李慧星，张然，冯国会，黄凯良，曹炽洪，刘馨

（1．沈阳建筑大学，沈阳110168;2．中国建筑科学研究院，北京100013）

 [摘要]严寒地区超低能耗建筑暖通空调节能系统设计以沈阳建筑大学中德节能示范中心为例，它集成多项严寒地区建筑节能技术与可再生能源综合利用技术，同时具有工程案例示范和科技研发功能。围绕建筑光伏光热利用、地源／空气源热泵、高效储能设备、系统控制、经济性评价等方面进行了研究。系统每年节省运行费用2. 67万元，投资回收期为5.62 a，性能明显优于常规地热泵系统。

 [关键词]超低能耗；相变储能；双源热泵；性能系数

O  引言

 地源热泵和空气源热泵都是目前较为常见的空调系统冷热源形式，但是受到建筑物所在地的气候环境和场地影响，地源热泵和空气源热泵都存在一些局限性，在广大严寒地区，冬季室外全天温度均低于- 15℃，然而目前鲜有能够在的- 15℃以下仍能够高效工作的空气源热泵机组。本课题研究的严寒地区超低能耗建筑暖通空调节能系统，其采用地埋管换热的地源热泵系统需要根据建筑的冬夏的累计空调负荷，设计辅助热源维持土壤的热平衡，保障系统能够长期稳定运行。本示范中心的空调冷热源系统将空气源和地源两种热源有机结合，并辅助相变蓄热技术，优化能源应用比例，降低建筑运行费用。

1  建筑概况

该超低能耗建筑位于辽宁省沈阳市，是一座集办公展示于一体的公共建筑，2015年5月正式竣工运行（见图1）。内设展厅、会议室、客房及其它功能用房。总建筑面积1 600. 71 m2，建筑地上二层，地下一层，其中：地下一层面积为563. 24 m2，包括设备用房、报告厅、和辅助用房；一层面积为563. 24m2：包括会议室、展厅、客房、接待室等；二层面积为447. 41 m2：包括开敞式办公室、智能控制设备用房、建筑能耗监测用房等。

 该建筑坚持绿色设计，绿色施工为原则，建筑外形采用简单的方块造型，尽量减小建筑体形系数，避免建筑过多热损失，并加入光伏幕墙技术、地道风、建筑热回收等多项节能技术措施。充分利用太阳能、地热能等可再生能源，大大地降低化石能源消耗。建筑采用了高效外围护结构保温技术措施，使其传热系数达到0.1  W/( m2．K)；在建筑西南外墙设有憎水岩棉和光伏幕墙设施，能够在光伏板发电的同时回收其光照余热，实现太阳能光热一光电双效利用，结合相变蓄能技术更加合理利用能源。

2室内外设计参数

2.1  室外设计参数

 沈阳属于严寒地区B区，夏季空调：室外干球温度t。= 31.4℃，室外湿球温度空t。。=25.4aC，室外平均风速w。=2.9 m/s，冬季室外供暖计算温度为- 16.8℃，相对湿度沙。=64%，室外平均风速v。=3.1 m/s。

2.2室内设计参数

根据建筑内部各个房间的不同功能，设定了相应的温湿度指标，详见表1。

3负荷计算及系统设计

3.1  负荷计算

 对建筑负荷进行计算，空调设计冷负荷为31kW，冷指标为19. 38 W/m2，供暖设计热负荷为14.4kW，热指标为8.99 kW。利用能耗分析软件对建筑全年的能耗进行了分析。得出夏季总耗冷量为37 063.5 kW*h，冬季供暖总耗热量为24 852.3 kW-h。

3.2冷热源系统节能设计

 根据能耗分析结果，匹配其负荷特性，系统主机选用两台空气源一地源双源热泵，该机型产品为空调厂家为中德节能中心专门定制的产品。机组型号一大一小，灵活控制，便于调节，并能实现备用。在空调季节初期和末期，采用小机组为建筑供冷，适时切换大机组，使机组尽可能满负荷运行，实现运行节能，具体详见表2。

3.3  相变蓄热装置设计

 相变蓄热装置是利用相变蓄能材料在相变过程中吸收和放出的潜热而温度不变的特性实现蓄热和放热功能的。本系统设有相变蓄热水箱设计容积为6 m 3，水箱规格为2 m xl.5 mx2 m以46≠}石蜡为相变材料，石蜡的相变焓为218 kj/kg，相变温度为46℃。水箱中有石蜡采用DN 70 304不锈钢管封装，石蜡总质量为792 kg，占整个水箱体积的15%，水箱的有效蓄热量为493 650 kJ(137.12 kW．h)，水箱蓄热能力略大于夜间所需供热量，白天阳光充足时，吸收光伏幕墙空腔内空气热量，一边为建筑供暖，一边将热量蓄存在水箱中，使相变材料融化；建筑夜间依靠相变水箱供热，热泵机组关机，达到节能目的。相变蓄热装蓄热充足后可满足建筑冬季夜间9.5 h的供热需求。

3.4 PV/T系统设计

 传统硅光太阳能电池板只能将热能转化为电能，光一电的转化效率仅为10 010左右，有将近90%的能量没有得到有效的利用，随着太阳的照射，会在光伏板上产生巨大的热堆积，使光电转化工况恶化，每升高1℃效率将下降0. 5%而低于10%。PV/T技术即PV/Tremble技术，是在Trembe墙的玻璃盖板的背面贴上光伏电池就构成了新型的带有光伏电池的Trombe墙，即“PV -Trombe墙”。它解决了传统Trombe墙功能单一的缺陷，在发电的同时，冬季可以向室内供暖，夏季可以降低室内冷负荷，还降低了光伏电池表面的温度。

与PV/T装置结合的双源热泵可以吸收太阳能装置的热量为建筑供暖，令空气源热泵在严寒地区冬季也能够正常启动（见图2）。同时以双源热泵的空气源作为建筑的辅助热源能够有效的改善。常规的空气源热泵直接与大气相同，在我国广大严寒地区的冬季由于室外温度过低通常无法使用。

 在这个建筑中，将经过PV/T墙加热的空气引至地下室双源热泵的蒸发器中，作为冬季供暖的主要热源。晴朗的白天，太阳光照充足，这时让空气源满负荷运行，吸取热量，将全天供暖所需的热负荷全部制取出来，储存在蓄热水箱中，待到夜晚没有太阳时，再将热量释放出来，以满足建筑的供暖需求。假使太阳能不能满足建筑的供暖负荷时，系统转换为土壤源热泵工况。这种空气源+土壤源的双源热泵工况能够充分的保证供暖需求的后备性。

3.5末端系统设计

 整个建筑采用双管同程式空调水系统空气源一地源双源热泵系统，冷热水采用一次变频循环泵，根据空调负荷的变换实现运行节能。冬季采用地面辐射供暖系统为建筑供暖，夏季采用风机盘管装置为建筑供冷，保证建筑有舒适的室内环境。其中风机盘管系统采用三速开关自动控制；地热盘管的分集水器位置设置有电动两通阀，通过供回水温差对阀门开度进行调节，保证室内温度舒适，防止能源浪费。

3.6通风系统节能设计

 整个建筑设置有集中的新风系统和排风热回收系统。建筑没有设置单独的新风机组，而是通过地下设置的通道对新风进行预处理，一般在夏季地道表面温度可以达到15℃，可以实现新风的降温除湿，实现夏季免费冷气；在冬季，室外接近-20 0C的空气同样经过15℃地道预热，冬季再通过排风全热回收装置，综合回收效率达到75%。

4  运行策略

 根据建筑本身特性和空调系统特点，完成了一整套符合其运行特点的控制策略。控制系统通过对光伏幕墙空腔温度、地道风温度、水箱温度和回水温度决定机组工况和整个空调系统水泵、风机的启停、以及相关的阀门的开闭。

系统冬季供热时，共有3种工况：工况1，机组供热+水箱蓄热；工况2，水箱直接供热模式；工况3，机组直接供热3种模式。每1种工况都需要控制12个阀门以及根据光伏幕墙空腔温度、水箱温度和回水温度进行运行模式的切换以实现不同的供暖模式。

 系统夏季制冷时，控制12个阀门以及根据地道风温度和回水温度以实现制冷机组的开、停和机组的切换。

5经济性分析

5.1系统运行费用统计

根据沈阳当地气象条件相关资料，确定了机组的启停工况和运行时间。沈阳地区冬季供暖季从第一年11月1日开始至第二年3月31日止，共计152 d，其中12月20日至2月3日，共计45 d采用严寒模式运行，供暖期开始后15 d和结束前15 d采用温暖策略，其他时间采用常规策略。夏季供冷的总时间为92 d，高峰策略20 d，平时策略72 d，按工作时间统计其运行耗电量。并且统计了各个设备运转时的用电量。

 建筑热源机房耗年电量为：75  234. 45  kW - h/a，点位面积空调年耗电量为47.02 kW．h/m2。相变水箱全年累计供热582 h，相当于代替机组运转节省耗电量3899.4 kW-h。冬季可节省用电费用约1 950元。

 经过相关计算地道风全年减少新风冷负荷5883.49 kW-h，减小机组装机容量15 kW，整个制冷季节省运行费用2 000元，冬季新风经过地道风后进入热回收机组，机组回余热回收效率可以达到75%，减少新风机组装机容量30 kW，供暖季节省运行费用3 500元。PV/T装置全年发电量为38 649 kW -h，折合电费1.93万元。合全年各项运行费用，本套系统每年较常规地源热泵系统节省运行费用约2. 67万元。

5.2初投资分析

系统采用了双源热泵机组，一机双用，而设备单价仅比同功率地源热泵机组价格高15 %。通过地道风技术，相变蓄热技术，余热回收技术等减少了机组的装机容量和地埋管数量，详细对比见下表。

 本系统投资为53万元，常规地源热泵系统初投资为38万元，增加初投资15万元，静态投资回收期为5. 62 a，系统按25 a寿命计算，可节省总投资51. 75万元。

6结论

 中德节能示范中心暖通空调节能系统将相变储能技术与太阳能集热技术结合，提高了太阳能供暖稳定性。与常规地源热泵系统相比，系统减少了装机功率，增加了地道风装置，PV/T装置，相变蓄热装置和余热回收装置，总投资增加l5万元，但运行费用减少了2. 67万元，静态系统投资回收期为5.62 a年，预计系统寿命为25 a，期间可节省总投资51. 75万元，具有非常高的示范意义和推广价值。