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）

0 引言

建筑用能是社会用能的重要组成部分，目前世界各国用于居住建筑的能源消耗占社会总能耗的比重已经达到16%～50%［1］，因此国外发达国家非常重视住宅节能，欧洲住宅节能技术的应用和推广较早，尤其是德国和瑞典，建筑节能技术处于领先地位。随着我国居民生活水平的提高，近年来我国建筑用能也快速增加，与本世纪初相比目前的建筑用能已翻了一番［2］，我国建筑用能的能效较低，建筑节能已经成为我国发展低碳经济战略的重要组成部分。

本文将讨论民用住宅的节能，住宅能耗主要包括采暖、空调、通风系统（HVAC）、照明、生活热水、炊事及其他家用电器等的用能，其中HVAC系统所消耗的能耗约占整个住宅能耗的60%以上［3］，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。

Zhao Yang等利用DOE-2软件比较分析了中国南方夏热冬暖地区及北方寒冷地区的建筑改造的节能效果［4］；Hua Chen等分析了香港地区住宅使用水冷式空调替代风冷式空调的可行性与住宅节能潜力［5］；Jinlong Ouyang等建立了LCC模型，并分析了的各项节能技术在中国不同气候地区使用中的经济性［6］。对于我国的夏热冬冷地区冬季需要采暖夏季需要空调，除了必须提高住宅围护结构的保温性与气密性外，还必须选用高效的HVAC系统减少建筑物的能耗；例如采用变制冷剂流量（Variable Refrigerant Flow，VRF）多联机空调与全热交换器（Heat Recovery Ventilation，HRV），是降低该地区住宅HVAC系统能耗的有效有段。

本文将以上海某智能公寓为例，建立住宅建筑模型与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 m2，长9 m，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 实验住宅布局

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-ME36B01，额定制冷量10.0 k W，额定制热量11.2 k W；室内机Panasonic包括客厅CS-ME16D0A01和卧室CS-ME9D0A01，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-150ZDY3NH，送风量150 m3／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。

表1 节能住宅外围护结构及其热工性能

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Energy Plus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／m2和15 W／m2，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系统的工作日运行时间为18：00次日8：00，休息日全天运行。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／（m2·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 m3／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℃之间波动时，全天的冷负荷模拟结果如图2。

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／m2；节能住宅的制冷负荷仅为5 275 W，空调负荷88.8 W／m2。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 k Wh减少到1 902 k Wh。全年空调耗电比较如图3所示。

图3 节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 k Wh和4 671.5 k Wh；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 k Wh，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%。与提高建筑物的外围护结构保温性能同样，冬季采暖工况下HRV的节能效果更好，其原因是冬季室内外的平均温差较夏季大，因而新风与回风之间的热交换量较大。

图4 自然通风与全热交换通风下全年空调能耗对比

3 结论

本文采用建筑能耗模拟软件EnergyPlus建立了上海地区新型节能住宅与传统住宅的典型建筑模型，通过对模型的模拟分析，比较了新型节能住宅与传统住宅的负荷、全年空调能耗，分析了HRV的节能效果，得出以下结果：

1）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新型节能住宅的空调负荷明显低于传统住宅，因而相同建筑面积情况下，新型节能住宅可选用更小制冷量的空调机。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%，制冷耗电减少了15.0%，采暖耗电减少了17.6%，冬季采暖工况下节能效果更佳。

2）HRV的使用，也可以降低空调的能耗。与自然通风相比，引入HRV后全年空调耗电降低了16.2%，制冷耗电降低了13.8%，采暖耗电降低了18.9%。冬季采暖工况下HRV的节能效果更好。

［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.关于建筑物节能及复合能量系统的几点思考［J］.太阳能学报，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.