公寓建筑全年能耗仿真及对比分析
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摘要:热湿独立处理空调系统是一种新兴的可以将空气温度和湿度分开处理的系统，其强除湿性及节能性对建筑节能具有重要意义。本文在建筑能耗仿真软件中建立了热湿独立处理空调系统，对其能耗进行了全年8760h的仿真并与分体式空调系统进行了对比。结果显示:在长江流域以南及沿海地区的热湿气候下溶液除湿空调系统最节能，在长江流域以北内陆地区的寒冷干燥气候下使用分体式空调更加节能，冷凝除湿再热过程是造成热湿气候下分体式空调能耗高的原因。
随着中国2020年9月提出2030年前实现碳达峰与2060年前实现碳中和的目标，对能源体系深入彻底的改革迫在眉睫［1］。2020年中国的碳排放总量为98．77亿t，相当于全球总碳排放量的30．7%［2］。有研究表明:如果在政策和节能技术的加速发展下，中国有望在2054—2058年实现碳中和，但是如果没有先进的节能技术及政策扶持，中国的碳中和可能会推迟至2061—2064年［3］。建筑行业的碳排放一直占中国碳排放的较大份额。根据中国建筑节能协会建筑能耗与碳排放数据专业委员会的统计数据，2019年全国建筑全过程碳排放总量为49．97亿tCO2，占全国碳排放的比重为49．97%，并且呈逐年上升的趋势［4］。在建筑中，空调能耗占比达到40%以上［5］，降低空调能耗对降低建筑能耗，实现碳中和具有重要意义。近年来，热湿独立处理空调尤其是转轮除湿空调和溶液除湿空调由于其除湿过程的节能性受到了广泛关注。本文将以中国公寓建筑为模型，使用EnergyPlus对两种新兴的热湿独立处理空调系统进行建模仿真，对比其在不同气候下的总体能耗表现及各个部件的能耗表现，并与常见的家用分体式空调进行了对比。
1建筑模型概况
本研究采用美国西北太平洋国家实验室(PNNL)发布的公寓建筑模型，如图1所示，公寓建筑总面积为7836．48m2，长宽比为2．75，共十层，无地下室，且每层的房屋布置相同。楼层剖面图如图2所示，每层由八个房间和一条走廊组成，每间房的面积为88．25m2，走廊面积为77．66m2，层高3．048m。表1显示了所选公寓建筑围护结构的U值，即多层围护结构热阻之和的倒数。U值越小，保温效果越好。图3显示了建筑内的各内热源的全天部分运行负荷比，0至1代表当前建筑内热源负荷占设定值的比例。在建筑中，人员被设定为每个房间2．5人，灯光和设备都被设定为3W/m2。
2热湿独立处理空调系统模型
2．1热湿独立处理空调系统回路
基于前文选择的公寓建筑模型，为建筑内的每个房间进行温湿度控制。在建筑能耗仿真软件En-ergyPlus中建立热湿独立处理空调系统，每层设立一个单独的中央回路热湿独立处理空调系统模型来对楼层内的每个房间进行温湿度控制。热湿独立处理空调系统回路模型如图4所示。如图4所示，每个热湿独立处理空调系统包括一个室内回路和一个室外回路。室内回路由新风箱、直膨式冷热盘管、风机和干燥剂单元除湿部分组成，负责将处理过的空气输送至室内。室外回路包括电加热的再生盘管、干燥剂单元的再生部分和风机，负责使用电加热室外空气对干燥剂进行再生。
2．2转轮除湿干燥剂单元
转轮除湿空调中干燥转轮被划分为除湿区和再生区，除湿区通过低温下干燥剂材料与空气中水蒸气分压力之差驱动干燥剂材料吸附水分以降低空气湿度，再生区通过加热空气提高空气中水蒸气分压力将水分吸收至空气中并排出室外。式中:T为温度，H为含湿量，U为风速，下标reg代表再生处，de代表除湿处，in代表入口，out代表出口，a和b为干燥剂单元的性能参数。在之前的研究中，KOSAＲ等人［6］已经将转轮除湿空调的性能曲线拟合，此公式被EnergyPlus引入并作为默认的干燥转轮性能值。本文将采用默认的转轮除湿干燥剂单元模型，其拟合参数如表2所示。
2．3溶液除湿干燥剂单元
溶液除湿空调和转轮除湿空调的工作原理相似，但溶液除湿空调使用吸湿性溶液作为液体干燥剂。除湿系统工作时通过喷淋填料塔与空气进行热质交换，其除湿部分和再生部分在两个不同的填料塔中分别进行，并且浓溶液和稀溶液分别储存在不同的储罐中。对于溶液除湿干燥剂单元的性能模型尚且缺乏，本文使用LIU等人［7］的传热传质有限元模型和YIN等人［8］的加热空气再生模型，建立了热空气再生的溶液除湿叉流填料塔模型，并由模型得到溶液除湿单元的空气进出口数据，基于2．2节的性能曲线公式经非线性拟合得出了溶液除湿干燥剂单元的性能曲线，其拟合参数如表3所示。
2．4空调系统全年运行仿真
对两种热湿独立处理空调系统建模完成后，设定房间的控制温度为24～26℃，控制相对湿度为50%以下。时间步长设置为15min，共模拟8760h，为了进行对比，在仿真时还加入了分体式空调系统。能耗结果将在下节进行具体分析。
3空调能耗对比分析
3．1炎热潮湿气候下的能耗对比
经过全年能耗仿真之后，将选取的炎热潮湿气候城市海口、香港、南昌和长沙汇总得出的结果如图5所示。从图中可以看出，在海口气候条件下，分体式空调系统能耗最高;在其他炎热潮湿气候区域下，转轮除湿空调的能耗最高;在选取的所有炎热潮湿地区气候下溶液除湿空调的能耗最低。在高湿地区的除湿负荷较大，温湿度独立处理空调在除湿过程中会较分体式空调更加有优势，但是转轮除湿空调在香港、南昌和长沙地区的能耗最高，为了探寻造成转轮除湿空调和分体式空调能耗较高的原因，对两个中国炎热潮湿典型城市海口和香港进行了空调各部件的能耗分析。如图6所示，在海口和香港这类高湿地区中，溶液除湿空调最节能。而造成这个现象的原因主要是分体式空调的再热能耗巨大，转轮除湿空调的再生能耗较高。在除湿机理上，分体式空调使用冷凝除湿，即将空气冷却至露点温度以下，水分析出，再将空气加热至合适的送风温度。由于电加热盘管的低效率和高品位冷热量的混合，此过程会浪费大量的能量。而对于转轮除湿空调，在运行过程中，会有连续不断冷热中和发生在转轮的除湿区和再生区交界处，造成转轮除湿空调的再生能耗较高。
3．2寒冷干燥气候下的能耗对比
将选取的寒冷干燥气候城市兰州、银川、拉萨和西宁得出的结果汇总如图7所示。从图中可以看出，在寒冷干燥气候下，分体式空调的能耗非常低，较热湿独立处理空调可节能一半以上。除在银川市转轮除湿空调能耗最高外，其他城市的溶液除湿空调能耗最高。图8展示了拉萨和西宁两个典型寒冷干燥地区的各空调系统部件的能耗对比情况。如图8所示，在拉萨和西宁两个典型的寒冷干燥气候下，湿负荷较低，导致热湿独立处理空调未能发挥除湿方面的能耗优势。热湿独立处理空调系统自身的热容较大，需要更多的制冷制热能耗来调节室内温度，分体式空调的电加热再热盘管主要作用是在冬季制热时进行电辅热以达到快速提高送风温度和弥补制热量不足的目的。图8中也显示了溶液除湿空调能耗大于转轮除湿空调的原因，即制冷和制热能耗均大于转轮除湿空调。除湿转轮在空调回路中虽然为除湿设备，但也可视作为全热回收器，对冷热量的回收也具有一定的效果，故能耗相对较低。
3．3中国低空调能耗区域划分
经过对中国大部分城市的能耗仿真，筛选出了每个城市在相同温湿度控制下的最低能耗的空调系统，并根据城市的经纬度坐标在地图上进行标记。同时基于以上数据分布的规律性，大致拟合了一条划分两种最低能耗空调系统的分割线。在上述拟合结果中，使用分体式空调最节能的城市主要分布在我国长江以北的内陆地区，这些地区的气候更加干燥，可以有效发挥分体式空调处理显热负荷的优势。而使用溶液除湿空调系统最节能的城市主要分布在沿海地区以及长江以南地区，这些区域的气候更加潮湿，湿负荷较大，在这些地区使用溶液除湿空调更加节能。
4结语
本文对使用热湿独立处理空调系统的中国公寓建筑模型进行了全年能耗模拟，并研究了关键因素对建筑空调系统能耗的影响，得出以下结论:(1)热湿地区使用溶液除湿空调系统更加节能，寒冷干燥地区使用分体式空调更加节能。(2)再热能耗是造成分体式空调在湿热地区能耗较高的主要原因。
作者：王寒 程清 单位：南京工业大学能源科学与工程学院