風(fēng)機(jī)盤管加新風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行節(jié)能分析

朱培根,何軼敏,劉長(zhǎng)俊,宋 樺,孔維同

1 前言

目前我國(guó)既有建筑中，僅有5%能夠達(dá)到建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)，其余95%均屬于高能耗建筑［1］，新建建筑也僅有不到20%的滿足節(jié)能要求［2］。我國(guó)空調(diào)高峰負(fù)荷早已超過(guò)4500萬(wàn)kW，這些能耗相當(dāng)于三峽電站滿負(fù)荷運(yùn)作時(shí)發(fā)電量的2.5倍［3］。我國(guó)大型公共建筑占總建筑面積的1.25%，但每年的耗電量約1000億度，其單位面積耗電量為住宅建筑單位面積耗電量的10~20倍［4］，大約50%~60% 的能耗消耗于空調(diào)系統(tǒng)［5，6］。因此，公共建筑高能耗是高耗能的空調(diào)系統(tǒng)導(dǎo)致的［7~10］。本文將以南京某機(jī)關(guān)辦公樓（該辦公樓采用風(fēng)機(jī)盤管加新風(fēng)系統(tǒng)的空調(diào)形式）為研究對(duì)象，對(duì)其空調(diào)系統(tǒng)多工況分區(qū)，并在此基礎(chǔ)上對(duì)空調(diào)系統(tǒng)在用電高峰時(shí)段的調(diào)峰措施進(jìn)行分析探討，為空調(diào)系統(tǒng)用電高峰時(shí)段的運(yùn)行控制提供可靠的調(diào)峰方案，為風(fēng)機(jī)盤管加新風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和工程實(shí)際提供理論支持，有利于減少空調(diào)系統(tǒng)的建設(shè)成本和系統(tǒng)的運(yùn)行及維護(hù)成本［11］。

2 風(fēng)機(jī)盤管加新風(fēng)系統(tǒng)多工況分區(qū)運(yùn)行方案

根據(jù)室內(nèi)溫濕度設(shè)計(jì)參數(shù)以及室外新風(fēng)所承擔(dān)的室內(nèi)負(fù)荷情況確定該空調(diào)系統(tǒng)的新風(fēng)處理方案—新風(fēng)終狀態(tài)的含濕量等于室內(nèi)空氣含濕量［12-13］。該新風(fēng)處理方案下空調(diào)系統(tǒng)的新風(fēng)處理過(guò)程如圖1所示。從圖1可以看出，該新風(fēng)終狀態(tài)與室內(nèi)含濕量相等且溫度低于室內(nèi)，故新風(fēng)將承擔(dān)部分室內(nèi)顯熱負(fù)荷。

圖1 新風(fēng)處理過(guò)程

新風(fēng)通過(guò)冷卻除濕被處理到與室內(nèi)空氣含濕量相同的狀態(tài)，此時(shí)新風(fēng)帶入室內(nèi)的濕負(fù)荷為零，新風(fēng)終狀態(tài)溫度低于室內(nèi)空氣溫度，故新風(fēng)承擔(dān)部分室內(nèi)顯熱負(fù)荷，風(fēng)機(jī)盤管承擔(dān)室內(nèi)全部濕負(fù)荷及其余顯熱負(fù)荷，該新風(fēng)處理方案下空調(diào)系統(tǒng)的空氣處理過(guò)程如圖2所示。

圖2 空氣處理過(guò)程

根據(jù)室內(nèi)溫濕度要求以及新風(fēng)處理方案，將室外新風(fēng)進(jìn)行分區(qū)，如圖3所示。

圖3 室外氣象參數(shù)分區(qū)

R1，R2，R3，R4組成的區(qū)間為室內(nèi)參數(shù)允許范圍，其中 R1（t=28 ℃，φ=70%），R3（t=18 ℃，φ=30%）。S1，S2是室內(nèi)狀態(tài)參數(shù)為 R1，R3時(shí)，且不考慮新風(fēng)帶入負(fù)荷時(shí)對(duì)應(yīng)的送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)。

根據(jù)圖1~3可知，各分區(qū)的室外氣象參數(shù)范圍為：

Ⅰ區(qū)：t>26 ℃，d ≤ 17.90 g/kg；Ⅱ區(qū)：10 ℃ ≤t≤ 26 ℃，d<17.90 g/kg；Ⅲ區(qū)：t<10 ℃，d ≤ 2.73 g/kg；Ⅳ區(qū)：t<10 ℃，2.73 g/kg 17.90 g/kg。

3 運(yùn)行控制方案模擬

利用DEST能耗模擬軟件對(duì)多工況分區(qū)運(yùn)行方案和初始運(yùn)行方案（空調(diào)運(yùn)行不根據(jù)室外氣象參數(shù)分區(qū)多工況運(yùn)行）分別進(jìn)行模擬，將這2種方案分別稱為優(yōu)化方案和原始方案［14］。原始方案空調(diào)系統(tǒng)全年運(yùn)行時(shí)間遠(yuǎn)大于優(yōu)化方案的空調(diào)系統(tǒng)全年運(yùn)行時(shí)間，在室外新風(fēng)直接送入室內(nèi)即可滿足室內(nèi)溫濕度要求的情況下原始運(yùn)行方案依舊開(kāi)啟空調(diào)系統(tǒng)，對(duì)新風(fēng)和室內(nèi)空氣進(jìn)行了不必要的處理，造成空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間增加和不必要的能源浪費(fèi)。對(duì)2種不同運(yùn)行方案進(jìn)行比較，其2種運(yùn)行工況的空調(diào)全年耗電量比較和空調(diào)系統(tǒng)滿意度比較如圖4，5所示。

圖4 原始方案與優(yōu)化方案空調(diào)系統(tǒng)全年能耗比較

圖5 原始方案與優(yōu)化方案空調(diào)系統(tǒng)滿意度比較

從圖4，5可以看出，優(yōu)化方案的空調(diào)系統(tǒng)各項(xiàng)耗電量均小于原始方案對(duì)應(yīng)的耗電量，且優(yōu)化方案空調(diào)系統(tǒng)所對(duì)應(yīng)的全年滿意小時(shí)數(shù)較高。分析能耗模擬得到的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，風(fēng)機(jī)盤管加新風(fēng)系統(tǒng)多工況分區(qū)運(yùn)行方案全年可節(jié)省的空調(diào)耗電量為171807.9 kW·h，其節(jié)能效率為30.21%。

4 運(yùn)行控制方案調(diào)峰效果研究

已知在優(yōu)化運(yùn)行方案中設(shè)置的部分參數(shù)為：辦公室的人均新風(fēng)量為30 m3/h；室內(nèi)空調(diào)允許溫度范圍為18~28 ℃；空調(diào)系統(tǒng)的送風(fēng)允許溫度范圍為10~26 ℃?？紤]到室內(nèi)人員對(duì)舒適度的要求有一定的波動(dòng)范圍，調(diào)峰方案有以下4種：

方案1：控制其他參數(shù)不變，調(diào)整辦公室人均新風(fēng)量。

方案2：控制其他參數(shù)不變，調(diào)整室內(nèi)空調(diào)允許溫度范圍。

方案3：控制其他參數(shù)不變，調(diào)整空調(diào)系統(tǒng)的送風(fēng)允許溫度范圍。

方案4：以上3個(gè)方案相互疊加、共同作用。

4.1 調(diào)峰方案1

隨著新風(fēng)量的減小新風(fēng)負(fù)荷會(huì)隨之降低，模擬結(jié)果僅取高峰時(shí)間段內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。其高峰時(shí)段不同人均新風(fēng)量對(duì)應(yīng)的空調(diào)能耗和在優(yōu)化方案基礎(chǔ)上的調(diào)峰百分比如圖6，7所示。從圖6，7可以看出，在空調(diào)系統(tǒng)用電高峰時(shí)間段內(nèi)，減少辦公室人均新風(fēng)量能明顯的降低空調(diào)系統(tǒng)高峰能耗。在26~28 m3/h之間圖中曲線出現(xiàn)非線性變化是因?yàn)殡S著人均新風(fēng)量的增大，空調(diào)系統(tǒng)處理新風(fēng)的負(fù)荷增大，冷卻水塔的冷卻水量需要開(kāi)啟補(bǔ)水泵補(bǔ)水才能滿足要求。

圖6 不同人均新風(fēng)量對(duì)應(yīng)的空調(diào)耗電量

圖7 不同人均新風(fēng)量對(duì)應(yīng)的調(diào)峰百分比

空調(diào)系統(tǒng)的相關(guān)規(guī)范中規(guī)定，空調(diào)系統(tǒng)的人均新風(fēng)量不得小于20 m3/h，因此該調(diào)峰方案中人均新風(fēng)量為20 m3/h時(shí)其調(diào)峰效果最佳，對(duì)應(yīng)的高峰時(shí)段耗電量為32022.06 kW，相比于優(yōu)化方案其節(jié)能百分比為14.94%。

4.2 調(diào)峰方案2

用電高峰時(shí)段出現(xiàn)在夏季，辦公室空調(diào)允許溫度最大值大小對(duì)空調(diào)能耗的影響大于空調(diào)溫度最小值大小，其高峰時(shí)段辦公室空調(diào)溫度最大值不同取值對(duì)應(yīng)的空調(diào)能耗和在優(yōu)化方案基礎(chǔ)上的調(diào)峰百分比如圖8，9所示。從圖8，9可以看出，在空調(diào)系統(tǒng)高峰用電時(shí)間段內(nèi)，將辦公室空調(diào)溫度范圍的最大值增大可以降低空調(diào)系統(tǒng)高峰能耗，故高峰時(shí)段空調(diào)系統(tǒng)的室內(nèi)空調(diào)溫度范圍的最大值越大，其節(jié)能及調(diào)峰效果越明顯。但考慮到室內(nèi)人員的舒適性，空調(diào)溫度最大值不宜超過(guò)30 ℃。其對(duì)應(yīng)的高峰時(shí)段能耗為35215.99 kW，相比于優(yōu)化方案其節(jié)能百分比為6.46%，節(jié)能效果和調(diào)峰能力有限。

圖8 空調(diào)溫度最大值不同取值對(duì)應(yīng)的空調(diào)能耗

圖9 空調(diào)溫度最大值不同取值對(duì)應(yīng)的調(diào)峰百分比

4.3 調(diào)峰方案3

由于用電高峰時(shí)段出現(xiàn)在夏季，空調(diào)系統(tǒng)送風(fēng)溫度的最大值的大小對(duì)空調(diào)能耗的影響小于送風(fēng)溫度最小值的大小，且夏季送風(fēng)溫度范圍的最小值越大空調(diào)系統(tǒng)越節(jié)能。高峰時(shí)段空調(diào)送風(fēng)溫度最小值不同取值對(duì)應(yīng)的空調(diào)能耗和在優(yōu)化方案基礎(chǔ)上的調(diào)峰百分比如圖10，11所示。

圖10 空調(diào)送風(fēng)溫度最小值對(duì)應(yīng)的空調(diào)能耗

圖11 空調(diào)送風(fēng)溫度最小值對(duì)應(yīng)的節(jié)能百分比

從圖10，11可以看出，在空調(diào)系統(tǒng)高峰用電時(shí)間段內(nèi)，將空調(diào)送風(fēng)溫度范圍的最小值增大可以降低空調(diào)系統(tǒng)高峰能耗，故高峰時(shí)段空調(diào)系統(tǒng)的室內(nèi)空調(diào)送風(fēng)溫度范圍的最小值越大，其節(jié)能及調(diào)峰效果越明顯。但從空氣處理的滿意度來(lái)看，當(dāng)送風(fēng)溫度范圍的最小值大于18 ℃以后，直接影響人員熱舒適性，故該調(diào)峰方案中空調(diào)送風(fēng)溫度范圍的最小值為18 ℃時(shí)空調(diào)系統(tǒng)最節(jié)能。其對(duì)應(yīng)的高峰時(shí)段能耗為30678.34 kW，相比于優(yōu)化方案其節(jié)能百分比為10.17%。

4.4 調(diào)峰方案4

在優(yōu)化方案的模型基礎(chǔ)上，將人均新風(fēng)量、辦公室空調(diào)溫度范圍、空調(diào)送風(fēng)溫度范圍均考慮在內(nèi)，分析其三者在高峰時(shí)段對(duì)空調(diào)系統(tǒng)能耗的共同作用。以方案1、方案2和方案3已確定的最優(yōu)調(diào)峰工況點(diǎn)為基礎(chǔ)，取其自身及附近的2個(gè)工況點(diǎn)為研究對(duì)象，模擬工況減少為27個(gè)，其高峰時(shí)段不同參數(shù)條件對(duì)應(yīng)的空調(diào)能耗和在優(yōu)化方案基礎(chǔ)上的調(diào)峰百分比如圖12，13所示。

圖12 各工況對(duì)應(yīng)的空調(diào)能耗

圖13 各工況對(duì)應(yīng)的調(diào)峰百分比

從圖12，13可以看出，通過(guò)對(duì)比各工況的空調(diào)能耗和調(diào)峰百分比，可知在滿足夏季空調(diào)室內(nèi)人均新風(fēng)量不應(yīng)小于20 m3/h，且室內(nèi)環(huán)境在人體舒適度范圍內(nèi)（即空調(diào)溫度不高于30 ℃、送風(fēng)溫度不高于18 ℃），其高峰時(shí)刻空調(diào)能耗最?。ㄕ{(diào)峰百分比最大）的工況為工況14，即人均新風(fēng)量為20 m3/h、辦公室空調(diào)允許溫度范圍為18~30 ℃、空調(diào)送風(fēng)溫度范圍為18~26 ℃，其對(duì)應(yīng)的高峰時(shí)段空調(diào)能耗為27855 kW，調(diào)峰百分比為18.44%。

綜上所述，本文提出的4種調(diào)峰方案中各方案對(duì)應(yīng)最大的調(diào)峰百分比如圖14所示。

圖14 各方案調(diào)峰百分比

從圖14可以看出，調(diào)峰方案四可以使該辦公樓的空調(diào)系統(tǒng)在高峰用電時(shí)段內(nèi)能耗在優(yōu)化方案的基礎(chǔ)上降低18.44%，具有較好的調(diào)峰能力，因此該方案可作為空調(diào)系統(tǒng)高峰用電時(shí)段的調(diào)峰策略，以便最大程度的降低高峰能耗。

5 結(jié)論

（1）本文以南京某辦公樓的風(fēng)機(jī)盤管加新風(fēng)形式空調(diào)系統(tǒng)為研究對(duì)象，確定出滿足空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求的新風(fēng)處理方案—新風(fēng)處理的終狀態(tài)點(diǎn)在室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)等濕度線上；并將室外氣象參數(shù)分為5個(gè)區(qū)。

（2）在確定空調(diào)系統(tǒng)分區(qū)運(yùn)行的方案后，對(duì)其兩種方案的能耗模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，得到結(jié)論，優(yōu)化運(yùn)行方案比原始運(yùn)行方案全年節(jié)約能耗30.21%。

（3）在優(yōu)化運(yùn)行方案基礎(chǔ)上，對(duì)用電高峰時(shí)段的調(diào)峰措施進(jìn)行了研究，用電高峰時(shí)段將室內(nèi)人均新風(fēng)量降低到20 m3/h時(shí)，空調(diào)能耗節(jié)省14.94%；用電高峰時(shí)段空調(diào)溫度范圍最大值增大到30℃時(shí)，空調(diào)可以保證室內(nèi)人員舒適性，且空調(diào)節(jié)能能耗6.46%；用電高峰時(shí)段空調(diào)系統(tǒng)送風(fēng)溫度范圍最小值增大到18 ℃時(shí)，空調(diào)能耗節(jié)省10.17%；用電高峰時(shí)段同時(shí)調(diào)節(jié)人均新風(fēng)量、空調(diào)溫度、送風(fēng)溫度時(shí)，在保證室內(nèi)舒適性的前提下，空調(diào)系統(tǒng)能耗最大可節(jié)省18.44%。

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