建筑內(nèi)區(qū)利用過渡季及冬季氣候條件供冷分析

邊 毅簡煦根

（1.四川高地工程設(shè)計咨詢有限公司 成都 610041；2.四川眾恒建筑設(shè)計有限責(zé)任公司 成都 610072）

建筑內(nèi)區(qū)利用過渡季及冬季氣候條件供冷分析

邊 毅1簡煦根2

（1.四川高地工程設(shè)計咨詢有限公司 成都 610041；2.四川眾恒建筑設(shè)計有限責(zé)任公司 成都 610072）

建筑物內(nèi)區(qū)空調(diào)能耗已成為空調(diào)節(jié)能設(shè)計中不容忽視的問題?；诮⒌囊粋€建筑模型空間實例，計算并分析了可變新風(fēng)系統(tǒng)與固定新風(fēng)系統(tǒng)在不同設(shè)計送風(fēng)溫差、不同人員新風(fēng)量標(biāo)準(zhǔn)的工況下，利用過渡季及冬季氣候條件供冷的時間、全年供冷能耗與空調(diào)系統(tǒng)形式的關(guān)系。提出了利用過渡季及冬季氣候條件供冷設(shè)計程序，以及設(shè)計中應(yīng)注意的問題和遵循的方法。

建筑內(nèi)區(qū)；可變新風(fēng)系統(tǒng)；固定新風(fēng)系統(tǒng)；人員新風(fēng)量標(biāo)準(zhǔn)；空調(diào)能耗；送風(fēng)溫差

0 引言

我國建筑用能已超過全國能源消費(fèi)總量的1/4，并將隨著人民生活水平的提高逐步增加到1/3以上。在公共建筑的全年能耗中，大約50%～60%消耗于空調(diào)制冷與采暖系統(tǒng)。而空調(diào)冷熱源供應(yīng)系統(tǒng)的能耗又占整個空調(diào)、采暖系統(tǒng)的大部分[1]?，F(xiàn)階段我國建筑行業(yè)飛速發(fā)展，建筑體量越來越大，建筑內(nèi)區(qū)面積隨之增大。建筑內(nèi)區(qū)由于基本不受室外氣象的影響，一般常年均為冷負(fù)荷，需要全年供冷。在太陽輻射得熱大于外圍護(hù)結(jié)構(gòu)散熱或人員密集和內(nèi)部發(fā)熱量較大，圍護(hù)結(jié)構(gòu)散熱小于內(nèi)部發(fā)熱量的建筑外區(qū)空調(diào)房間，冬季也可能出現(xiàn)冷負(fù)荷。外圍護(hù)結(jié)構(gòu)特別是窗的熱工性能逐步改善之后，這種現(xiàn)象出現(xiàn)的概率大為增多[2]，這些房間冬季也需要供冷。因此，在過渡季節(jié)和冬季，減少人工制冷設(shè)備運(yùn)行時間，對建筑節(jié)能意義重大。

本文以常年供冷的內(nèi)區(qū)房間為例，從充分利用室外新風(fēng)，以及冷卻塔供冷兩個方面，分析內(nèi)區(qū)供冷的相關(guān)問題，為暖通空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計提供參考。

1 利用過渡季及冬季氣候條件供冷的判定參數(shù)及程序

建筑空調(diào)方式多樣，一般都以空氣和水為能量轉(zhuǎn)移載體。在過渡季節(jié)和冬季，室外新風(fēng)以及冷卻塔提供的冷水，也是供冷的能量轉(zhuǎn)移載體。其中新風(fēng)是消耗能源最少的供冷載體，而冷卻塔在室外較低的濕球溫度時能夠提供冷水，雖然風(fēng)機(jī)、水循環(huán)系統(tǒng)仍然要消耗電能，但可替代制冷機(jī)組，有一定節(jié)能效益，也是一種較為節(jié)能的供冷方式（為便于敘述，后文中提及的節(jié)能供冷即為此兩種供冷方式）。

由于采用節(jié)能供冷措施，是為了降低空調(diào)冷熱源運(yùn)行能耗，實現(xiàn)節(jié)能，期間室外空氣含濕量較低，一般建筑內(nèi)區(qū)負(fù)荷可以不考慮潛熱負(fù)荷，僅考慮顯熱負(fù)荷，同時保證室內(nèi)干球溫度tn和室內(nèi)含濕量dn不大于室內(nèi)最大允許值即可[3]。

設(shè)計中應(yīng)根據(jù)室外空氣干球溫度tw和濕球溫度ts、含濕量dw與室內(nèi)顯熱負(fù)荷Qx、濕負(fù)荷W綜合計算分析，采取合理措施，實現(xiàn)節(jié)能目的。

1.1 新風(fēng)除濕能力

在適用節(jié)能供冷的時段，特別是冬季新風(fēng)含濕量很低，利用新風(fēng)一般可以完全消除室內(nèi)余濕，而冷卻塔提供的冷水在過渡季節(jié)一般較高，不一定能完全滿足除濕的需要。所以新風(fēng)是否能夠除濕，是實現(xiàn)節(jié)能供冷的必要條件。

根據(jù)除濕送風(fēng)量計算公式[4]，可得出滿足除濕需要的室外空氣含濕量計算公式：

式中：W為室內(nèi)余濕量，g/s；Gx為新風(fēng)量，kg/s；dx為新風(fēng)含濕量，g/kg；dn為室內(nèi)含濕量，g/kg，為最大程度利用新風(fēng)供冷，節(jié)能供冷期間室內(nèi)含濕量可按照相對濕度70%計算。

當(dāng)dw≤dx時，新風(fēng)滿足除濕需要，可以按照節(jié)能供冷工況運(yùn)行。

當(dāng)dW>dx時，新風(fēng)不能滿足除濕需要，應(yīng)采用夏季運(yùn)行工況。

1.2 新風(fēng)供冷能力

根據(jù)顯熱負(fù)荷風(fēng)量計算公式[4]，可得出新風(fēng)供冷的空氣干球溫度計算公式：

式中：tn為過渡季節(jié)或冬季允許的室內(nèi)干球溫度，℃，最低可取22℃，最高為夏季工況設(shè)計溫度；Qx為室內(nèi)顯熱負(fù)荷，kW；tx為新風(fēng)供冷時的干球溫度，℃。

當(dāng)tw≥tx時，應(yīng)采用夏季空調(diào)運(yùn)行工況。

當(dāng)tW=tx時，新風(fēng)供冷能力恰好滿足室內(nèi)顯熱負(fù)荷需要，不需對新風(fēng)進(jìn)行任何熱工處理，新風(fēng)直接供冷。

當(dāng)tW

當(dāng)tx

該工況下，需要冷卻塔輔助提供的冷量QR（kW）計算公式：對一次回風(fēng)全空氣系統(tǒng)，在設(shè)計供冷工況下顯熱制冷量Qx（kW）計算公式：

假定Qx不變，由公式（2）及公式（4）可得：

式中：G為送風(fēng)量，kg/s；t0為設(shè)計送風(fēng)溫度，℃。

可以知道：在一定送風(fēng)溫差下，新風(fēng)比K越大，tx就越高，這有利于充分利用室外較高溫度的新風(fēng)進(jìn)行供冷，延長節(jié)能供冷時間。

值得注意的是前文提及的送風(fēng)溫差與新風(fēng)量的取值是針對節(jié)能供冷運(yùn)行模式而言，在夏季工況下，不論內(nèi)、外區(qū)，空調(diào)房間都應(yīng)該按照最大送風(fēng)溫差和滿足要求的最小新風(fēng)量運(yùn)行，后文的能耗計算也是按照此原則計算。

1.3 冷卻塔供冷能力

冷卻塔出水溫度隨著室外濕球溫度降低而降低，在冬季和過渡季節(jié)我國大部分地區(qū)濕球溫度較低，這也為冷卻塔供冷提供了條件?？照{(diào)末端一般按照夏季工況低溫冷水選擇，在節(jié)能供冷時段內(nèi)，實際需要末端提供的空調(diào)負(fù)荷一般均小于夏季，末端設(shè)備采用冷卻塔提供的高溫冷水也就存在可能性，可以根據(jù)末端負(fù)荷實際需要的冷水溫度及室外濕球溫度來判斷。

[5]，冷卻塔供冷負(fù)荷與冷水溫度的計算公式：

式中：Q0為末端設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)工況制冷量，kW，本文采用夏季工況室內(nèi)全熱負(fù)荷；t1R、t10為冷卻塔供冷工況、標(biāo)準(zhǔn)工況下末端設(shè)備進(jìn)口空氣干球溫度，℃，t10=27℃，t1R= tn；tW1R、tW10為冷卻塔供冷工況、標(biāo)準(zhǔn)工況下末端設(shè)備進(jìn)口冷水溫度，℃，tW10=7℃。

根據(jù)公式（6），得出冷卻塔供冷冷水溫度的計算式為：

考慮冷卻塔的冷卻逼近度（3～4℃），板式換熱器的溫差(1～2℃)，綜合考慮溫差取5℃，在冷卻塔供冷工況下，室外最高濕球溫度txs（℃）計算公式為：

當(dāng)室外空氣濕球溫度ts≤txs時，能夠采用冷卻塔供冷，實現(xiàn)節(jié)能供冷。

當(dāng)ts>txs時，冷卻塔提供的冷量滿足不了新風(fēng)供冷的不足部分，應(yīng)按照夏季工況運(yùn)行。

1.4 利用過渡季及冬季氣候條件供冷綜合判定流程為更好地說明判定流程，根據(jù)公式（2）建立t1，t2，t3三個溫度控制點(diǎn)（℃）：

式中：Qx22，Qx25為室內(nèi)溫度tn=22℃，25℃時的室內(nèi)顯熱負(fù)荷，kW；tΔ為設(shè)計送風(fēng)溫差，℃。

圖1 利用過渡季及冬季氣候條件供冷判定計算程序Fig.1 Determining program of use transition season and winter weather conditions cooling

根據(jù)前述分析、公式（1）～（8）、當(dāng)?shù)厥彝庵饡r氣象參數(shù)以及室內(nèi)顯熱負(fù)荷和余濕量，就可以綜合判斷節(jié)能供冷的可行性和設(shè)計措施。設(shè)計流程可參照圖1。

2 利用過渡季及冬季氣候條件供冷系統(tǒng)分析

根據(jù)前文分析，實現(xiàn)利用過渡季及冬季氣候條件供冷，室外氣象參數(shù)及新風(fēng)供應(yīng)量是關(guān)鍵。室內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計中，新風(fēng)供應(yīng)一般采用兩種方式：可變新風(fēng)供應(yīng)系統(tǒng)（新風(fēng)供應(yīng)量可以調(diào)節(jié)，最大新風(fēng)比K可以等于1，同時配以與之相適應(yīng)的排風(fēng)系統(tǒng)）與固定新風(fēng)供應(yīng)系統(tǒng)（新風(fēng)供應(yīng)量為最小值，新風(fēng)比K為常數(shù)，排風(fēng)系統(tǒng)與最小新風(fēng)量相適應(yīng)）。下文分別就這兩種系統(tǒng)在利用過渡季及冬季氣候條件供冷應(yīng)用中的各種問題進(jìn)行具體計算分析。為便于分析問題，建立如下一個基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)模型，并根據(jù)模型分別以北京、成都、南寧三個城市為例，根據(jù)典型氣象年逐時參數(shù)，并設(shè)定空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行時間為8:00～18:00（辦公建筑）進(jìn)行逐時計算，并統(tǒng)計、分析。

表1 室內(nèi)負(fù)荷、送風(fēng)量與新風(fēng)量Table1 Air conditioning load , air output and fresh air volume

2.1 利用過渡季及冬季氣候條件供冷運(yùn)行時間計算

根據(jù)公式（1）～（8），按照圖1流程，以及室外逐時氣象參數(shù)[7]，通過計算機(jī)編程，可以分別計算出不同工況下節(jié)能供冷時間，計算結(jié)果詳表2、表3、圖2～圖5。

表2 可變新風(fēng)供應(yīng)系統(tǒng)供冷時間（h）Table2 Cooling time of variable fresh air supply system (h)

續(xù)表2 可變新風(fēng)供應(yīng)系統(tǒng)供冷時間（h）Table2 Cooling time of variable fresh air supply system (h)

表3 固定新風(fēng)供應(yīng)系統(tǒng)供冷時間（h）Table3 Cooling time of fixed fresh air supply system (h)

圖2 可變新風(fēng)供應(yīng)系統(tǒng)30(m3/p·h)供冷時間（h）Fig.2 Cooling time of variable fresh air supply system (30m3/p·h)

圖3 可變新風(fēng)供應(yīng)系統(tǒng)40(m3/p·h)供冷時間（h）Fig.3 Cooling time of variable fresh air supply system (40m3/p·h)

圖4 可變新風(fēng)供應(yīng)系統(tǒng)50(m3/p·h)供冷時間（h）Fig.4 Cooling time of variable fresh air supply system (50m3/p·h)

圖5 固定新風(fēng)供應(yīng)系統(tǒng)供冷時間（h）Fig.5 Cooling time of fixed fresh air supply system

通過逐時計算過程，根據(jù)統(tǒng)計圖表，利用過渡季及冬季氣候條件供冷時間與送風(fēng)溫差、新風(fēng)量標(biāo)準(zhǔn)之間的關(guān)系如下。

2.1.1 可變新風(fēng)供應(yīng)系統(tǒng)

（1）隨著送風(fēng)溫差減小，制冷主機(jī)全年運(yùn)行時間縮短，新風(fēng)供冷總時間延長，冷卻塔供冷時間縮短。

（2）隨著新風(fēng)量標(biāo)準(zhǔn)提高，制冷主機(jī)全年運(yùn)行時間，冷卻塔供冷時間，新風(fēng)供冷總時間均保持不變，但新風(fēng)需要加熱的時間會增加。

2.1.2 對固定新風(fēng)供應(yīng)系統(tǒng)

（1）利用過渡季及冬季氣候條件供冷時間與送風(fēng)溫差沒有必然聯(lián)系。

（2）隨著新風(fēng)量標(biāo)準(zhǔn)提高，制冷主機(jī)全年運(yùn)行時間縮短，新風(fēng)供冷總時間延長，冷卻塔供冷時間縮短。

并且發(fā)現(xiàn)內(nèi)區(qū)房間雖常年需要制冷，但是為保證適宜的送風(fēng)溫度，在一定條件下需要對新風(fēng)進(jìn)行加熱。

2.2 利用過渡季及冬季氣候條件供冷運(yùn)行能耗計算

單純從供冷時間來決定設(shè)計措施，并不能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能初衷，必須以能耗作為主要判斷依據(jù)。為分析能源消耗情況，建立能耗計算依據(jù)如下。

以夏季工況送風(fēng)溫差10℃，人員新風(fēng)量標(biāo)準(zhǔn)30m3/p·h，采用固定新風(fēng)供應(yīng)系統(tǒng)且不采用冷卻塔供冷技術(shù)為常規(guī)工況以采用冷卻塔供冷技術(shù)為標(biāo)準(zhǔn)工況，分別計算各種工況全年供冷能耗，以分析問題（本文能耗均以系統(tǒng)運(yùn)行的耗電量為標(biāo)準(zhǔn)）。

系統(tǒng)運(yùn)行能耗主要包括：制冷機(jī)組運(yùn)行能耗EL（kWh）、風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行能耗EF（kWh）、水泵運(yùn)行能耗Eb（kWh）、冷卻塔運(yùn)行能耗ET（kWh）、新風(fēng)加熱能耗ER（kWh）等。其中為簡化計算，新風(fēng)加熱均按照電加熱、效率為100%計算。其它各種能耗計算采用以下計算公式：

本文計算中水泵循環(huán)水量，冷卻塔處理水量均按照前文中建立的模型，并以夏季設(shè)計日室內(nèi)全熱負(fù)荷及新風(fēng)負(fù)荷為依據(jù)，并按照文獻(xiàn)[6]計算流量。計算結(jié)果詳表4，表5，圖6～圖12。

表4 可變新風(fēng)系統(tǒng)全年運(yùn)行能耗（kWh）Table4 Variable fresh air system running for the whole year energy consumption (kWh)

表5 固定新風(fēng)系統(tǒng)全年運(yùn)行能耗（kWh）Table5 Fixed fresh air system running for the whole year energy consumption (kWh)

圖6 標(biāo)準(zhǔn)工況相對常規(guī)系統(tǒng)節(jié)能量Fig.6 Standard condition relatively routine system energy saving

圖7 可變新風(fēng)系統(tǒng)能耗變化曲線（北京）Fig.7 The curves of energy consumption of variable fresh air system (Beijing)

圖8 可變新風(fēng)系統(tǒng)能耗變化曲線（成都）Fig.8 The curves of energy consumption of variable fresh air system (Chengdu)

圖9 可變新風(fēng)系統(tǒng)能耗變化曲線（南寧）Fig.9 The curves of energy consumption of variable fresh air system (Nanning)

圖10 固定新風(fēng)系統(tǒng)能耗變化曲線（北京）Fig.10 The curves of energy consumption of fixed fresh air system (Beijing)

圖11 固定新風(fēng)系統(tǒng)能耗變化曲線（成都）Fig.11 The curves of energy consumption of fixed fresh air system (Chengdu)

圖12 固定新風(fēng)系統(tǒng)能耗變化曲線（南寧）Fig.12 The curves of energy consumption of fixed fresh air system (Nanning)

通過逐時計算過程、根據(jù)統(tǒng)計圖表，利用過渡季及冬季氣候條件供冷的全年能耗與送風(fēng)溫差、新風(fēng)量標(biāo)準(zhǔn)之間的關(guān)系如下：

可變新風(fēng)供應(yīng)系統(tǒng)與固定新風(fēng)供應(yīng)系統(tǒng)采用節(jié)能措施均能降低系統(tǒng)運(yùn)行能耗，尤以可變新風(fēng)供應(yīng)系統(tǒng)節(jié)能顯著。

（1）對可變新風(fēng)供應(yīng)系統(tǒng)

1）隨著送風(fēng)溫差減小，寒冷地區(qū)、夏熱冬冷地區(qū)年能耗呈先降后升的趨勢；夏熱冬暖地區(qū)年能耗均呈降低趨勢。

2）隨著新風(fēng)量標(biāo)準(zhǔn)提高，年能耗基本均會增加，寒冷地區(qū)且出現(xiàn)能耗高于常規(guī)空調(diào)運(yùn)行模式，夏熱冬冷和夏熱冬暖地區(qū)能耗仍然低于常規(guī)空調(diào)運(yùn)行模式。

（2）對固定新風(fēng)供應(yīng)系統(tǒng)

1）隨著送風(fēng)溫差減小，寒冷地區(qū)、夏熱冬冷地區(qū)年能耗呈先降后升的趨勢，但能耗變化較小，夏熱冬暖地區(qū)年能耗均呈降低趨勢，變化較為明顯。

2）隨著新風(fēng)量標(biāo)準(zhǔn)提高，寒冷地區(qū)年能耗增加顯著；夏熱冬冷地區(qū)，年能耗呈先降后升的趨勢；夏熱冬暖地區(qū)年能耗均呈降低趨勢。

3 結(jié)論

基于對模型空間數(shù)據(jù)的逐時分析，從能耗角度出發(fā)，建筑內(nèi)區(qū)利用過渡季及冬季氣候條件供冷系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)遵循以下原則：

（1）系統(tǒng)設(shè)計措施是否可行，不能完全按照供冷時間判斷，應(yīng)進(jìn)行全年能耗計算分析。

（2）要實現(xiàn)利用過渡季及冬季氣候條件供冷的節(jié)能目的，可變新風(fēng)系統(tǒng)是第一選擇。

（3）內(nèi)區(qū)房間空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計，在寒冷地區(qū)不宜提高人員新風(fēng)量標(biāo)準(zhǔn)和減小送風(fēng)溫差，過渡季及冬季空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行應(yīng)與夏季工況一致。

（4）夏熱冬冷地區(qū)，空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)管道及風(fēng)機(jī)宜適當(dāng)減小送風(fēng)溫差，固定新風(fēng)供應(yīng)系統(tǒng)應(yīng)適當(dāng)提高人員新風(fēng)量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計，以滿足過渡季及冬季需要，空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行應(yīng)分時段變風(fēng)量運(yùn)行，夏季工況空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)不應(yīng)采用過渡季及冬季工況運(yùn)行。

（5）夏熱冬暖地區(qū)，空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)管道及風(fēng)機(jī)應(yīng)減小送風(fēng)溫差進(jìn)行設(shè)計，以滿足過渡季及冬季需要，空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行應(yīng)分時段變風(fēng)量運(yùn)行，夏季工況空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)不應(yīng)采用過渡季及冬季工況運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)：

[1] GB 50189-2005,公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2005.

[2] 張錫虎.工程設(shè)計問答（12）[J].空調(diào)空調(diào),2010,40(12): 48-50.

[3] 北京市建筑設(shè)計研究院.北京地區(qū)冷卻塔供冷系統(tǒng)設(shè)計指南[M].北京:中國計劃出版社,2011.

[4] 趙榮義,范存養(yǎng),薛殿華,等.空調(diào)調(diào)節(jié)（第四版）[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2009.

[5] 沈列丞,龍惟定.干盤管系統(tǒng)設(shè)計中風(fēng)機(jī)盤管冷量修正法的研究[J].制冷與空調(diào),2006,6(2):18-21.

[6] 陸耀慶.實用供熱空調(diào)設(shè)計手冊（第2版）[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2008.

[7] 中國氣象局氣象信息中心氣象參數(shù)資料室,清華大學(xué)建筑技術(shù)科學(xué)系.中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2005.

[8] GB/T7190.1-2008,玻璃纖維增強(qiáng)塑料冷卻塔（第1部分）：中小型玻璃纖維增強(qiáng)塑料冷卻塔[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2008.

Analysis of Use Transition Season and Winter Weather Conditions Coolings for the Inner Zones of a Building

Bian Yi1Jian Xugen2
( 1.Sichuan Highland Architectural Design Co., Ltd, Chengdu, 610041; 2.SiChuan ZhongHeng Architectural Design Co., Ltd, Chengdu, 610072 )

Air conditioning energy consumption has become an important problem in the design of air conditioning energy saving. Based on the establishment of a building model of space, the calculation and analysis of the variable fresh air system and fixed freshair system in different design supply air temperature difference, the standard of different fresh air volume under the condition of use transition season and winter weather conditions cooling time, cooling energy consumption and air conditioning system. The use transition season and winter weather conditions cooling design procedure and the method of the design of the system are put forward.

inner zones of a building; variable fresh air system; fixed fresh air system; standard of fresh air volume; air conditioning energy consumption; supply air temperature difference

TU831.3

A

1671-6612（2017）01-068-09

邊 毅（1974.02-），男，大學(xué)，高級工程師，E-mail：101249193@qq.com

簡煦根（1974.03-），女，大學(xué)，高級工程師，E-mail：502638380@qq.com

2015-11-23