基于熱濕分區(qū)的全空氣空調(diào)系統(tǒng)變新風(fēng)量節(jié)能分析

谷 偉 彭章娥

上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)城市建設(shè)與安全工程學(xué)院

0 引言

近年來(lái)，隨著公共建筑的大量增加，全空氣空調(diào)系統(tǒng)[1]的使用越來(lái)越廣泛，建筑能耗也不斷增加。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)現(xiàn)有公共建筑全空氣空調(diào)系統(tǒng)的能耗和運(yùn)行管理進(jìn)行了大量的統(tǒng)計(jì)分析，并提出了許多節(jié)能措施，例如：空調(diào)冷熱源處對(duì)冷（熱）負(fù)荷的確定，冷熱水機(jī)組的選擇、匹配方面進(jìn)行節(jié)能分析，建筑墻體、造型對(duì)負(fù)荷的影響及對(duì)“水系統(tǒng)”與“風(fēng)系統(tǒng)”的運(yùn)行節(jié)能。本文基于對(duì)全空氣系統(tǒng)中定（變）新風(fēng)量運(yùn)行的系統(tǒng)能耗進(jìn)行分析，提出一種有效的節(jié)能方案。

1 當(dāng)前全空氣空調(diào)系統(tǒng)存在的能耗問(wèn)題分析

1.1 冷熱源設(shè)備的選用

冷熱源設(shè)備的選擇由于沒(méi)有充分考慮房間負(fù)荷的特性和設(shè)備的運(yùn)行特性，目前，較多建筑物的冷/熱源設(shè)備無(wú)法滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，即使在極端天氣時(shí)，仍有機(jī)組不運(yùn)轉(zhuǎn)的情況發(fā)生。其主要原因?yàn)樵O(shè)計(jì)人員使用較大估算的冷（熱）負(fù)荷作為空調(diào)負(fù)荷，從而使總的降溫負(fù)荷過(guò)大，導(dǎo)致設(shè)備、管道直徑以及泵和風(fēng)機(jī)的選擇設(shè)計(jì)負(fù)載過(guò)小，室溫?zé)o法滿足設(shè)計(jì)需要。需要添加單元式空調(diào)以滿足所需室溫，由此導(dǎo)致能量浪費(fèi)。

1.2 全空氣系統(tǒng)中的風(fēng)系統(tǒng)分析

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)全空氣空調(diào)系統(tǒng)[2]的形式主要有風(fēng)機(jī)盤管+新風(fēng)系統(tǒng)及全空氣空調(diào)系統(tǒng)兩種形式。全空氣空調(diào)系統(tǒng)可利用在非空調(diào)區(qū)空氣焓值低于室內(nèi)設(shè)計(jì)焓值時(shí)，充分利用非空調(diào)區(qū)新風(fēng)冷源進(jìn)行節(jié)能運(yùn)行。

在實(shí)際運(yùn)行中因未考慮對(duì)全空氣空調(diào)系統(tǒng)的全年節(jié)能運(yùn)行調(diào)節(jié)，致使新風(fēng)管截面積過(guò)小，以及新風(fēng)與風(fēng)機(jī)盤管未采用連鎖控制，導(dǎo)致在風(fēng)機(jī)盤管關(guān)閉時(shí)新風(fēng)系統(tǒng)仍處于運(yùn)行狀態(tài)，造成能量浪費(fèi)。風(fēng)量的不平衡是系統(tǒng)在運(yùn)行調(diào)試時(shí)未進(jìn)行合適的新風(fēng)分配，由此使房間氣流組織不合理、溫度場(chǎng)不平衡率較大等。

1.3 全空氣系統(tǒng)中水系統(tǒng)的分析

水系統(tǒng)大多使用定水量[3]系統(tǒng)，該系統(tǒng)是按照最大冷負(fù)荷設(shè)計(jì)，供回水溫差一般在5℃。對(duì)于全年運(yùn)行而言，出現(xiàn)最大負(fù)荷的時(shí)間極少即：全空氣空調(diào)系統(tǒng)長(zhǎng)期在部分負(fù)荷下運(yùn)行，伴隨小溫差大流量[4]的問(wèn)題。

近年來(lái)許多研究表明，加大供-回水溫差能較大地改良系統(tǒng)的節(jié)能率，但由此導(dǎo)致傳熱效率下降，帶來(lái)了附加能耗。因此，需要對(duì)具體的過(guò)程措施進(jìn)行有針對(duì)性的經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析確定最終的實(shí)施方案。

1.4 全空氣系統(tǒng)運(yùn)行管理

目前的空調(diào)自動(dòng)控制系統(tǒng)在全空氣空調(diào)系統(tǒng)中使用較少。其中，大多數(shù)仍為手動(dòng)操作，從而導(dǎo)致操作參數(shù)的滯后和能量的浪費(fèi)。

同時(shí)，機(jī)組水側(cè)的結(jié)垢對(duì)全空氣空調(diào)系統(tǒng)也有很大影響，如增加了能耗。

2 全空氣系統(tǒng)中變新風(fēng)量節(jié)能系統(tǒng)的研究

非空調(diào)區(qū)空氣處于溫度、太陽(yáng)輻射強(qiáng)度、濕度等不確定的狀態(tài)。對(duì)于全空氣空調(diào)系統(tǒng)，非空調(diào)區(qū)的新風(fēng)有降溫、干燥和改良室內(nèi)的空氣品質(zhì)的能力，在全空氣空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)應(yīng)充分利用這些能力以節(jié)約能量[5]。

2.1 變新風(fēng)量節(jié)能原理

在全空氣空調(diào)系統(tǒng)全年運(yùn)行過(guò)程中有兩個(gè)節(jié)能途徑：一是在過(guò)渡季節(jié)運(yùn)用非空調(diào)區(qū)低溫的新風(fēng)作為系統(tǒng)的“冷源”為熱區(qū)提供冷量，從而節(jié)約能源；二是當(dāng)非空調(diào)區(qū)新風(fēng)的絕對(duì)濕度低于室內(nèi)濕度需要的絕對(duì)濕度時(shí)，利用調(diào)節(jié)新風(fēng)量的方法使新回風(fēng)混合后的送風(fēng)絕對(duì)濕度滿足需要，這種方式不需要通過(guò)換熱器進(jìn)行降溫除濕達(dá)到室內(nèi)濕度，降低了冷凍水供水溫度與流量，具有較高的節(jié)能意義。

本文推薦的主要設(shè)計(jì)方案如下：

1）在制冷機(jī)組制冷模式運(yùn)行時(shí)，當(dāng)室內(nèi)空氣的焓值大于非空調(diào)區(qū)空氣焓值且送風(fēng)絕對(duì)濕度小于非空調(diào)區(qū)空氣絕對(duì)濕度時(shí)，利用全新風(fēng)運(yùn)行。

2）當(dāng)新風(fēng)絕對(duì)濕度低于送風(fēng)絕對(duì)濕度時(shí)，對(duì)新回風(fēng)比例進(jìn)行調(diào)節(jié)，使送風(fēng)的相對(duì)濕度達(dá)到允許的范圍，然后將混風(fēng)直接降溫至送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)。既節(jié)約了換熱器將非空調(diào)區(qū)空氣降溫至露點(diǎn)的冷量，又節(jié)約了再熱量，避免了冷熱抵消情況，降低了系統(tǒng)能耗。

3）當(dāng)新風(fēng)焓值高于送風(fēng)焓值時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)新回風(fēng)比將新風(fēng)作為部分熱源提供再熱量。在運(yùn)行時(shí)按照最低新風(fēng)量混合的方法，先調(diào)節(jié)至空氣的機(jī)器露點(diǎn)再與非空調(diào)區(qū)新風(fēng)混合繼而調(diào)節(jié)至送風(fēng)狀態(tài)進(jìn)行送風(fēng)。

2.2 全年運(yùn)行分區(qū)

在全空氣空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，室內(nèi)冷熱負(fù)荷與非空調(diào)區(qū)空氣狀態(tài)不同，為使全空氣空調(diào)系統(tǒng)全年的熱濕調(diào)節(jié)工況處于最佳狀態(tài)，便于分析調(diào)節(jié)，需要對(duì)全空氣空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行多工況分區(qū)[6]。

2.2.1 分區(qū)依據(jù)

1）在滿足用戶需求的前提下，避免冷熱抵消情況。

2）在冬、夏季，使用用戶區(qū)回風(fēng)，且需要保證最低新風(fēng)需要。

3）在冷熱調(diào)節(jié)過(guò)程中利用非空調(diào)區(qū)自然能源。

4）在過(guò)渡季節(jié)，利用非空調(diào)區(qū)新風(fēng)。少開(kāi)啟制冷機(jī)組，通過(guò)其他方式如加濕區(qū)調(diào)節(jié)空氣。

2.2.2 分區(qū)方案

在2-1圖上，全年可能出現(xiàn)非空調(diào)區(qū)空氣狀態(tài)在某一曲線與相對(duì)濕度為100%飽和線所包含的范圍內(nèi)，除個(gè)別工藝性空調(diào)外，夏季與冬季的室內(nèi)溫濕度需要是不同的。例如，夏季Tn=27℃，冬季Tn=20℃，相對(duì)濕度允許在45%～65%范圍內(nèi)。因此全年允許的室內(nèi)狀態(tài)點(diǎn)也為特定范圍，如圖2-1中N1-N2范圍。

圖2-1

圖2-1中，O1、O2分別為冬夏季送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)，M點(diǎn)在N1O1的延長(zhǎng)線上，且N1O1/N1M為最低新風(fēng)比，iM、iO1、iO2、iN2與氣象包絡(luò)線交匯于a、b、c、d 點(diǎn)；iN2、dO2、do1、dM線與相對(duì)濕度Ф=100%交匯于f、g、h、i點(diǎn)；dO2與iN2線交匯于K點(diǎn)，這些等焓線與等絕對(duì)濕度線以及O1、O2、O1M把非空調(diào)區(qū)氣象范圍劃分為八個(gè)范圍，見(jiàn)表2-1，各分區(qū)空氣調(diào)節(jié)方式見(jiàn)表2-2。

表2-1全年運(yùn)行工況分區(qū)范圍

表2-2各分區(qū)空氣調(diào)節(jié)方式

空調(diào)調(diào)節(jié)分析：

1）非空調(diào)區(qū)空氣狀態(tài)點(diǎn)W預(yù)熱至W1，再與室內(nèi)回風(fēng)N1按最低新風(fēng)比混合至，再絕熱加濕至送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)。

2）調(diào)節(jié)新回風(fēng)混合比，使混合點(diǎn)落在io1線上，然后絕熱加濕至送風(fēng)狀態(tài)。

3）調(diào)節(jié)新回風(fēng)混合比，使混合點(diǎn)落在do1線上，然后加熱至送風(fēng)狀態(tài)。

IV、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ．使用全新風(fēng)，直接調(diào)節(jié)至送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)。

Ⅷ．按最低新風(fēng)比使新回風(fēng)混合至C點(diǎn)，然后降溫至送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)。

由于室內(nèi)空氣狀態(tài)是不確定的[7]，因而實(shí)際的分區(qū)圖也不確定。為了對(duì)比分析定新風(fēng)量與變新風(fēng)量的能耗，建立了一個(gè)房間模型并對(duì)其進(jìn)行負(fù)荷模擬，得出全年的送風(fēng)參數(shù)，根據(jù)不同的送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)找對(duì)應(yīng)的分區(qū)圖2-1，根據(jù)各分區(qū)的最佳運(yùn)行工況，進(jìn)行能耗模擬計(jì)算，分析節(jié)能效果。

3 房間模型的建立

3.1 房間結(jié)構(gòu)

所選房間位于南京的一個(gè)4 m×4 m×3．5 m的臥室，該模型房間的平面圖見(jiàn)圖3-1。

圖3-1 房間示意圖

3.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)

外墻：24磚墻_1、重砂漿黏土240mm、石灰砂漿20 mm。導(dǎo)熱熱阻0．324 kW/（m2·k）、熱惰性指標(biāo)3．085。

屋頂：玻璃棉氈保溫屋面、水泥砂漿25 mm、多孔混凝土195 mm、鋼筋混凝土125、水泥砂漿20 mm；傳熱系數(shù)0．834 kW（m2·k）。

窗戶：普通6mm單層玻璃，窗墻比默認(rèn)0．5、無(wú)內(nèi)遮陽(yáng)。

門：?jiǎn)螌訉?shí)體木制外門24．3 mm、導(dǎo)熱系數(shù)0．340 kW（m2·k）。

3.3 人員、設(shè)備和燈光負(fù)荷

燈光、設(shè)備和人員的熱負(fù)荷均按系統(tǒng)默認(rèn)值。

3.4 作息模式

工作時(shí)間為8：00-20:00。但考慮到開(kāi)機(jī)運(yùn)行時(shí)間，需提前一個(gè)小時(shí)開(kāi)機(jī)；則平均每天運(yùn)行14 h，全年運(yùn)行5 110 h。

3.5 房間空調(diào)參數(shù)

夏季室內(nèi)空調(diào)溫度25℃，相對(duì)濕度55%。冬季為20℃，相對(duì)濕度為40%。

3.6 空調(diào)模式

按照全空氣定風(fēng)量系統(tǒng)，選用組合式空調(diào)機(jī)組，最低新風(fēng)量取15%。

4 負(fù)荷模擬

4.1 非空調(diào)區(qū)氣象參數(shù)

由Open-Studio模擬生成的南京地區(qū)全年非空調(diào)區(qū)氣象參數(shù)，具體數(shù)據(jù)如圖4-1和圖4-2所示。

圖4-1 非空調(diào)區(qū)空氣干球溫度

圖4-2 非空調(diào)區(qū)空氣絕對(duì)濕度

4.2 負(fù)荷模擬

根據(jù)建立的房間模型，利用Open-Studio能耗模擬軟件計(jì)算出全年熱濕負(fù)荷。其變化如圖4-3和圖4-4所示。

圖4-3 冷熱負(fù)荷

圖4-4 濕負(fù)荷

分析圖4-3和圖4-4可知，冷負(fù)荷出現(xiàn)在5月的中上旬，結(jié)束于11月上旬，并在7月和8月份達(dá)到最大值；濕負(fù)荷主要集中出現(xiàn)在10月初至次年6月底，在6月中旬至十月初沒(méi)有濕負(fù)荷。

4.3 空調(diào)能耗分析

根據(jù)Open-Studio模擬得出定風(fēng)量固定新風(fēng)比全空氣空調(diào)機(jī)組的能耗，如圖4-5、4-6所示。

圖4-5 定新風(fēng)量全空氣空調(diào)系統(tǒng)冷熱負(fù)荷

圖4-6 定風(fēng)量全空氣空調(diào)系統(tǒng)濕負(fù)荷

4.4 變新風(fēng)比負(fù)荷計(jì)算

對(duì)本房間按照上述分區(qū)按照變新風(fēng)比進(jìn)行空調(diào)負(fù)荷模擬，并與定風(fēng)量系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比。

4.4.1 新風(fēng)比變化

根據(jù)定風(fēng)量全空氣空調(diào)系統(tǒng)的房間計(jì)算出逐時(shí)送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)，查出其在圖2-1中所屬范圍，根據(jù)表2-2的各區(qū)最佳運(yùn)行工況進(jìn)行計(jì)算，得出新風(fēng)比。

1）送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)的計(jì)算

由于定風(fēng)量系統(tǒng)的總風(fēng)量不變，在房間負(fù)荷變化時(shí)主要靠控制送風(fēng)溫度承擔(dān)房間負(fù)荷，根據(jù)室內(nèi)逐時(shí)熱濕負(fù)荷和室內(nèi)焓值、絕對(duì)濕度根據(jù)公式4-1、4-2計(jì)算得出送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)的焓值與絕對(duì)濕度，再查出圖1-1中送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)的位置。

圖4-7 全年送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)

2）根據(jù)圖4-7查出各送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)所在的范圍，再根據(jù)表2-2的最佳運(yùn)行工況，計(jì)算相應(yīng)的新風(fēng)比，如圖4-8所示。

圖4-8 變新風(fēng)量系統(tǒng)新風(fēng)比

4.4.2 變新風(fēng)比全新風(fēng)全空氣空調(diào)系統(tǒng)的能耗計(jì)算

利用Open-Studio對(duì)變新風(fēng)比全空氣空調(diào)系統(tǒng)能耗進(jìn)行模擬計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖4-9、4-10所示。

圖4-9 變新風(fēng)量系統(tǒng)冷熱負(fù)荷

圖4-10 變新風(fēng)量系統(tǒng)濕負(fù)荷

4.5 調(diào)節(jié)新風(fēng)比對(duì)系統(tǒng)節(jié)能性影響

根據(jù)圖4-11，并對(duì)比圖4-5與4-9、圖4-6與4-10，可知當(dāng)新風(fēng)比可調(diào)時(shí)，不盡全空氣空調(diào)系統(tǒng)熱 負(fù) 荷 從 4 625．11 降 至 2 981．13，冷 負(fù) 荷 從4 109．50 kW降至3 611．39 kW，系統(tǒng)的濕負(fù)荷也從223．05 kg降至91．34 kg也有明顯的降幅。因此，變新風(fēng)比對(duì)于該定風(fēng)量系統(tǒng)的節(jié)能效果十分明顯。

圖4-11 能耗對(duì)比

5 小結(jié)

本文分析了變新風(fēng)比的節(jié)能性。并利用Open-Studio軟件模擬分析了位于南京的一個(gè)定風(fēng)量系統(tǒng)的房間模型。通過(guò)模擬得出，4月中上旬至6月上旬、10月下旬至11月上旬是新風(fēng)量利用潛力最高的時(shí)段，且在1月初至7月中旬、11月上旬至12月底時(shí)加濕量都明顯降低。當(dāng)新風(fēng)比可調(diào)時(shí)，全年的濕負(fù)荷、熱負(fù)荷、冷負(fù)荷均減少59．05%、35．54%和12．12%。可見(jiàn)，全空氣空調(diào)系統(tǒng)在變新風(fēng)比運(yùn)行時(shí)節(jié)能效果十分明顯。