輻射供冷系統(tǒng)的節(jié)能性分析

彭鵬

(天津大學(xué)建筑設(shè)計規(guī)劃研究總院，天津 300073）

1 引言

輻射供冷+獨(dú)立新風(fēng)系統(tǒng)是一種節(jié)能、舒適的空調(diào)方式。這種空調(diào)系統(tǒng)中，獨(dú)立新風(fēng)和冷卻頂板是兩個平行的子系統(tǒng)，獨(dú)立新風(fēng)系統(tǒng)用來解決通風(fēng)換氣問題，承擔(dān)新風(fēng)負(fù)荷、濕負(fù)荷及部分顯熱負(fù)荷，剩余的顯熱負(fù)荷則由冷卻頂板來承擔(dān)。這兩種技術(shù)系統(tǒng)的結(jié)合也是溫濕度分離控制技術(shù)的一個具體體現(xiàn)，相關(guān)的工程熱力學(xué)分析已經(jīng)說明了它們的節(jié)能效果[1]。

本文結(jié)合中國華北地區(qū)典型氣候特點(diǎn)，采用溫頻法，以某一辦公建筑為例，計算討論輻射供冷+獨(dú)立新風(fēng)系統(tǒng)空調(diào)期間能耗量，通過與常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)（風(fēng)機(jī)盤管+.新風(fēng)）能耗的比對，定量分析輻射供冷系統(tǒng)在中國華北地區(qū)應(yīng)用的節(jié)能效果。

2 能耗計算方法

溫頻法（B I N方法）是一種簡化的建筑能耗計算方法，其首先根據(jù)某地氣象數(shù)據(jù)，統(tǒng)計出一定溫度間隔的溫度段各自出現(xiàn)的小時數(shù)。然后分別計算在不同溫度頻段下的建筑能耗，并將計算結(jié)果乘以各頻段的小時數(shù)，相加便可得到全年的能耗量。

B I N方法假設(shè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷（包括日射及溫差負(fù)荷）可變換成室外氣溫的線性關(guān)系。取溫度段的中間溫度（平均溫度）作為代表溫度，該溫度段內(nèi)溫度出現(xiàn)的小時數(shù)就是代表溫度出現(xiàn)的小時數(shù)，用代表溫度計算出負(fù)荷乘以頻數(shù)是該溫度段的能耗。

B I N方法中，新風(fēng)的潛熱負(fù)荷與室外空氣含濕量存在線性關(guān)系，含濕量取決于該頻段的中點(diǎn)溫度和平均濕球溫度（對應(yīng)的各小時濕球溫度的平均值）。

輻射供冷+獨(dú)立新風(fēng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了溫濕度的獨(dú)立控制，總的能耗應(yīng)分兩部分進(jìn)行計算，包括冷卻頂板系統(tǒng)和獨(dú)立新風(fēng)系統(tǒng)。系統(tǒng)的這種特點(diǎn)決定了溫頻法的適用性，原因如下：

（1）溫頻法中室內(nèi)負(fù)荷的計算對應(yīng)于冷卻頂板系統(tǒng)所承擔(dān)的顯熱負(fù)荷。而且由于能耗是分頻段進(jìn)行計算的，所以考慮了空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備的部分負(fù)荷性能。

（2）新風(fēng)負(fù)荷計算對應(yīng)于獨(dú)立新風(fēng)系統(tǒng)能耗。

但是由于獨(dú)立新風(fēng)系統(tǒng)承擔(dān)室內(nèi)潛熱負(fù)荷，在室內(nèi)人員變動不大的情況下，可以認(rèn)為室內(nèi)潛熱負(fù)荷和新風(fēng)量是一定的。這樣，送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)是一定的。因此，新風(fēng)負(fù)荷只取決于室外空氣的逐時氣象參數(shù)，與室外溫度無關(guān)。而且B I N方法中某一頻段含濕量的計算，是依據(jù)該頻段中點(diǎn)的干球溫度及對應(yīng)的濕球溫度的平均值得出的，它沒有體現(xiàn)出負(fù)荷受溫、濕度同時作用的變化。因此，用溫頻法計算的新風(fēng)能耗結(jié)果會偏離實(shí)際情況的結(jié)果。

3 天津市B I N氣象參數(shù)分析

根據(jù)天津地區(qū)典型氣象年的逐時參數(shù)報表，以2℃溫差作為一個溫頻段，得到天津地區(qū)空調(diào)期B I N氣象參數(shù)[2-4]?？照{(diào)機(jī)組冬夏季8:00-18:00運(yùn)行，其B I N氣象參數(shù)見表1。

4 輻射供冷系統(tǒng)能耗計算

4.1 建筑模型

本文以天津地區(qū)某一虛擬辦公建筑（20×15×3m）為研究對象，取夏季室內(nèi)溫度27℃，相對濕度50%，冬季溫度20℃，相對濕度50%。在此辦公樓內(nèi)每層平均35人，四層共140人工作。每人新風(fēng)量30m3/h?？偨ㄖ娣e1200m2。工作時間8：00—18：00，空調(diào)期內(nèi)室內(nèi)保持正壓，可不計算滲透負(fù)荷。照明設(shè)備負(fù)荷按18W/m2，工作時間使用，同時使用系數(shù)0.5。

圖2 輻射供冷系統(tǒng)的系統(tǒng)形式

4.2 輻射供冷系統(tǒng)模型建立

輻射供冷系統(tǒng)的系統(tǒng)形式見圖2

該系統(tǒng)的特點(diǎn)是新風(fēng)機(jī)組冷凍水供水與冷卻吊頂冷凍水供水由獨(dú)立運(yùn)行的兩個冷水機(jī)組分別供給。冷卻吊頂要求的供水溫度較高，一般在16℃左右，如果制冷機(jī)直接制備這樣較高溫度的冷凍水，相應(yīng)地可提高制冷機(jī)組的蒸發(fā)溫度，改善制冷機(jī)的性能系數(shù)，進(jìn)而降低其能耗。冷卻頂板冷凍水大水流量通常采用二級泵系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。在過渡季節(jié)使用深井水作為冷源是可行的。

圖3 輻射供冷系統(tǒng)的新風(fēng)處理過程

圖3為輻射供冷系統(tǒng)的新風(fēng)處理過程，新風(fēng)應(yīng)承擔(dān)室內(nèi)的全部的濕負(fù)荷，部分或全部的顯熱負(fù)荷。獨(dú)立新風(fēng)系統(tǒng)通?？梢杂扇珶峤粨Q器、深冷盤管、顯熱交換器和送回風(fēng)機(jī)等組成。

4.3 能耗計算

空調(diào)制冷系統(tǒng)能耗的計算包括制冷機(jī)組、新風(fēng)機(jī)組、水泵和風(fēng)機(jī)、末端設(shè)備等。求出不同溫頻段設(shè)備能耗量，乘以該溫頻段的時間，就可以大致求出設(shè)備的總能耗量。所有的設(shè)備耗能量應(yīng)統(tǒng)一歸為耗電量。

4.3.1 新風(fēng)機(jī)組能耗計算

圖3中N點(diǎn)和W點(diǎn)已知，利用公式（9），可以確定新風(fēng)機(jī)組的機(jī)器露點(diǎn)d o，與90%相對濕度線相交，就可確定L點(diǎn)。

式中：dN-室內(nèi)空氣含濕量，k g/k g

do-新風(fēng)機(jī)組的機(jī)器露點(diǎn)含濕量k g/k g

Qq-室內(nèi)潛熱負(fù)荷，kW

Gx-新風(fēng)量，k g/s

tn-室內(nèi)溫度，℃

（2500-2.3468t n）-室內(nèi)溫度t n下水蒸氣的汽化潛熱，k J/k g這樣新風(fēng)機(jī)組能耗為Q新=G x（tW-tL）

用溫頻法進(jìn)行新風(fēng)機(jī)組能耗計算的過程見表2。

4.3.2 冷卻吊頂能耗計算

新風(fēng)承擔(dān)的室內(nèi)顯熱量Qxx=1.01Gx（tN-tL）

冷卻頂板的顯熱量Q l x=Q x-Q x x

然后分別計算在不同溫度頻段下的能耗量及總能耗量。

由負(fù)荷計算結(jié)果得：

夏季室內(nèi)顯熱負(fù)荷為2.561t-12.754；

冬季室內(nèi)顯熱負(fù)荷為2.561t-39.35。

冷卻吊頂?shù)哪芎挠嬎氵^程見表3。

4.3.3 設(shè)備選型及耗電量計算

設(shè)備的選型應(yīng)根據(jù)天津室外干濕球計算溫度進(jìn)行計算，干球溫度33.4℃，濕球溫度26.9℃，分別計算得出冷卻吊頂和新風(fēng)機(jī)組的制冷量，選擇新風(fēng)機(jī)組、冷水機(jī)組、冷卻塔、水泵和風(fēng)機(jī)等設(shè)備，獲得各設(shè)備的輸入功率。

設(shè)備能耗計算如下：

風(fēng)機(jī)、水泵的電機(jī)功率

圖4 各分項(xiàng)設(shè)備耗電量餅圖

式中E—冷水機(jī)組全年總能耗，kW;

Q—冷水機(jī)組年制冷量，kW；冷水機(jī)組年制冷量Q用空調(diào)假想負(fù)荷乘以1.2得到；

COP—冷水機(jī)組性能系數(shù)，kW/kW。

其他設(shè)備的功率可以根據(jù)其電功率乘以時間進(jìn)行計算。

具體計算見表4。

5 常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)能耗計算

5.1 常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)模型

新風(fēng)與風(fēng)機(jī)盤管的空氣處理過程及送風(fēng) (風(fēng)機(jī)盤管送風(fēng)和新風(fēng)）在室內(nèi)的狀態(tài)變化過程在h-d圖上的表示，如圖4所示。新風(fēng)處理到室內(nèi)空氣的焓值，而風(fēng)機(jī)盤管承擔(dān)室內(nèi)人員、設(shè)備冷負(fù)荷和建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)冷負(fù)荷。

式中：N-電機(jī)功率，kW

K-富裕值

P-全壓，Pa

Q-風(fēng)量、水量，m 3/s

m-效率

空調(diào)設(shè)備中冷水機(jī)組全年總能耗計算公式如下:

圖5 風(fēng)機(jī)盤管+新風(fēng)系統(tǒng)空氣處理過程

5.2 能耗計算

（1）能耗計算

如圖4中，室內(nèi)狀態(tài)點(diǎn)N，L點(diǎn)和室內(nèi)狀態(tài)點(diǎn)N焓值相同，O點(diǎn)為送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)，按室外溫度33℃時計算室內(nèi)余熱量、余濕量、熱濕比線，選定送風(fēng)溫差8℃，可以確定O點(diǎn)，連接LO，與90%相對濕度線交于F點(diǎn)，所有狀態(tài)點(diǎn)就可以確定下來。

同樣可計算出各溫頻段風(fēng)機(jī)盤管的能耗量及總能耗量。

冷水機(jī)組的能耗計算見表5。

由逐時法計算得新風(fēng)機(jī)組的能耗量為11175.33kWh

（2）設(shè)備選型及耗電量計算

同理，風(fēng)機(jī)盤管+新風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)備選型也應(yīng)該根據(jù)室外干濕球溫度進(jìn)行。

由式（2）和（3）分別計算新風(fēng)機(jī)組、冷卻水泵、冷凍水泵、風(fēng)機(jī)盤管冷水機(jī)組和冷卻塔等設(shè)備的耗電量，相加即得總耗電量。

耗電量計算見表6。

經(jīng)計算，此系統(tǒng)的總耗電量Q 1=27241.1K Wh

6 能耗結(jié)果比較與分析

根據(jù)以上計算結(jié)果，冷卻頂板+獨(dú)立新風(fēng)系統(tǒng)比風(fēng)機(jī)盤管+新風(fēng)系統(tǒng)節(jié)能，節(jié)能率為10.8%

同時，由餅示圖4及圖6得，輻射供冷系統(tǒng)與常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)相比，風(fēng)機(jī)水泵能耗所占的比例較大，而冷水機(jī)組所占比例較小。這主要是因?yàn)?，冷卻頂板的冷凍水供回水溫差一般為2-3℃，比常規(guī)空調(diào)供回水溫差（5℃）小，導(dǎo)致冷凍水流量較大；而由于冷卻頂板冷凍水供水溫度高，提高了冷水機(jī)組的性能系數(shù)，從而使機(jī)組能耗降低。

圖6 各分項(xiàng)設(shè)備耗電餅圖

7 結(jié)論

根據(jù)以上計算過程，可以得出以下結(jié)論：

（1）通過兩種方法對新風(fēng)負(fù)荷的計算，溫頻法的計算結(jié)果比逐時法偏小，原因是溫頻法對濕球溫度進(jìn)行了平均，使得濕球溫度偏小，但是這種方法簡化了建筑負(fù)荷的計算過程，可以對部分負(fù)荷進(jìn)行模擬，對我們研究建筑能耗及節(jié)能工作很有幫助。

（2）輻射供冷系統(tǒng)比常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)（風(fēng)機(jī)盤管+新風(fēng)）節(jié)能

（3）輻射供冷系統(tǒng)比常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)（風(fēng)機(jī)盤管+新風(fēng)）空調(diào)季節(jié)耗電量節(jié)省10.8%。雖然只是對空調(diào)季節(jié)的節(jié)能效果進(jìn)行了比較，不過對于華北地區(qū)來說，冷負(fù)荷相對于熱負(fù)荷較大，節(jié)省冷負(fù)荷就可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。

[1]江億等.溫濕度獨(dú)立控制.中國建筑工業(yè)出版社.2004.

[2]龍惟定.用B I N參數(shù)作建筑物能耗分析[J].建筑技術(shù)通訊.1992，(2）:6-9.

[3]蘇芬仙.蘇華.B I N法能耗計算中頻數(shù)間隔分析及選用[J].低溫建筑技術(shù).2001，(3）:56-58.

[4]龍惟定.上海地區(qū)的B I N氣象參數(shù)[J].制冷技術(shù).1990，(4）:1-3.

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