空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行能效評價(jià)研究

劉 成

(咸寧職業(yè)技術(shù)學(xué)院 工學(xué)院，湖北 咸寧 437100)

我國公共建筑的面積在不斷擴(kuò)大，能耗也隨之增加。如何控制空調(diào)能耗的快速增長、提高節(jié)能減排水平、緩解能源供應(yīng)緊張局面具有非常重要的意義?？照{(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行能耗包括制冷主機(jī)、水泵、風(fēng)機(jī)和空調(diào)末端裝置等，各部分相互影響、互相關(guān)聯(lián)，這導(dǎo)致傳統(tǒng)的空調(diào)運(yùn)行能耗指標(biāo)具有局限性，無法有效評測空調(diào)的實(shí)際能耗，因此有必要采取科學(xué)有效的方法對實(shí)際運(yùn)行的空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行評測，提升整體的運(yùn)行效能，降低能源消耗。實(shí)際運(yùn)行中，不僅要考慮單個(gè)設(shè)備的運(yùn)行情況和設(shè)備間的耦合特性，還要考慮制冷機(jī)組是處于部分負(fù)荷還是全負(fù)荷狀態(tài)，因此需采用動(dòng)態(tài)評價(jià)指標(biāo)，科學(xué)評價(jià)系統(tǒng)的整體運(yùn)行情況。

1 空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行能耗指標(biāo)

1.1 空調(diào)系統(tǒng)能耗系數(shù)(CEC)

它表示空調(diào)系統(tǒng)全年總耗能量與假想空調(diào)負(fù)荷全年累計(jì)值之比，可以判斷空調(diào)系統(tǒng)全年能量使用效率大小。由于全年假想的空調(diào)負(fù)荷計(jì)算需要利用詳細(xì)的氣象資料，但建筑類型多樣，導(dǎo)致這些資料不全且難于收集[1]。此外，全年負(fù)荷包括內(nèi)部熱濕負(fù)荷、新風(fēng)負(fù)荷及建筑傳熱等多項(xiàng)負(fù)荷，由于是假想值，計(jì)算該值又與實(shí)際運(yùn)行時(shí)的負(fù)荷有很大差別，可見 CEC 指標(biāo)的實(shí)用性并不高。若評定空調(diào)系統(tǒng)制冷及不同控制策略運(yùn)行的優(yōu)劣，需要測定它在某一時(shí)間段內(nèi)不同時(shí)刻的瞬時(shí)能效，采用CEC指標(biāo)評定無法實(shí)現(xiàn)。

1.2 季節(jié)能效比(SEER)

它表示空調(diào)(供熱)季節(jié)總的制冷(熱)量與總輸入功率之比。SEER反映了空調(diào)系統(tǒng)實(shí)際能耗水平，為總能耗及設(shè)備性能的選型提供了科學(xué)依據(jù)。季節(jié)能效比的數(shù)值越大，表明空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行效率越高，在相同的制冷(熱)條件下，總輸入功率越小，越節(jié)能。目前，對于不同類型的機(jī)組，季節(jié)能效比指標(biāo)大小的限定值還處于不確定狀態(tài)，國內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范并沒有給出明確的規(guī)定，評價(jià)等級(jí)不好確定[2]。

1.3 單位空調(diào)面積年耗電量指標(biāo)(AEC)

它表示空調(diào)系統(tǒng)年耗電量與空調(diào)面積之比。指標(biāo)僅以空調(diào)系統(tǒng)的年度單位面積耗電量來表示，并沒有考慮空調(diào)系統(tǒng)的實(shí)際制冷量和建筑用途，可能造成與系統(tǒng)運(yùn)行事實(shí)不符。如以城市購物廣場和辦公建筑的空調(diào)系統(tǒng)為例，由于購物廣場空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間長，各項(xiàng)負(fù)荷累加值大，所需的制冷量明顯比辦公建筑制冷量大得多，假定最終測算的能耗均為120 kWh/m2，就不能直接判斷購物廣場的空調(diào)系統(tǒng)和辦公建筑的空調(diào)系統(tǒng)具有同樣的耗能。事實(shí)上，購物廣場空調(diào)系統(tǒng)在運(yùn)行中，單位電量產(chǎn)生的制冷量比辦公建筑高得多，應(yīng)該更節(jié)能。因此，片面強(qiáng)調(diào)單位面積耗電量指標(biāo)顯然不適用于不同類型建筑的空調(diào)系統(tǒng)比較。

1.4 全年能源消耗效率(APF)

它表示室內(nèi)空氣中除去的冷量與送入室內(nèi)的熱量總和與同期間內(nèi)消耗電量的總和之比[3]。該指標(biāo)綜合考慮了空調(diào)的制冷能力和制熱能力的能耗水平，可以較全面地表示全年能耗水平?？照{(diào)的能效比越大，在相同制冷量條件下就越節(jié)約電能。由于全年的空調(diào)負(fù)荷計(jì)算難度較大，導(dǎo)致在中央空調(diào)系統(tǒng)中實(shí)際使用并不廣泛，主要應(yīng)用于小型空調(diào)系統(tǒng)，如分體式空調(diào)等。

上述4種空調(diào)系統(tǒng)能耗評價(jià)指標(biāo)在實(shí)施過程中存在數(shù)據(jù)獲取困難、標(biāo)準(zhǔn)不確定、適用性小等問題，并不能完全滿足空調(diào)系統(tǒng)綜合運(yùn)行能效評價(jià)的要求，因此提出一種專門針對空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行能效的評價(jià)指標(biāo)，該評價(jià)指標(biāo)既可以為空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能提供指導(dǎo)，又方便獲取參數(shù)，可保證計(jì)算的精準(zhǔn)性，廣泛適用于不同類型的中央空調(diào)系統(tǒng)。同時(shí)，該指標(biāo)也可滿足對瞬時(shí)能效和平均能效計(jì)算的要求。

2 空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行能效比的計(jì)算

2.1 計(jì)算公式

在實(shí)際運(yùn)行過程中，空調(diào)系統(tǒng)的能效會(huì)隨很多因素的變化而變化，需要對運(yùn)行階段不同工況下的空調(diào)能效進(jìn)行評價(jià)[4]?？照{(diào)系統(tǒng)運(yùn)行能效比是在空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行的某時(shí)刻，空調(diào)系統(tǒng)的部分制冷量與其電耗 (非電耗折算成電耗)之比。其計(jì)算式為：

(1)

式中，Q—空調(diào)系統(tǒng)在部分負(fù)荷下的制冷量(kW)，規(guī)定是額定制冷量在 0～100%范圍內(nèi)的取值；制冷量是按照公式Q=CpmΔt進(jìn)行計(jì)算的(其中，Cp—水的定壓比熱容，通常情況下取4.2 kJ/kg·℃；m—空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行中冷凍水的流量kg/s；Δt—進(jìn)出蒸發(fā)器時(shí)，冷凍水的溫差，℃)。此外，冷凍水進(jìn)出水溫差Δt一般是利用溫度計(jì)取數(shù)，而冷凍水的質(zhì)量流量m一般是用流量計(jì)取數(shù)。

∑Ni—空調(diào)系統(tǒng)在部分負(fù)荷下，各設(shè)備所消耗的電量的總和，kW；

N1、N2、N3—分別表示在部分負(fù)荷下，冷水機(jī)組、冷卻塔和冷卻泵消耗的電量(kW)；

N4—部分負(fù)荷下，冷凍水泵耗電量的總和(kW)；

N5—部分負(fù)荷下，空調(diào)末端設(shè)備耗電量的總和(kW)。

2.2 空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行能效比(SOEER)的計(jì)算分析

SOEER計(jì)算公式中考慮了空調(diào)系統(tǒng)機(jī)組制冷量和系統(tǒng)各設(shè)備的綜合耗電量的大小，體現(xiàn)了系統(tǒng)運(yùn)行的綜合能效水平。它的各項(xiàng)數(shù)值獲取容易，可以利用相關(guān)儀器快速獲取，也便于計(jì)算，因此利用SOEER值可評估空調(diào)系統(tǒng)瞬時(shí)能耗水平，如通過測定某一時(shí)刻的各項(xiàng)指標(biāo)值就可以得到對應(yīng)的能效比值，也可評估一段時(shí)間內(nèi)的平均能耗水平?？梢垣@取某一段內(nèi)的各項(xiàng)指標(biāo)值求得平均能效比。在保證建筑用戶舒適度的前提條件下，其值越低則說明系統(tǒng)越耗能，處于低效能運(yùn)行狀態(tài)，因此增大SOEER的值，可以減少空調(diào)系統(tǒng)的總能耗。

SOEER值與制冷機(jī)組的選型密切相關(guān)。制冷機(jī)組的能耗占比較大，超過總能耗的50%，對整個(gè)系統(tǒng)的影響非常大；制冷機(jī)組COP值直接決定其值大小。通常情況下，當(dāng)系統(tǒng)其他設(shè)備運(yùn)行正常時(shí)，COP值越大則表示SOEER也可能較大。

3 實(shí)例分析

以夏熱冬冷地區(qū)的某商業(yè)辦公建筑為例，該中央空調(diào)系統(tǒng)由離心式冷水機(jī)組、定流量的二次冷凍水系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)和空調(diào)機(jī)組和新風(fēng)機(jī)組等組成?？照{(diào)系統(tǒng)能效指標(biāo)測算的相關(guān)監(jiān)測參數(shù)，包括冷凍水流量、進(jìn)出口溫度、輸入功率、冷卻水流量、進(jìn)出口溫度、輸入巧率、冷卻塔輸入功率、冷水機(jī)組輸入功率等的監(jiān)測數(shù)據(jù)等[5]，相關(guān)數(shù)值見表1，運(yùn)行能效比由公式(1)確定。

表1 檢測數(shù)據(jù)數(shù)值計(jì)算一覽表Tab.1 Numerical calculation of test data

測試結(jié)果分析。

A.冷水機(jī)組的COP。

設(shè)冷水機(jī)組功耗占空調(diào)系統(tǒng)總功耗的權(quán)重為：

(2)

則空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行能效為：

(3)

由公式(3)得，SOEER是由COP值和冷水機(jī)組功耗與空調(diào)系統(tǒng)總能耗的權(quán)重x共同決定的，其中x的數(shù)值由公式(2)確定。從表2可知，COP值與運(yùn)行能效存在三次多項(xiàng)式關(guān)系，見圖2。當(dāng)冷水機(jī)組運(yùn)行的COP值超過它的額定值時(shí)，COP值對SOEER值影響最大，如時(shí)點(diǎn)1、2中的實(shí)際COP值超過額定數(shù)值為6.26，此時(shí)SOEER值較大。

圖2 冷水機(jī)組COP值與SOEER的相互關(guān)系圖示Tab.2 Relationship between COP value and SOEER of the water chilling unit

當(dāng)冷水機(jī)組運(yùn)行的COP值低于它的額定值時(shí)，SOEER受x值影響較大，COP值的約束作用表現(xiàn)較弱。當(dāng)空調(diào)系統(tǒng)實(shí)際上處于部分負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，應(yīng)通過采取合理措施，盡量增加x的權(quán)重值。一般可將冷凍供回水的溫差設(shè)定為合理值，減低水泵的流量，若水泵有變頻調(diào)節(jié)裝置，可以降低它的輸入功率，令x增大；也可以通過關(guān)停不必要的末端裝置，杜絕浪費(fèi)，減少該裝置的輸出，達(dá)到減少設(shè)備能耗的目的。以時(shí)點(diǎn)3為例，當(dāng)空調(diào)末端輸入功率降至與時(shí)點(diǎn)2為相同值時(shí)，則SOEER值與時(shí)點(diǎn)2相同，冷水機(jī)組的COP值和運(yùn)行能效值見表2。

表2 冷水機(jī)組的COP值和運(yùn)行能效值Tab.2 COP value and operation energy efficiency value of the water chilling unit

B.水泵的效率。

水泵效率決定了功率的大小，從而影響SOEER值。在相同的流量和揚(yáng)程下，水泵的效率越高，消耗的功率反而小，空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行能效就越高。以時(shí)點(diǎn)4和11為例，冷卻水泵的流量幾乎相同，但由于時(shí)點(diǎn)4的效率高，導(dǎo)致時(shí)點(diǎn)4的運(yùn)行效能高于時(shí)點(diǎn)11。

C.水的溫差。

水的溫差對運(yùn)行能效比和COP值的影響并不顯著。以冷凍水為例，通過擬合冷凍水溫差分別與COP值、運(yùn)行能效比，發(fā)現(xiàn)它們并不存在顯著關(guān)系。從圖3可以看出，在部分時(shí)點(diǎn)處，冷凍水溫差增大，COP值同步增大；在其他點(diǎn)，兩者出現(xiàn)了反向變化的趨勢，冷凍水的溫差隨COP值進(jìn)行無規(guī)律性變化。

圖3 冷凍水溫差、COP值和SOEER的變化趨勢Fig.3 Changing trend of chilled water temperature difference, COP value and SOEER

4 結(jié)語

評價(jià)指標(biāo)可充分考慮各運(yùn)行設(shè)備的實(shí)際輸入功率，客觀真實(shí)地反映空調(diào)系統(tǒng)實(shí)際能耗水平?？照{(diào)系統(tǒng)運(yùn)行能效比的提出為空調(diào)系統(tǒng)評價(jià)提供了一套簡單易行的指標(biāo)體系，可操作性強(qiáng)，也可進(jìn)行圖表化顯示。通過對其運(yùn)行狀況進(jìn)行測定和計(jì)算，為空調(diào)科學(xué)運(yùn)行提供了數(shù)據(jù)支撐，可指導(dǎo)系統(tǒng)維護(hù)人員按照空調(diào)負(fù)荷的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，改進(jìn)和提高空調(diào)系統(tǒng)在部分負(fù)荷下的運(yùn)行效率。通過選擇科學(xué)合理的運(yùn)行策略，如設(shè)定不同冷凍供水溫度，比較在不同部分負(fù)荷下的SOEER值大小，選取較優(yōu)的運(yùn)行方式，對比設(shè)計(jì)和運(yùn)行能效值的大小，輔以相關(guān)理論指導(dǎo)，判定空調(diào)系統(tǒng)是否節(jié)能。通過尋找空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷和SOEER值變化規(guī)律，指導(dǎo)運(yùn)行管理人員科學(xué)精準(zhǔn)地調(diào)節(jié)空調(diào)系統(tǒng)，在提升制冷機(jī)組運(yùn)行的COP值基礎(chǔ)上，應(yīng)盡量提升水泵工作效率，可以在一定程度滿足室內(nèi)環(huán)境熱舒適性，同步提高空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行能效，達(dá)到系統(tǒng)節(jié)能的目的。