杭州地區(qū)商場空調(diào)系統(tǒng)新風負荷模擬及分析

浙江大學建筑設計研究院有限公司 陳海俊 刁岳峰 孫 彪

0 引言

隨著城市化進程的推進和城市商業(yè)配套的完善，大量商場類建筑不斷建成投入使用。行業(yè)報告顯示，截至2019年，我國的商場存量面積約4.2億m2，近5年的平均增速為23%[1]。商場是典型的高能耗建筑，大中型商場的全年耗電量高達200～400 kW·h/(m2·a)，約為賓館和辦公樓類建筑的2倍[2-3]。在商場類建筑能耗中，空調(diào)能耗占比為50%～60%[4-5]。新風的引入對保證室內(nèi)空氣質(zhì)量具有重要作用，同時新風負荷也是空調(diào)負荷的重要組成部分，商場新風負荷占空調(diào)總負荷的比例超過30%[6]。研究商場建筑的新風管理對建筑節(jié)能和保障室內(nèi)空氣質(zhì)量都具有重要意義。

新風負荷是指由于引入室外空氣而形成的負荷。由于引入新風可能導致空調(diào)冷負荷減小甚至使空調(diào)負荷由冷負荷轉(zhuǎn)變?yōu)闊嶝摵?，因此實際的新風負荷并不簡單等同于室內(nèi)外空氣比焓差與新風量的乘積，而是應根據(jù)維持室內(nèi)溫濕度環(huán)境的冷熱需求與室內(nèi)外空氣比焓差的關系作判斷。因此，新風負荷不能通過軟件模擬直接得到。為了得到商場的實際新風負荷，本文研究根據(jù)商場實際運行情況建立了定新風模型，此外還建立了零新風模型作為對比。

1 模型介紹

模擬建筑為位于杭州地區(qū)的某單層商場。建筑長40 m、寬30 m、層高5 m，正北朝向，主要參數(shù)見表1。該商場營業(yè)時間為09：00—21：00。商場的人員在室率隨營業(yè)時間的變化如圖1所示。模擬氣象參數(shù)采用杭州市典型氣象年參數(shù)?？照{(diào)采用水系統(tǒng)，冷熱源為屋頂式空氣源熱泵，在標準工況下，其制冷和制熱COP分別為3.37和3.48。根據(jù)新風設置的不同，劃分為定新風和零新風2個模型。在定新風模型中，空調(diào)運行期間的新風量恒定不變，根據(jù)商場峰值人員密度設定為25 m3/(人·h)。零新風模型為定新風模型的對比模型，人均新風量設置為零，其他參數(shù)均與定新風模型一致。

表1 商場主要參數(shù)

圖1 周末與非周末人員在室率

本文研究采用的能耗模擬軟件為一款基于DOE-2基礎開發(fā)的建筑能耗分析軟件，該軟件允許研究者進行典型氣象年的建筑能耗模擬，可提供建筑物的逐時能耗數(shù)據(jù)，也可以用來分析圍護結(jié)構、空調(diào)系統(tǒng)、電器設備和照明對能耗的影響。

2 模擬結(jié)果及分析

2.1 模擬數(shù)據(jù)統(tǒng)計

在本文模擬數(shù)據(jù)分析中，選取“天”為時間統(tǒng)計單位，負荷和能耗均按單位面積“m2”進行統(tǒng)計。模擬計算得到的商場定新風模型及零新風模型的全年逐日空調(diào)負荷如圖2所示，其中空調(diào)負荷的正值表示冷負荷，負值表示熱負荷。

圖2 商場逐日空調(diào)負荷

從圖2可見，定新風模型一年中商場內(nèi)存在冷負荷和熱負荷2種情況，而零新風模型商場全年只存在冷負荷。引入新風不僅導致了空調(diào)系統(tǒng)負荷大小的變化，也使得冬季的空調(diào)冷熱運行模式發(fā)生了轉(zhuǎn)變，其他研究也證明了新風對空調(diào)負荷造成的影響[5]。

2.2 商場空調(diào)負荷分析

根據(jù)新風對空調(diào)系統(tǒng)負荷的影響特性，將全年的空調(diào)運行時段分為新風耗冷、新風節(jié)冷和新風耗熱3種情況，分別表示引入新風增加空調(diào)冷負荷、引入新風降低空調(diào)冷負荷及引入新風導致空調(diào)從供冷模式轉(zhuǎn)變?yōu)楣崮Ｊ?。由于全年的室外溫度雖有明顯的變化趨勢，但也存在某些時段的反復和突變，因此其運行時段的劃分并不十分嚴格。在圖2中對3個時段作了大致劃分：新風耗冷主要在6—9月，對應的室外空氣平均比焓為58 kJ/kg以上；新風節(jié)冷分別分布在3月下旬至6月及10月至11月上旬，對應的室外空氣平均比焓為25～62 kJ/kg；新風耗熱主要在11月至次年3月，對應的室外空氣平均比焓為5～46 kJ/kg。當室外空氣平均比焓為58～62 kJ/kg時處在新風耗冷和新風節(jié)冷的過渡階段；當室外空氣平均比焓為25～46 kJ/kg時則處于新風節(jié)冷和新風耗熱的過渡階段。

在新風耗冷時段，定新風模型的逐日冷負荷均大于零新風模型的逐日冷負荷。此時室外新風的比焓高于室內(nèi)空氣的比焓，引入新風增大了室內(nèi)空調(diào)冷負荷，增加的冷負荷就是常說的新風冷負荷。商場的新風耗冷時段主要集中在夏季，冷負荷高峰出現(xiàn)在6月28日，其值為226.0 W/m2，其中新風冷負荷為124.8 W/m2，占空調(diào)運行總負荷的55.2%。

隨著室外空氣比焓降低到低于室內(nèi)空氣比焓，商場空調(diào)系統(tǒng)的運行進入新風節(jié)冷時段。此時，空調(diào)仍處于供冷模式，但不同的是新風的引入降低了空調(diào)冷負荷，定新風模型的逐日冷負荷均小于零新風模型的逐日冷負荷。室外新風的比焓低于室內(nèi)空氣的比焓，引入的新風帶走了室內(nèi)余熱，新風成為“免費冷源”，新風冷負荷為負值。在新風節(jié)冷時段，空調(diào)冷負荷降低明顯，在某些時段甚至不需要空調(diào)制冷，節(jié)能效果顯著。以11月7日為例，零新風模型的冷負荷為66.0 W/m2，而引入新風后，冷負荷降為9.5 W/m2。引入新風減少的冷負荷為56.5 W/m2，節(jié)冷率達85.6%。

由于商場內(nèi)區(qū)占比大，又存在著人員和燈光等大量熱源，因此零新風模型在冬季也需要供冷。當室外空氣比焓進一步降低，商場通入設計額定新風量后，商場空調(diào)系統(tǒng)由供冷模式轉(zhuǎn)變?yōu)楣崮Ｊ?，空調(diào)的運行進入新風耗熱時段。在該時段零新風模型的冷負荷基本為50～100 W/m2。而定新風模型商場內(nèi)的空調(diào)負荷轉(zhuǎn)變?yōu)?～50 W/m2的熱負荷。引入新風導致空調(diào)系統(tǒng)從供冷模式變成供熱模式，而負荷的數(shù)值總體降低。在新風耗熱時段，新風的節(jié)能性可以通過比較空調(diào)系統(tǒng)的耗電量做進一步的分析。

2.3 商場空調(diào)耗電量分析

采用空氣源熱泵作為冷熱源的純電空調(diào)系統(tǒng)可以通過比較空調(diào)耗電量來分析新風的節(jié)能性，商場全年的定新風模型和零新風模型的逐日空調(diào)用電負荷和耗電量分別見圖3和圖4。在新風耗冷區(qū)，空調(diào)系統(tǒng)處于制冷模式，新風引入增加了空調(diào)冷負荷，定新風模型的用電負荷大于零新風模型。經(jīng)統(tǒng)計，全年新風耗冷的總天數(shù)為129 d，全年定新風模型的空調(diào)總耗電量為56.7 kW·h/m2，零新風模型的空調(diào)總耗電量為39.1 kW·h/m2。新風負荷的能耗為17.6 kW·h/m2，占總能耗的31.0%。在新風節(jié)冷時段，由于通入的低比焓室外新風帶走的是室內(nèi)的多余熱量，空調(diào)系統(tǒng)雖仍處于制冷模式，但冷負荷相比零新風模型降低了，其能耗也降低了。全年的新風耗冷總天數(shù)為108 d，新風模型空調(diào)總耗電量為12.7 kW·h/m2，零新風模型的空調(diào)總耗電量為20.8 kW·h/m2。新風節(jié)省的電能為8.1 kW·h/m2，占總能耗的38.9%。在新風耗熱時段，室外空氣比焓進一步降低。低溫的新風帶走室內(nèi)余熱之外，還引入了熱負荷，此時空調(diào)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成制熱模式。分析能耗情況，發(fā)現(xiàn)定新風模型在某些日期的耗電接近零，大幅低于零新風模型。同時也存在定新風模型某些日期的耗電量高于零新風模型。究其原因，通入室外的低比焓新風后，首先會抵消掉室內(nèi)余熱，然后才會轉(zhuǎn)化成剩余熱負荷。當室內(nèi)剩余熱負荷較小時，空調(diào)耗電量也會比較少，從而表現(xiàn)出定新風模型更節(jié)能。但是當室外空氣比焓過低時，室內(nèi)的熱負荷就會增大，同時由于室外降溫導致空氣源熱泵主機制熱效率降低，兩者的疊加影響使得空調(diào)系統(tǒng)的制熱能耗大幅增加。冷熱轉(zhuǎn)換區(qū)的總天數(shù)為128 d，空調(diào)總耗電量為10.0 kW·h/m2，零新風模型下的空調(diào)耗電量為14.6 kW·h/m2。比較發(fā)現(xiàn)，引入新風仍相對節(jié)約了電能。在冷熱轉(zhuǎn)換區(qū)新風總共節(jié)約的電能為4.6 kW·h/m2，占空調(diào)總能耗的31.5%。

圖3 商場逐日空調(diào)用電負荷

圖4 空調(diào)耗電量

3 新風節(jié)能管理分析

研究空調(diào)新風對空調(diào)負荷影響的最終目的是為了管理新風，從而在保證人員舒適度的同時降低空調(diào)能耗。對新風的管理可以根據(jù)新風在不同時段的負荷特性來制定相應的措施。

在新風耗冷時段，新風負荷是空調(diào)負荷的重要組成部分，大幅增加了室內(nèi)的空調(diào)負荷。通過控制新風送入量能達到顯著的節(jié)能效果[7-8]。由于送入新風的作用是稀釋室內(nèi)空氣中的污染物，降低室內(nèi)CO2濃度，提高室內(nèi)空氣的舒適度，減少新風會增加室內(nèi)污染的風險。因此，采取減少新風量措施時，需同時利用傳感器監(jiān)控室內(nèi)CO2等污染物的濃度。當室內(nèi)污染物濃度超過控制上限時，應及時通過控制風閥加大新風送入量。文獻[9]介紹了通過監(jiān)測室內(nèi)CO2和TVOC實現(xiàn)新風控制的方法。新風帶入的冷負荷由空調(diào)主機承擔，建筑節(jié)能要以保證人員呼吸健康作為前提。通過對新風送入量的合理控制，達到節(jié)能和健康兩者的平衡。

在新風節(jié)冷時段，引入新風能夠降低空調(diào)冷負荷，新風是商場的“免費冷源”。在這個時段，新風節(jié)能的措施應當是通過加大新風量來帶走更多的室內(nèi)余熱。由于室外空氣比焓低于室內(nèi)空氣比焓，理想情況下只要送入足夠的新風就可以滿足室內(nèi)的供冷需求，空調(diào)主機不需工作。但在實際運行過程中，新風也不可能無限量送入。在節(jié)約空調(diào)冷量的同時也需要比較風機能耗[10]及滿足室內(nèi)氣流組織的舒適度要求。當新風量達到設計上限后，需要開啟空調(diào)主機為商場供冷。

在新風耗熱時段，室外空氣比焓進一步降低。當商場內(nèi)按照設計送入額定新風量時，空調(diào)需要運行制熱來抵消新風帶入的冷量。因此，減少新風量能夠減少空調(diào)能耗。此時段的新風節(jié)能管理也需要減少新風量。理想情況下通過減少新風量可以達到余熱平衡，空調(diào)主機無需開啟。但與新風耗冷時段一樣，減少新風量會提高室內(nèi)污染物濃度，在運行過程中也需要監(jiān)控室內(nèi)CO2等污染物的濃度，并利用新風進行控制。不同的是空調(diào)主機需要開啟制熱模式。

4 結(jié)語

本文通過能耗模擬軟件建立了杭州地區(qū)的商場模型并進行了全年空調(diào)負荷及耗電量模擬。通過對模擬數(shù)據(jù)的統(tǒng)計和定量分析，揭示了新風對商場空調(diào)負荷及耗電量的影響規(guī)律。根據(jù)新風在空調(diào)系統(tǒng)運行中所起的不同作用，將全年的空調(diào)運行時段劃分為新風耗冷、新風節(jié)冷和新風耗熱。新風耗冷時段的室外空氣平均比焓大于58 kJ/kg，新風節(jié)冷時段的室外空氣平均比焓為25～62 kJ/kg，而新風耗熱時段的室外空氣平均比焓為5～46 kJ/kg，比焓的數(shù)值重疊部分為相鄰時段的過渡階段。通過劃分時段進行分析，可以更加明確地認識到新風在全年度里對空調(diào)系統(tǒng)的影響，也只有在此基礎上才能采取更有針對性的新風控制措施來實現(xiàn)空調(diào)節(jié)能和人員呼吸健康的平衡。該方法適用于其他商場及其他類型的建筑。