利用免費(fèi)供冷滿足非供冷季室內(nèi)熱舒適性需求

王文靜

奧雅納工程咨詢（上海）有限公司

隨著人們對(duì)舒適性空調(diào)需求的增加，建筑空調(diào)能耗的用量大幅度增加，為提高能源的利用率，在負(fù)荷集中的地方有較多在建的能源中心?；谏虾Ｄ成虡I(yè)項(xiàng)目的地理位置及用能條件，需按限定要求就近利用能源中心供能，并對(duì)自建及備用冷熱源有一定的限制條件。在建能源站預(yù)計(jì)供能運(yùn)行工況為兩管制供能，每年進(jìn)行兩次冷熱切換。由于商業(yè)項(xiàng)目在非供冷季節(jié)（包括供熱季、切換期）往往存在內(nèi)區(qū)供冷的需求，為保證在此期間內(nèi)商業(yè)的基本舒適性要求，對(duì)非供冷季節(jié)室內(nèi)熱舒適狀況進(jìn)行分析，并提出解決方案。

1 研究背景

1.1 建筑概況及基本信息

該項(xiàng)目位于上海的某區(qū)域的核心地帶，是商墅形式的商業(yè)建筑，總建筑面積50,367 m2，地上五層，地上部分建筑面積為28,693.1 m2。地下2 層，建筑面積為21,674 m2，地下一層為商業(yè)及后勤、設(shè)備用房，地下二層為車庫(kù)及設(shè)備用房。計(jì)劃采用區(qū)域能源中心集中供能，能源中心兩管制，運(yùn)行的工況及供能時(shí)間具體如表1 所示：

表1 能源站運(yùn)行工況

1.2 空調(diào)冷熱負(fù)荷及熱舒適

表2 負(fù)荷計(jì)算參數(shù)條件

表3 商業(yè)區(qū)逐月空調(diào)冷負(fù)荷

圖1 建筑模擬所搭建的三維圖

2 非供冷季的免費(fèi)冷源的選擇及分析

2.1 免費(fèi)冷源的選取

在能源中心非供冷季節(jié)，根據(jù)項(xiàng)目對(duì)自建冷熱源的限制，優(yōu)先考慮不增加額外冷源的方案，因此可考慮免費(fèi)供冷的方式來獲得冷源：

1）設(shè)置冷卻塔在冬季實(shí)施免費(fèi)供冷，其優(yōu)點(diǎn)是初投資較低，對(duì)建筑內(nèi)部布局影響小。缺點(diǎn)是供冷效果受外界氣候條件影響，通常要在室外空氣濕球溫度降至5 ℃以下[1]，才能充分發(fā)揮其使用效果。以上海的氣象參數(shù)看，只能在12 月～2 月間適合的氣候下使用，此外在這個(gè)時(shí)間段內(nèi)運(yùn)行時(shí)，容易在冷卻塔排風(fēng)處形成白霧，對(duì)建筑美觀性和環(huán)境造成不良影響。根據(jù)本項(xiàng)目建筑造型情況，本方案不適用。

2）利用室外低溫新風(fēng)來抵消室內(nèi)冷負(fù)荷，其優(yōu)點(diǎn)是直接將冷風(fēng)送入空調(diào)區(qū)，沒有中間過程，節(jié)能效果明顯，初投資少，實(shí)施簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)是需要增大外墻新風(fēng)百葉和室內(nèi)風(fēng)管井面積，對(duì)建筑立面和室內(nèi)使用面積有一定影響，所以需要在加大新風(fēng)量與建筑布局限制之間權(quán)衡比較。此外，還需要考慮下述問題：①較低的室外新風(fēng)直接引入室內(nèi)，如果溫度太低，舒適感較差，且容易引起結(jié)露問題。②新風(fēng)溫度較低的情況下，難以滿足室內(nèi)濕度的需求。③新風(fēng)溫度隨室外條件變化，如新風(fēng)溫度過高，則不足負(fù)擔(dān)室內(nèi)冷負(fù)荷。

因此，需要結(jié)合上述問題，研究在保證舒適性的情況下新風(fēng)量的選取和計(jì)算。

2.2 非供冷期室內(nèi)舒適區(qū)

關(guān)于熱舒適的探討主要基于Fanger 的PMV-PPD模型，依據(jù)為《ASHRAE Standard 55 (2007),Thermal Environmental Conditions for Human Occupancy》和《GB 50736-2012 民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》。PMV 是預(yù)計(jì)平均熱感覺指標(biāo)，PPD 是預(yù)計(jì)不滿意率。GB 50736-2012 標(biāo)準(zhǔn)將熱舒適等級(jí)劃分為兩級(jí)，I 級(jí) 為-0.5 ≤PMV ≤0.5、PPD ≤10%。II 級(jí) 為-1 ≤PMV＜-0.5 或0.5＜PMV≤1、PPD≤20%。本章節(jié)的討論，也是基于熱舒適等級(jí)I 級(jí)計(jì)算展開的。

表4 非供冷期各業(yè)態(tài)的舒適區(qū)間

根據(jù)能源中心的運(yùn)行時(shí)間，非供冷期主要是冬季和過渡季節(jié)，經(jīng)計(jì)算在此期間圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱負(fù)荷≤20 W/m2，而室內(nèi)燈光，設(shè)備及人員的內(nèi)冷負(fù)荷為40～95 W/m2，即散熱量小于發(fā)熱量，所以在此期間主要考慮的是室內(nèi)余熱的消除問題?？紤]到冬季內(nèi)外分區(qū)，外區(qū)供熱需達(dá)到20 ℃，內(nèi)區(qū)需消除余熱。為了減少新風(fēng)承擔(dān)的內(nèi)熱負(fù)荷和新風(fēng)量，考率在保證熱舒適的條件下，適當(dāng)提高內(nèi)區(qū)的溫度。在保證室內(nèi)人員I 級(jí)舒適度的前提下，即控制-0.5≤PMV≤0.5,PPD≤10%時(shí)，反推內(nèi)區(qū)可以接受的最高溫度。由表4 可知，商鋪和餐飲的內(nèi)區(qū)不必與外區(qū)保持同樣的設(shè)計(jì)溫度，可以適當(dāng)提高室內(nèi)溫度及室內(nèi)外焓差。基于表4 的推算參數(shù)，進(jìn)行新風(fēng)供冷量及新風(fēng)量的計(jì)算。

2.3 新風(fēng)供冷的基本原理和供冷量計(jì)算

當(dāng)室外新風(fēng)焓值低于室內(nèi)設(shè)計(jì)工況的焓值時(shí)，可利用新風(fēng)與室內(nèi)空氣狀態(tài)點(diǎn)的差值，提供冷量。工程中也有只考慮室內(nèi)的顯熱冷負(fù)荷，當(dāng)室外新風(fēng)溫度低于室內(nèi)溫度即可利用室外溫度供冷[2]。本文采用焓差進(jìn)行新風(fēng)供冷計(jì)算。

為方便討論，將新風(fēng)折算到單位面積的新風(fēng)量。在非供冷期間，圍護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷較小，因此僅考慮采用新風(fēng)處理建筑內(nèi)區(qū)的內(nèi)熱負(fù)荷。新風(fēng)可消除的余熱量計(jì)算方法如下：

“海豚運(yùn)動(dòng)”，顧名思義，大致就是指像海豚那樣一上一下、左右搖擺的游泳方式。專業(yè)解釋則是指艦艇在靜水中航行時(shí)，隨著速度的增加，自身可能出現(xiàn)的一種周期性的、有界的、垂直平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)，是一種垂蕩和縱搖的耦合運(yùn)動(dòng)。即便是輕微的“海豚運(yùn)動(dòng)”，都有可能造成災(zāi)難性的后果。

式中：Q1為圍護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷，W/m2；Q2為內(nèi)熱，包括燈光、設(shè)備、人員，W/m2；Q3為新風(fēng)可抵消的室內(nèi)余熱，W/m2；V1為單位面積的設(shè)計(jì)新風(fēng)量，m3/(m2·h)；P 為人員密度，m2/p；V2為設(shè)計(jì)新風(fēng)量，m3/(p·h)；ΔH 為非供冷季節(jié)室內(nèi)外空氣焓差，kJ/kg；R 為新風(fēng)抵消圍護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷后可滿足面積的比例。

R 值越大，表示新風(fēng)冷量可以滿足的面積越大。因商業(yè)全年運(yùn)行，因此商業(yè)應(yīng)滿足R 值大于100%。

2.4 冬季熱舒適狀況分析

根據(jù)《上海市公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》4.3.4 要求：除塔樓外，全空氣系統(tǒng)的最大總新風(fēng)比應(yīng)不低于50%。服務(wù)于人員密集的大空間和全年具有供冷需求的區(qū)域的全空氣定風(fēng)量或變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)，可達(dá)到的最大新風(fēng)比宜不低于70%。

本方案中不考慮采用PAU 作為加大新風(fēng)量的一部分，是因?yàn)椴煌虘艄灿靡慌_(tái)PAU，加大新風(fēng)量供應(yīng)無法滿足不同商戶的內(nèi)熱變化率。此外，由于一臺(tái)PAU 同時(shí)服務(wù)內(nèi)外區(qū)，直接將低溫新風(fēng)送入內(nèi)外區(qū)難以同時(shí)滿足負(fù)荷需求。因此，在考慮加大新風(fēng)量的時(shí)候，就不將大系統(tǒng)新風(fēng)加入分析計(jì)算中。

綜合以上考慮，取加大新風(fēng)量為設(shè)計(jì)新風(fēng)量的5～7 倍。冬季外區(qū)需要供熱，因此采用新風(fēng)量降溫時(shí)主要考慮的是消除內(nèi)區(qū)余熱。表4 的內(nèi)區(qū)設(shè)計(jì)參數(shù)，商鋪和餐飲的室內(nèi)設(shè)計(jì)焓值分別為40.9 kJ/kg 和43 kJ/kg。根據(jù)上海典型年氣象參數(shù)，為保證在空調(diào)運(yùn)行期間當(dāng)室內(nèi)保證小時(shí)率不低于90%時(shí)，室外焓值要求小于36.6 kJ/kg，此時(shí)所需的新風(fēng)量可由Q=ΔH·m計(jì)算得到，如表5。

表5 單位面積業(yè)態(tài)下的計(jì)算結(jié)果

2.5 切換期熱舒適狀況分析

室外氣象文件采用TMY（典型氣象年）文件，其月平均干球溫度最接近該時(shí)間段內(nèi)當(dāng)月平均干球溫度，因此對(duì)上海的長(zhǎng)期氣候特征具有一定的代表性。根據(jù)表5 內(nèi)的計(jì)算冬季所需的新風(fēng)量，核算該加大風(fēng)量是否能滿足過渡季節(jié)商鋪及餐飲所需的風(fēng)量，故商鋪取6.4 倍設(shè)計(jì)新風(fēng)量、餐飲取3.7 倍。由式（1）～（3）可得圖2、圖3：

圖2 冷熱源切換期新風(fēng)可滿足商鋪制冷要求的面積比例

由圖2～3 可知，11 月商鋪和餐飲可以保證用戶的舒適性要求。但在4 月26 日-4 月30 日期間，切換期室外新風(fēng)的焓值接近甚至大于室內(nèi)焓值，則新風(fēng)無法起到降溫的作用，無法滿足舒適度的需求室外焓值較高。因?yàn)樯啼伡安惋嫙o其它冷源，因此可考慮采取以下策略：提前切換期，在室內(nèi)外焓差較大、室外新風(fēng)可抵消室內(nèi)預(yù)熱的時(shí)間進(jìn)行切換。根據(jù)圖2～3 可知，11月份的免費(fèi)新風(fēng)量遠(yuǎn)大于實(shí)際所需的供冷量。根據(jù)表5 的計(jì)算方法，反算11 月商鋪和餐飲于切換期所需的新風(fēng)量分別為18.75 m3/(m2·h)、24 m3/(m2·h)，即新風(fēng)量的放大倍數(shù)分別為2.5 倍、2 倍。

圖3 冷熱源切換期新風(fēng)可滿足餐飲制冷要求的面積比例

圖4 4 月15 日～4 月30 日使用新風(fēng)可以滿足制冷要求的面積比例

從圖4 可知，若將切換日期提前到21～25 日，則大部分時(shí)間內(nèi)新風(fēng)均可抵消室內(nèi)余熱，保證用戶的基本舒適性要求。因此建議適當(dāng)提前冷熱源切換時(shí)間，這也是和天氣狀況吻合的。

本次分析所選氣象參數(shù)是典型年氣象數(shù)據(jù)，建議能源中心根據(jù)當(dāng)年氣象情況調(diào)整切換期時(shí)間。

3 結(jié)論

1）在4 月份的冷熱源切換期，由于室外新風(fēng)的焓值接近甚至大于室內(nèi)焓值，采用加大新風(fēng)量的方法難以達(dá)到理想的制冷效果。因此建議4 月份冷熱源切換時(shí)間提前到25 日前，并根據(jù)當(dāng)年氣象情況調(diào)整切換期時(shí)間。

2）在11 月份的冷熱源切換期，辦公區(qū)域按設(shè)計(jì)新風(fēng)量4 m3/(m2·h)，商鋪和餐飲新風(fēng)量分別為18.75 m3/(m2·h)、24 m3/(m2·h)，可以保證用戶基本舒適性要求。

3）為保證商鋪和餐飲在切換期和非供冷季節(jié)進(jìn)/排風(fēng)所需的新風(fēng)量，建議商鋪百葉（風(fēng)井）面積為0.026 m2/m2（0.004 m2/m2），餐飲百葉（風(fēng)井）面積為0.024 m2/m2（0.004 m2/m2）。

4）新風(fēng)免費(fèi)供冷于商業(yè)項(xiàng)目中的應(yīng)用，對(duì)于建筑為商墅形式的布局特別適用。特別在目前疫情爆發(fā)及未來常態(tài)化的格局下，商業(yè)內(nèi)加大新風(fēng)量的系統(tǒng)考慮可能會(huì)成為未來的主要發(fā)展方向。