷、系统和设备结构,结合真实的气象数据、 输入的建筑情况(建筑结构、围护结构材料、暖通 空调系统及设备、室内人员活动规律、照明电器情 表1 节能住宅外围护结构及其热工性能 结构 材料 厚度/ 传热系数/ (W・ri1 2・K ) 砂浆 5 外墙 挤塑板 2O 多孔粘土砖 19O 1.04 石灰砂浆 1O 石灰砂浆 1O 内墙 加气混凝土砌块 200 1.85 石灰砂浆 1O 钢筋混凝土 120 CI 7.5轻集料混凝土 45 地面 水泥砂浆 2O 2.25 泡沫塑料 4 复合木地板 12  ●硬泡聚氨酯 80 屋顶 水泥砂浆 2O 0.50 加气碎块混凝土 4O 钢筋混凝土 12O Low-E玻璃 6 窗户 空气层 96 2.25 Low—E玻璃 6 况)和室内设计温度值,可以动态地计算建筑的全 年能耗,计算结果精确。 VRF空调系统的建模是利用EnergyPlus中 已有的空冷式DX(direct expansion直接膨胀式) 盘管充当室内机,其特征曲线使用VRV室内机 的性能曲线进行替代,从而建立虚拟的室外机与 室内机关系。用于描述DX盘管制冷工况的性能 曲线共有五条:制冷量与温度变化关系修正曲 线;制冷量与空气流量关系修正曲线,能量输入比 与温度变化修正曲线;能量输入比与空气流量关 系修正曲线;部分负荷系数曲线。HRV的建模 是利用在EnergyPlus中已有的HRV模块,只需 要输入HRV在100%空气流量和75%空气流量 时全热交换器的显热与潜热交换效率。VRF性 能曲线与HRV潜显热效率可从Panasonic提供 的机组资料查取。 EnergyPlus软件没有集成上海市的室外气 象数据,为了反映上海市的室外气候,本文将采用 典型设计日条件进行建筑负荷的模拟仿真,并采 用典型气象年条件对建筑物全年HVAC系统能 耗的模拟仿真。模拟过程中,室内设备及照明功 率分别为7 W/m 和15 w/m ,人员设定为2人, 建筑自然渗透风为每小时0.5次。由于住宅的使 用特点与办公建筑的使用特点正好相反,HVAC 系统的工作Ft运行时间为18:()0次日8:O0,休息Ft 126 王 波,等:夏热冬冷地区的节能住宅能耗分析 全天运行。上海市工程建筑设计规范《居住建筑节 能设计标准》(DGJ08—205—2011)中,对居住建筑 的围护结构、采暖空调设备、通风换气均有更为严 格的标准和要求。根据该标准,采用建筑物的采 暖、空调年计算耗电量为建筑物的节能综合指标, 采暖期为12月1日到次年2月28号,空调期为6 月15日到8月31号。冬季、夏季室内设计温度分 别为20℃和26℃。 2模拟结果的分析 模拟工作分别对该建筑采用的节能建筑外围 护结构和使用全热交换通风的节能效果进行分析, 这些节能效果可以体现在住宅负荷及全年空调用 能的模拟结果,以及通风设备用电能耗进行模拟结 果中。作为比较对象,传统住宅常见的外墙为240 粘土砖墙,屋面为架空屋面,窗户为单层玻璃钢窗, 其中240粘土砖墙的传热系数为1.96 w/(m2・ K),架空屋面的传热系数为1.54 w/(m ・K),单 层玻璃钢窗的传热系数为5.78 W/(m2・K)。空 调和采暖系统采用与新型节能住宅相同的VRF变 频空调系统。 2.1 提高外围护结构性能的节能效果 新型节能住宅的外墙及屋顶经过外保温处 理,窗户玻璃采用双层Low—E玻璃,建筑的保温 性能有很大提高,因此建筑的制冷采暖负荷也发 生变化。我国最新《民用建筑供暖通风与空气调 节设计规范》(GB 50736—2012)限定了居住建筑 的通风换气量,最小换气次数为每小时1.0次。 因此在引入150 m。/h自然新风的前提下,对这种 住宅和传统住宅的典型设计日负荷进行模拟,当 夏季设计日室外温度设定在28.1~33.6 ̄C之间 波动时,全天的冷负荷模拟结果如图2。 乏 惶 磊 图2节能住宅与传统住宅的负荷对比(夏季设计日) 由图2可以看出,作为对比的传统住宅,制冷 负荷为7 325 W,空调负荷为123.3 w/m ;节能 住宅的制冷负荷仅为5 275 W,空调负荷88.8 w/ m 。因此采用新型节能建筑材料后建筑物的保 温性能提高,空调负荷明显减少。 给定冬季设计日的室外温度为4.9℃,假设恒 定不变,通过模拟可以得到传统住宅的采暖负荷为 5 963 W左右;节能住宅的采暖负荷为4 131 W左 右。采暖耗电从2 308 kWh减少到1 902 kWh。全 年空调耗电比较如图3所示。 . ≥ 犍 涩 睡 删 _剁3 能住宅与传统住宅的全年空调耗电对比 由图3可以看出,新型节能住宅和传统住宅 的全年空调用电能耗分别为3 910.9 kwh和 4 671.5 kWh;与传统住宅相比,新型节能住宅 全年空调总耗电减少16.3 ;其中制冷耗电减 少15.0 ,采暖耗电减少17.6 ,表明提升外 围护结构保温性能,冬季采暖期的节能效果更 显著。 2.2全热交换通风的节能效果 直接的自然通风会损失乏气的热能,增加空 调的能耗。HRV是新风与回风之间进行热湿交 换,相当于是对新风的预处理,夏季对新风降温除 湿,冬季对新风加热加湿。因此,HRV的使用必 然会使得室内空调的制冷/采暖需求减少,从而降 低了空调的能耗。以新型节能住宅为研究对象, 在保证相同通风量的前提下,对自然通风和全热 交换通风情况下空调的用电能耗进行模拟比较, 模拟结果如图4。 从图4可以看出,全热交换通风情况下,空调 全年耗电为3276 kwh,与自然通风相比,引入 HRV后全年耗电降低了16.2%,其中制冷耗电 降低了13.8 ,采暖耗电降低了18.9 9/6。与提高 建筑物的外围护结构保温性能同样,冬季采暖工 吣0王波,等:夏热冬冷地区的节能住宅能耗分析 127 与自然通风相比,引入HRV后全年空调耗电降 低了16.2 9/6,制冷耗电降低了l3.8 9/6,采暖耗电 降低了18.9 9/6。冬季采暖工况下HRV的节能效 果更好。 参考文献: [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.McNeil,and M.I.evine.Energy for 500 Million Homes:Drivers and Outlook for Residential Energy 图4 自然通风与全热交换通风下全年空调能耗对比 Consumption in China[R].US:Lawrence Berkeley 况下HRV的节能效果更好,其原因是冬季室内 National Laboratory,2009. [3] 王如竹.关于建筑物节能及复合能量系统的几点思考[J]. 外的平均温差较夏季大,因而新风与回风之间的 太阳能学报,2002,23(3):322—335. 热交换量较大。 [4]Zhao Yang,Yan Zhao,Xiaoli Xu,Bingxian Zhai.Analysis 3 结论 and comparison of buiMing energy saving reconstruction in hot summer and w3rm winter regions of South China and 本文采用建筑能耗模拟软件EnergyPlus建 cold regions of North China[J].Energy and Buildings. 立了上海地区新型节能住宅与传统住宅的典型建 2012,54(1):192—195. [5]Hua Chen,W.L.Lee and F.W.H.Yik.Applying water 筑模型,通过对模型的模拟分析,比较了新型节能 cooled air conditioners in residential buildings in Hong 住宅与传统住宅的负荷、全年空调能耗,分析了 Kong.Energy Conversion and Management[J].2008,49 HRV的节能效果,得出以下结果: (6):1416—1423. 1)在上海的气候条件下(夏热冬冷地区),采 [63 Jinlong Ouyang,Jian Ge and Kazunori Hokao.Economic 用高保温性能外围护结构的新型节能住宅的空调 analysis of energy—saving renovation measures for urban 负荷明显低于传统住宅,因而相同建筑面积情况 existing residential buildings in China based on thermal simulation and site investigation[J]. Energy Policy. 2009, 下,新型节能住宅可选用更小制冷量的空调机。与 37(1):14O一149. 传统住宅相比,新型节能住宅全年空调耗电量减少 收稿日期:2O13—02一O6 了16.3 ,制冷耗电减少了15.0 9/6,采暖耗电减少 作者简介:王 波(1988一),男,硕士研究生,从事家庭能源 了17.6%,冬季采暖工况下节能效果更佳。 管理与住宅节能技术。 2)HRV的使用,也可以降低空调的能耗。 (编辑:吴国梁) 我国第三代核电技术抗震标准已提至数百年一遇 据中国广播网2013年3月15日报道 日本福岛核事故2年来,我国在役核电站及自主设计的核 电安全标准水平得到了提升,在第二代核电站的改造当中采取了很多措施,安全标准是目前世界上最先进的。例如:针 对福岛严重事故后反应堆的余热导出和没有应急电源问题,我国对所有的核电站做了改进。福岛事件促使我们提高了 在役核电站的安全防范措施,还促使核电设计要充分考虑对超基准突发自然灾害的威胁,进一步提高核电安全标准。在 我国完全自主设计的第三代核电ACP1000的方案中,抗震标准已经提高到数百年一遇。对地震,现在设计已经提高到 0.3 G,那是比较大的地震了(普遍电站考虑0.2 G,相当于8级地震)。针对严重事故后反应堆的余热导出问题,我国 ACP1000采取了能动与非能动相结合的设计,使得反应堆堆芯溶解的概率大大降低。如果电源存在就用电源;如果没 有电源就用非能动的方式。出现事故后一回路在没有能动的情况下进行自然循环,二回路具有外部水箱使得一回路自 然循环的热能够自动带出去,维持运行72 h,并在ACP1000反应堆上方加装了1层冷却保障系统(超过2 000 m。的水 箱),给反应堆堆芯自然冷却。在不设任何电的干预情况下,使得它的堆芯一直保持不熔化的状态,防止了像福岛出现的 堆芯融化。 

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