地下工程空調(diào)系統(tǒng)的能效評(píng)價(jià)方法

子杰

(陸軍工程大學(xué)國(guó)防工程學(xué)院 南京 210007)

隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，人們?cè)絹碓街匾暤叵驴臻g的開發(fā)與利用，其內(nèi)部功能不斷完善，導(dǎo)致工程內(nèi)部空氣環(huán)境保障難度和空調(diào)系統(tǒng)能耗日益增大。據(jù)統(tǒng)計(jì)，地下工程中空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行能耗占工程總能耗的比例高達(dá)50%～60%，因此開展地下工程空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能研究意義重大[1]。

空調(diào)系統(tǒng)的能效評(píng)價(jià)作為技術(shù)人員進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)、設(shè)備運(yùn)行管理的依據(jù)，對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能降耗具有不可忽視的作用。目前國(guó)內(nèi)外常用的有關(guān)空調(diào)系統(tǒng)能效評(píng)價(jià)指標(biāo)主要有：COP、綜合部分負(fù)荷性能系數(shù)(IPLV)、綜合部分能效指標(biāo)(IEER)、空調(diào)能量消費(fèi)系數(shù)(CEC)、季節(jié)能效比(SEER)、全年性能效率(APF)等。這些評(píng)價(jià)指標(biāo)有些側(cè)重于單臺(tái)設(shè)備或機(jī)組的能效評(píng)價(jià)，有些側(cè)重工程“靜態(tài)”負(fù)荷條件下的能效評(píng)價(jià)。作為一個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，它應(yīng)具有概念上的科學(xué)性、分析中的可比性及實(shí)施中的可操作性等特點(diǎn)?，F(xiàn)有的評(píng)價(jià)指標(biāo)用來評(píng)價(jià)空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行能效均具有較大的局限性[29]，原因在于現(xiàn)有評(píng)價(jià)方法主要考慮的是供給側(cè)的能效，即計(jì)算系統(tǒng)所供給的冷量(或熱量)與消耗能量的比值，其值越高代表能效越高，但對(duì)供給的冷量(或熱量)是否超出工程所需的冷量(或熱量)并沒有予以考慮。

空調(diào)系統(tǒng)是一個(gè)典型的具有動(dòng)態(tài)性、時(shí)變性、多擾性和不確定性等隨機(jī)特性的非線性系統(tǒng)，其總能耗與工程實(shí)際負(fù)荷、室內(nèi)外氣象參數(shù)、設(shè)備運(yùn)行狀況等因素密切相關(guān)[10]。本文提出了一種能夠反映地下工程空調(diào)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)運(yùn)行能效的能效評(píng)價(jià)指標(biāo)——運(yùn)行需求能效比ODEER(operation demand energy efficiency ratio)，該評(píng)價(jià)指標(biāo)以工程實(shí)際負(fù)荷為依據(jù)，通過分析提供這部分冷量的系統(tǒng)效能評(píng)價(jià)整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能效果，為地下工程空調(diào)系統(tǒng)的能效評(píng)價(jià)、節(jié)能設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理提供參考。

1 空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行需求能效比

1.1 能效指標(biāo)的建立

地下工程空調(diào)系統(tǒng)通常有兩種運(yùn)行模式，分別為滿負(fù)荷運(yùn)行模式和部分負(fù)荷運(yùn)行模式。為了準(zhǔn)確評(píng)價(jià)空調(diào)系統(tǒng)在不同運(yùn)行狀態(tài)下的能效，定義空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行需求能效比(ODEER)為在計(jì)算時(shí)間內(nèi)，工程所需制冷量與空調(diào)系統(tǒng)所有設(shè)備耗電量的比值：

(1)

式中：T為某一評(píng)價(jià)時(shí)間，h；∑QT為在T時(shí)間內(nèi)工程所需制冷量，kW·h；∑N為系統(tǒng)中所有設(shè)備的總耗電量，kW·h，工程所需制冷量和設(shè)備的耗電量均可通過模擬或?qū)嶋H測(cè)量。

由式(1)可知，空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行需求能效比越高系統(tǒng)運(yùn)行情況越好。該評(píng)價(jià)指標(biāo)的計(jì)算方法簡(jiǎn)便易行、可操作性強(qiáng)，不僅能反映空調(diào)系統(tǒng)的制冷量和絕對(duì)能耗水平，還能反映滿足一定制冷量條件下的空調(diào)系統(tǒng)的能耗水平，為空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)選型和節(jié)能改造提供依據(jù)。

1.2 子系統(tǒng)能效指標(biāo)的建立

為了更加全面地分析空調(diào)系統(tǒng)的能效水平，建立各子系統(tǒng)的能效評(píng)價(jià)模型。地下工程空調(diào)系統(tǒng)一般由除濕機(jī)、風(fēng)系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、末端設(shè)備4個(gè)部分組成，如圖1所示。

圖1 地下工程集中式空調(diào)系統(tǒng)Fig.1 Centralized air-conditioning system for underground engineering

各部分的運(yùn)行需求能效比定義如下：

1)除濕機(jī)的運(yùn)行需求能效比ODEERATD：

(2)

式中：∑NATD為除濕機(jī)總耗電量，kW·h。

2)風(fēng)系統(tǒng)的運(yùn)行需求能效比ODEERFAN:

(3)

式中：∑NFAN為系統(tǒng)中所有風(fēng)機(jī)的耗電量，kW·h。

3)冷卻水系統(tǒng)的運(yùn)行需求能效比ODEERCWS:

(4)

式中：∑NCW為系統(tǒng)中所有冷卻塔配套的冷卻水泵的耗電量，kW·h；∑NTW為系統(tǒng)中所有冷卻塔的耗電量，kW·h。

4)地下工程空調(diào)系統(tǒng)的末端設(shè)備主要包括風(fēng)機(jī)盤管、水環(huán)熱泵機(jī)組等設(shè)備，定義末端設(shè)備的運(yùn)行需求能效比ODEERTER:

(5)

式中：∑NTER為系統(tǒng)中所有末端設(shè)備的耗電量，kW·h。

因此，整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)與子系統(tǒng)的運(yùn)行需求能效比：

ODEER總=

(6)

1.3 能效評(píng)價(jià)方法

地下工程空調(diào)系統(tǒng)能效評(píng)價(jià)可以采取從整體到局部的分析策略，主要分為3個(gè)步驟：運(yùn)行能效比的計(jì)算、能效判斷及節(jié)能改造。流程如圖2所示。

圖2 地下工程空調(diào)系統(tǒng)能效評(píng)價(jià)流程Fig.2 Flow of energy efficiency evaluation for air-conditioning system in underground engineering

運(yùn)行能效比的計(jì)算通常有兩種方法：能耗模擬和實(shí)際測(cè)量。當(dāng)工程的設(shè)計(jì)資料、產(chǎn)品信息較為完備時(shí)可以采取能耗模擬的方法：1)根據(jù)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱物性參數(shù)等建筑基本信息和氣象參數(shù)計(jì)算工程負(fù)荷；2)結(jié)合空調(diào)系統(tǒng)形式推算出空調(diào)系統(tǒng)的送風(fēng)狀態(tài)、冷卻水流量等信息；3)根據(jù)空調(diào)系統(tǒng)的能耗模型計(jì)算整個(gè)系統(tǒng)的能耗；4)將系統(tǒng)的初投資、設(shè)備使用壽命、維護(hù)管理費(fèi)用等經(jīng)濟(jì)因素與系統(tǒng)能耗代入經(jīng)濟(jì)模塊中，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)，能耗模擬方法的計(jì)算流程如圖3所示[11-13]。

圖3 能耗模擬方法的計(jì)算流程Fig.3 Calculation process of energy consumption simulation method

對(duì)于一些較難建模、基本信息部分缺失的工程，可以采取典型工況下實(shí)際測(cè)量的方法進(jìn)行空調(diào)系統(tǒng)的能效評(píng)價(jià)，即在一段評(píng)價(jià)時(shí)間T內(nèi)，將系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)分為n個(gè)典型工況及對(duì)應(yīng)時(shí)間Ti；然后針對(duì)每種典型工況進(jìn)行設(shè)備的歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)分析和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，獲得典型工況下的空調(diào)系統(tǒng)制冷量Qi和設(shè)備運(yùn)行能耗Ni，則整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行能效比為：

(7)

計(jì)算出空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行需求能效比后，將其與同類型空調(diào)系統(tǒng)的能效參考限值進(jìn)行對(duì)比，如果其能效比大于限值，則可判定該系統(tǒng)能效達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，否則判定為未達(dá)標(biāo)，進(jìn)一步對(duì)子系統(tǒng)的運(yùn)行需求能效比進(jìn)行判斷，為系統(tǒng)的下一步節(jié)能改造提供依據(jù)。

子系統(tǒng)的運(yùn)行需求能效比的判斷通式：

(8)

式中：三個(gè)分式依次代表能效高、能效正常、能效低；ODEERz為子系統(tǒng)的運(yùn)行需求能效比；ODEERc為子系統(tǒng)或空調(diào)設(shè)備的運(yùn)行需求能效比參考限值。

2 能效指標(biāo)限值

2.1 除濕機(jī)的指標(biāo)限值

根據(jù)人防工程節(jié)能規(guī)范，除濕機(jī)的制冷性能系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，如表1所示。

表1 除濕機(jī)制冷性能系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 Standard of refrigerating coefficient of performance for dehumidification mechanism

結(jié)合式(2)可得除濕機(jī)的運(yùn)行需求能效比ODEERATD參考限值，如表2所示。

表2 除濕機(jī)運(yùn)行需求能效比參考限值Tab.2 Reference limit of operating-demand energy efficiency ratio of dehumidifier

2.2 風(fēng)系統(tǒng)的指標(biāo)限值

根據(jù)人防工程節(jié)能規(guī)范可知風(fēng)機(jī)單位風(fēng)量功率WS，如表3所示。

(9)

式中：P為風(fēng)機(jī)的功率，W;G為風(fēng)機(jī)的風(fēng)量，m3/h。由式(3)和(9)聯(lián)立可得風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行需求能效比參考限值，如表4所示。

表3 單位風(fēng)量功率的參考限值Tab.3 Reference limit value of unit air volume power consumption

表4 風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行需求能效比參考限值Tab.4 Reference limit of operating-demand energy efficiency ratio of wind system

2.3 冷卻水系統(tǒng)的指標(biāo)限值

由標(biāo)準(zhǔn)[14]可知，冷卻水輸送系數(shù)(WTFCW)全年累計(jì)工況的限值為25，典型工況的限值為30：

(10)

式中：QCW為冷卻水輸送的熱量，kW·h；Ncp為冷卻水泵的耗電量，kW·h。參考標(biāo)準(zhǔn)[15]可知，冷卻塔的風(fēng)機(jī)耗電比α≤0.035 kW/(m3/h)：

(11)

式中：cw為水的比熱容，kJ/(kg·℃)；ρw為水的密度，kg/m3；Δtw為冷卻水的供回水溫差，℃，典型工況時(shí)取5 ℃，全年累計(jì)工況時(shí)取4 ℃。

由于冷卻水系統(tǒng)輸送的熱量QCW為空調(diào)系統(tǒng)在Δτ時(shí)間內(nèi)的總制冷量加上系統(tǒng)中所有除濕機(jī)的耗電量，聯(lián)立式(10)和式(11)可得冷卻水系統(tǒng)的運(yùn)行需求能效比：

(12)

計(jì)算得到冷卻水系統(tǒng)的運(yùn)行需求能效比參考限值，如表5所示。

2.4 末端設(shè)備的指標(biāo)限值

由標(biāo)準(zhǔn)[14]和文獻(xiàn)[16]可知末端設(shè)備運(yùn)行需求能效比參考限值，如表6所示。

表5 冷卻水系統(tǒng)運(yùn)行需求能效比參考限值Tab.5 Reference limit of operating-demand energy efficiency ratio of cooling water system

表6 末端設(shè)備運(yùn)行需求能效比參考限值Tab.6 Reference limit of operating-demand energy efficiency ratio of terminal equipment

3 實(shí)例分析

3.1 工程概況

該工程為夏熱冬冷地區(qū)某小型深埋地下工程，空調(diào)區(qū)域的長(zhǎng)l=52.2 m，寬b=10.8 m，高h(yuǎn)=5.5 m，拱高f=3.2 m，其它熱物性參數(shù)如表7所示。

表7 熱物性參數(shù)Tab.7 Thermal physical parameters

夏季室外設(shè)計(jì)參數(shù)為干球溫度為35 ℃，相對(duì)濕度為60.1%；室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度為26 ℃，相對(duì)濕度為60%；設(shè)計(jì)人數(shù)為50人，每人新風(fēng)量標(biāo)準(zhǔn)為30 m3/h，照明功率密度為15 W/m2，設(shè)備功率密度為20 W/m2。空調(diào)系統(tǒng)采用雙管制定風(fēng)量全空氣系統(tǒng)，主要設(shè)備參數(shù)如表8所示。

3.2 系統(tǒng)能效分析

對(duì)該工程空調(diào)系統(tǒng)6、7、8三個(gè)月份的總運(yùn)行能耗和除濕機(jī)、風(fēng)系統(tǒng)及冷卻水系統(tǒng)的能耗進(jìn)行分項(xiàng)統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表9所示。其中7月份在工程內(nèi)部進(jìn)行了測(cè)試，期間空調(diào)系統(tǒng)處于滿負(fù)荷運(yùn)行模式，而6、8月份為日常維護(hù)期，空調(diào)系統(tǒng)處于部分負(fù)荷運(yùn)行模式。

表8 系統(tǒng)主要設(shè)備參數(shù)Tab.8 Main equipment parameters of the system

表9 某小型地下工程空調(diào)系統(tǒng)的累計(jì)運(yùn)行能耗Tab.9 Cumulative operating energy consumption of air-conditioning system

圖4 某小型地下工程空調(diào)系統(tǒng)逐時(shí)冷負(fù)荷模擬值Fig.4 Hourly cooling load simulation of air-conditioning system

為計(jì)算該系統(tǒng)的運(yùn)行需求能效比，采用正演模擬法模擬出該工程6～8月的逐時(shí)冷負(fù)荷，結(jié)果如圖4所示。

由圖4計(jì)算可知，該工程6～8月的總冷負(fù)荷為20 053.9 kW·h，其中7月份工程總冷負(fù)荷為17 025.4 kW·h，而6、8月份總冷負(fù)荷為3 028.5 kW·h。結(jié)合表9系統(tǒng)的運(yùn)行能耗即可計(jì)算出該空調(diào)系統(tǒng)及各子系統(tǒng)的運(yùn)行需求能效比，如表10所示。

表10 空調(diào)系統(tǒng)及各子系統(tǒng)的運(yùn)行需求能效比Tab.10 Operating-demand energy efficiency ratio of air-conditioning system and subsystems

由表10可知，該工程空調(diào)系統(tǒng)夏季運(yùn)行能效處于正常水平，但不同運(yùn)行時(shí)期的能效差別較大，滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)期的能效比超出參考值21.1%，屬于高能效范圍；而部分負(fù)荷運(yùn)行時(shí)期的能效比僅為參考限值的53.7%，處于較低的能效水平，因此需要對(duì)該空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能改造。同樣的系統(tǒng)，處于不同的運(yùn)行模式時(shí)其能效水平差別很大，產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因在于此空調(diào)系統(tǒng)是針對(duì)工程滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)期的負(fù)荷進(jìn)行設(shè)計(jì)的，當(dāng)工程處于部分負(fù)荷運(yùn)行時(shí)期時(shí)，其內(nèi)部負(fù)荷僅約為滿負(fù)荷時(shí)的10%，導(dǎo)致系統(tǒng)設(shè)備工作在能效較低的低負(fù)荷區(qū)。

計(jì)算出空調(diào)系統(tǒng)及其子系統(tǒng)的逐日能效比如圖5所示。由圖5可知，6月中上旬，空調(diào)系統(tǒng)及其子系統(tǒng)的運(yùn)行需求能效比始終處于較低水平；在整個(gè)計(jì)算周期內(nèi)風(fēng)系統(tǒng)和冷卻水系統(tǒng)的能效水平波動(dòng)幅度較大，具有很大的節(jié)能改造空間。

圖5 空調(diào)系統(tǒng)及其子系統(tǒng)逐日運(yùn)行需求能效比Fig.5 Daily operating-demand energy efficiency ratio of air-conditioning system and its subsystems

3.3 系統(tǒng)改造方案

分析空調(diào)系統(tǒng)及其子系統(tǒng)的運(yùn)行能效可知，該系統(tǒng)的除濕機(jī)組能效基本滿足參考限值的要求，而風(fēng)系統(tǒng)和冷卻水系統(tǒng)的能效在部分負(fù)荷運(yùn)行期始終處于較低水平，因此對(duì)系統(tǒng)的節(jié)能改造主要針對(duì)這兩方面。改造措施為：對(duì)風(fēng)機(jī)采取變頻控制方式，根據(jù)人員數(shù)量和工程負(fù)荷來調(diào)節(jié)新風(fēng)機(jī)和送風(fēng)機(jī)風(fēng)量，降低風(fēng)系統(tǒng)能耗；對(duì)管網(wǎng)較復(fù)雜且輸送距離較遠(yuǎn)的風(fēng)系統(tǒng)，采用分布式動(dòng)力系統(tǒng)[17]或風(fēng)機(jī)串聯(lián)的方式，使風(fēng)機(jī)處于高效運(yùn)行區(qū)；對(duì)冷卻水系統(tǒng)則要進(jìn)行水泵的更換，采取變頻控制方式，并保證冷卻塔周圍良好的通風(fēng)環(huán)境。

3.4 改造后運(yùn)行能效對(duì)比

改造后工程在第二年6～8月期間的能耗如表11所示。

表11 改造后空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行能耗Tab.11 Operating energy consumption of air-conditioning system after retrofit

通過模擬計(jì)算得工程冷負(fù)荷為22 206.9 kW·h，其中7月份工程總冷負(fù)荷為19 002.6 kW·h，6、8月份工程總冷負(fù)荷為3 204.3 kW·h。結(jié)合表11中系統(tǒng)能耗可計(jì)算出改造后空調(diào)系統(tǒng)及其子系統(tǒng)的運(yùn)行需求能效比，如表12所示。

表12 改造后空調(diào)系統(tǒng)及子系統(tǒng)運(yùn)行需求能效比Tab.12 Operating-demand energy efficiency ratio of air-conditioning system and subsystems after retrofit

對(duì)比改造前后空調(diào)系統(tǒng)的能效比可以發(fā)現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)能效提高了18.9%，超過參考限值21.2%，達(dá)到了高能效的水平；對(duì)于風(fēng)系統(tǒng)和冷卻水系統(tǒng)而言，其能效比雖有所提高，但始終沒有達(dá)到限定值，尤其冷卻水系統(tǒng)，其能效比僅為限定值的30.6%～56.2%，因此需要更改空調(diào)系統(tǒng)形式或采取其他措施進(jìn)一步提高空調(diào)系統(tǒng)的能效。

4 結(jié)論

1)對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的能效評(píng)價(jià)是進(jìn)行空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和節(jié)能運(yùn)行管理的基礎(chǔ)，本文針對(duì)地下工程的特點(diǎn)，提出運(yùn)行需求能效比這一評(píng)價(jià)指標(biāo)，給出定義和計(jì)算方法，建立了地下工程空調(diào)系統(tǒng)從整體到局部的能效評(píng)價(jià)方法，用以評(píng)價(jià)不同空調(diào)系統(tǒng)和運(yùn)行模式的優(yōu)劣。

2)選取夏熱冬冷地區(qū)某小型地下工程為實(shí)例，對(duì)空調(diào)系統(tǒng)6、7、8三個(gè)月份的能效進(jìn)行評(píng)價(jià)。結(jié)果表明：該系統(tǒng)能效在整個(gè)夏季處于正常水平，但不同運(yùn)行模式的能效差別較大，部分負(fù)荷運(yùn)行期空調(diào)系統(tǒng)的能效僅為滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的44.3%，因此需要對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能改造。改造后系統(tǒng)總能效提高了18.9%，但風(fēng)系統(tǒng)和冷卻水系統(tǒng)的能效始終未達(dá)到限定值，尤其冷卻水系統(tǒng)，其能效比僅為限定值的30.6%～56.2%，需要進(jìn)行設(shè)備的更換和空調(diào)系統(tǒng)形式的調(diào)整。

3)從理論分析和實(shí)例應(yīng)用兩方面驗(yàn)證了空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行需求能效比這一評(píng)價(jià)指標(biāo)的可行性和合理性，表明該評(píng)價(jià)指標(biāo)能夠?yàn)榭照{(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供有效指導(dǎo)，對(duì)既有工程空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能改造提供科學(xué)依據(jù)。