張智文，張啟林，康麗艷，王彥禹

( 上海海事大學(xué),上海 201306 )

上海某辦公樓THIC空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能效果分析

張智文，張啟林，康麗艷，王彥禹

( 上海海事大學(xué),上海 201306 )

[摘要]本文通過分析上海某辦公樓THIC空調(diào)系統(tǒng)(溫濕度獨(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng))的能耗比例，指出對(duì)于THIC空調(diào)系統(tǒng)中處理顯熱的系統(tǒng)，因冷水機(jī)組隨蒸發(fā)溫度的提高使COP值提高而節(jié)能;對(duì)于THIC空調(diào)系統(tǒng)中處理潛熱的系統(tǒng)，因溶液再生能耗有可能抵消甚至超過處理顯熱系統(tǒng)節(jié)約的能耗,從而會(huì)造成THIC系統(tǒng)相比于常規(guī)系統(tǒng)不節(jié)能的后果。

[關(guān)鍵詞]THIC空調(diào)系統(tǒng)；新風(fēng)處理；節(jié)能

1引言

THIC空調(diào)系統(tǒng)中，采用溫度與濕度兩套獨(dú)立的空調(diào)控制系統(tǒng)，分別控制、調(diào)節(jié)室內(nèi)的溫度與濕度，從而避免了常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)中熱濕聯(lián)合處理所帶來的損失。由于溫度、濕度采用獨(dú)立的控制系統(tǒng)，可以滿足不同房間熱濕比不斷變化的要求，克服了常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)中難以同時(shí)滿足溫、濕度參數(shù)的要求，避免了室內(nèi)濕度過高(或過低)的現(xiàn)象。

THIC空調(diào)系統(tǒng)的基本組成為：處理顯熱的系統(tǒng)與處理潛熱的系統(tǒng)，兩個(gè)系統(tǒng)獨(dú)立調(diào)節(jié)分別控制室內(nèi)的溫度與濕度，參見圖1。處理顯熱的系統(tǒng)包括：高溫冷源、余熱消除末端裝置，采用水作為輸送媒介。由于除濕的任務(wù)由處理潛熱的系統(tǒng)承擔(dān)，因而顯熱系統(tǒng)的冷水供水溫度不再是常規(guī)冷凝除濕空調(diào)系統(tǒng)中的7℃，而是提高到18℃左右，從而為天然冷源的使用提供了條件，即使采用機(jī)械制冷方式，制冷機(jī)的性能系數(shù)也有大幅度的提高。余熱消除末端裝置可以采用輻射板、干式風(fēng)機(jī)盤管等多種形式。此系統(tǒng)由新風(fēng)處理機(jī)組、送風(fēng)末端裝置組成，采用新風(fēng)作為能量輸送的媒介。但THIC空調(diào)系統(tǒng)與目前常用的用冷凍除濕的風(fēng)機(jī)盤管加新風(fēng)系統(tǒng)或全空氣系統(tǒng)相比就一定節(jié)能嗎?本文就此問題進(jìn)行探討。

圖1　THIC空調(diào)系統(tǒng)

2空調(diào)系統(tǒng)末端部分能耗分析

以上海地區(qū)某辦公樓為例進(jìn)行分析。該建筑標(biāo)準(zhǔn)層面積為2000m2，層高3.6m，標(biāo)準(zhǔn)層共20層,總面積為40000m2。每層有2個(gè)新風(fēng)系統(tǒng),各負(fù)擔(dān)1000m2。室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度為25℃,相對(duì)濕度為60%,且圍護(hù)結(jié)構(gòu)冷負(fù)荷指標(biāo)為20W/m2，照明設(shè)備的冷負(fù)荷指標(biāo)為31W/m2,人員密度為0.125人/m2。

其中1個(gè)空調(diào)系統(tǒng)承擔(dān)的總熱濕負(fù)荷如下:

圍護(hù)結(jié)構(gòu)冷負(fù)荷：20W/m2×1000m2=20kW；

照明冷負(fù)荷：31W/m2×1000m2=31kW；

人員冷負(fù)荷：0.125人/m2×1000m2×108W/人=13.5kW；

總冷負(fù)荷：64.5kW。

余濕為人員散濕量:

圖2　風(fēng)機(jī)盤管加新風(fēng)處理過程

0.125人/m2×1000m2×61g/(人·h)=7.625 kg/h。

按每人不小于30m3/h的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算的最小新風(fēng)量為:30m3/(人·h)×0.125人/m2×1000 m2=3750m3/h;按保持正壓的要求計(jì)算的最小新風(fēng)量為:1h-1×1 000m2×3.6m=3600m3/h。取二者大值,最小新風(fēng)量為3750m3/h。

常規(guī)的風(fēng)機(jī)盤管加新風(fēng)系統(tǒng)的新風(fēng)一般處理到室內(nèi)設(shè)計(jì)點(diǎn)等焓線上(見圖2,圖2各狀態(tài)點(diǎn)參數(shù)見表1),新風(fēng)處理機(jī)組只負(fù)擔(dān)新風(fēng)的全部冷負(fù)荷和部分濕負(fù)荷,由風(fēng)機(jī)盤管負(fù)擔(dān)房間全部的余熱余濕和部分新風(fēng)濕負(fù)荷。由于風(fēng)機(jī)盤管負(fù)擔(dān)濕負(fù)荷,因此此空氣處理過程稱為濕式風(fēng)機(jī)盤管處理過程(過程1c)，此時(shí)冷水供水溫度為7℃。

新風(fēng)耗冷量為:1.2 kg/m3×3750m3/h×(90.80 kJ/kg-55.54kJ/kg)/(3600s/h)=44.07 kW。

空調(diào)系統(tǒng)的總設(shè)計(jì)冷量為:

64.5kW+44.07kW=108.57kW。

按THIC空調(diào)系統(tǒng)功能的劃分，新風(fēng)處理機(jī)組負(fù)擔(dān)新風(fēng)自身和房間的全部濕負(fù)荷，同時(shí)也負(fù)擔(dān)了部分房間顯熱負(fù)荷，末端負(fù)擔(dān)剩余的房間顯熱負(fù)荷。圖3中給出新風(fēng)的3個(gè)處理過程(各狀態(tài)點(diǎn)參數(shù)見表1)。

表1各狀態(tài)點(diǎn)參數(shù)

溫度/℃相對(duì)濕度/%比焓/(kJ/kg)含濕量/(g/kg)露點(diǎn)溫度/℃室內(nèi)點(diǎn)N25.060.0055.5411.9016.54室外點(diǎn)W34.090.8022.0026.40O1點(diǎn)34.030.6060.5010.2114.20O2點(diǎn)22.961.8748.1610.2114.20O3點(diǎn)16.090.0041.9810.2114.20O4點(diǎn)20.690.0055.5413.6918.80

表2各處理過程負(fù)荷分配

總冷量/kW新風(fēng)耗冷量/kW新風(fēng)耗冷量比例/%末端耗冷量/kW末端耗冷量比例/%W→O1108.5737.8734.770.7065.3W→O2108.5753.3048.955.2752.1W→O3108.5761.0256.047.5544.0W→O4108.5744.0740.464.5059.6

圖3　除濕的3個(gè)處理過程

過程1：W→O1:等溫溶液除濕過程,用冷卻水帶走空氣中水蒸氣凝結(jié)散出的熱量；

過程2：W→O2:降溫溶液除濕過程,用較高溫度的冷水(17℃)；

過程3：W→O3:冷凍除濕過程,冷水溫度7℃。

各處理過程負(fù)荷分配見表2。

顯然過程1、2的新風(fēng)耗冷量均小于過程3,但這并不說明過程1和2的系統(tǒng)總耗冷量就低于過程3。由于室內(nèi)外設(shè)計(jì)參數(shù)都是相等的,因而系統(tǒng)總耗冷量是相等的。從表2中可以看出新風(fēng)處理點(diǎn)不同,改變的只是新風(fēng)系統(tǒng)和末端空調(diào)系統(tǒng)各自負(fù)擔(dān)的耗冷量比例。

圖4　干式風(fēng)機(jī)盤管空氣處理過程

3個(gè)過程的末端均采用干式風(fēng)機(jī)盤管(干式風(fēng)機(jī)盤管空氣處理過程見圖3),冷水供水溫度為17℃。選型資料表明,電壓縮冷水機(jī)組蒸發(fā)器出口的冷水溫度變化1℃,冷水機(jī)組COP值變化3%。上例標(biāo)準(zhǔn)層總建筑面積40000m2,總冷量為97.8kW×2×20=3912 kW。按《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50189-2005)規(guī)定,容量大于1163kW的離心式冷水機(jī)組在額定工況下的COP值不應(yīng)低于5.1,當(dāng)冷水供水溫度為17℃時(shí),其COP值增加為:5.1+5.1×3%×10=6.63,在冷量相同、其他條件都不變情況下,能耗增加比例為:5.1/6.63-1=-23.1%。

與風(fēng)機(jī)盤管的冷水供水溫度為7℃相比，末端部分因冷水機(jī)組COP值提高而能耗增加的比例見表3。顯然過程1的能耗減少比例最高。

表3末端部分能耗增加比例

末端耗冷量/kW末端耗冷量比例/%末端耗冷量增加比例/%W→O170.7065.3-15.1W→O255.2752.1-12.0W→O347.5544.0-10.2

3空調(diào)系統(tǒng)新風(fēng)部分能耗分析

溫度相同時(shí),鹽水表面飽和空氣層的水蒸氣分壓力低于水表面飽和空氣層的水蒸氣分壓力,當(dāng)空氣中的水蒸氣分壓力大于鹽水表面飽和空氣層的水蒸氣分壓力時(shí),空氣中的水蒸氣分子將向鹽水轉(zhuǎn)移,或者說被鹽水吸收,這是鹽水溶液吸濕的原理。

當(dāng)溶液溫度一定時(shí)，溶液濃度越高,鹽水表面飽和空氣層的水蒸氣分壓力越低,吸濕能力越強(qiáng);當(dāng)溶液濃度一定時(shí),溶液溫度越低,鹽水表面飽和空氣層的水蒸氣分壓力越低,吸濕能力越強(qiáng);當(dāng)鹽水表面飽和空氣層的水蒸氣分壓力一定時(shí),溶液溫度越低,溶液濃度越低。鹽水溶液的每條濃度線都相當(dāng)于h-d圖上某一條相對(duì)濕度曲線。因此,要保證濃溶液的吸濕能力必須要保證溶液的溫度變化在允許的范圍內(nèi)。

對(duì)于過程1來說,空氣中的水蒸氣向鹽水轉(zhuǎn)移過程中放出汽化潛熱,這部分潛熱必然使空氣溫度和溶液溫度升高,溶液溫度升高和溶液濃度降低使鹽水表面飽和空氣層的水蒸氣分壓力增大,溶液的吸濕能力減弱,因此利用冷卻水排熱以保持空氣進(jìn)出口溫度不變和溶液溫度上升在容許的范圍內(nèi)。由于冷卻水供水溫度一般在32℃左右,因此新風(fēng)送風(fēng)溫度較高,新風(fēng)部分負(fù)擔(dān)的總耗冷量比例較少。過程1新風(fēng)狀態(tài)只有潛熱變化沒有顯熱變化,潛熱完全由冷卻水帶走,不用電制冷機(jī)組提供任何冷量來處理新風(fēng),因此溶液除濕過程使能耗增加-34.7%,等于新風(fēng)耗冷量占全部耗冷量的比例,再與末端部分的相加,總能耗增加-34.7%-16.5%=-18.2%。又由于溶液再生過程的也要消耗能源，溶液吸收了空氣中的水蒸氣,濃度下降,吸濕能力減弱,只有通過加熱的方法,除去吸收的水分才能使吸濕能力恢復(fù)。過程1全部汽化潛熱被冷卻水帶走了,還需要給溶液補(bǔ)充至少等量的熱量才能使溶液中的水分蒸發(fā)。因此,過程1的加熱量至少應(yīng)等于新風(fēng)耗冷量37.87 kW(見表2)。

如果溶液再生過程的加熱和冷水機(jī)組所用的電力直接采用燃煤或燃?xì)忮仩t制備的蒸汽或熱水所得,假設(shè)熱電轉(zhuǎn)換率按35%計(jì)算。每得到1 kW熱量的燃料消耗量為1 kW熱量除以燃料的發(fā)熱值;而每得到1 kW冷量的燃料消耗量為1 kW冷量除以離心式冷水機(jī)組的COP值得到耗電量,再除以熱電轉(zhuǎn)換率和燃料的發(fā)熱值的乘積,本例的離心式冷水機(jī)組在額定工況下的COP值為5.1,因此可以得出每得到1 kW冷量的燃料消耗是每得到1kW熱量的56%(1/5.1/35%=56%),也就是說本例溶液再生過程每得到1kW熱量要比冷水機(jī)組提供1kW冷量多消耗78.6%(1/56%-1=78.6%)的燃料,因此過程1的新風(fēng)部分的能耗增加比例應(yīng)為:-34.7%+34.7 %×78.6%=-7.43%,總能耗增加比例(見表4)為-7.43%-15.1%=-22.53%。這里忽略了溶液再生過程中鍋爐的熱效率比較,一般情況下發(fā)電廠鍋爐的效率應(yīng)高于普通熱水鍋爐。顯然只有當(dāng)冷水機(jī)組COP值低于2.86(1/35%=2.86)時(shí),或者溶液再生過程使用的熱源是發(fā)電以外65%的余熱或工廠廢熱等其他廉價(jià)熱源,溶液再生過程才節(jié)能。

由于過程2的汽化潛熱與過程1相等,因此溶液再生過程能耗增加比例為34.7%×78.6%=27.27%。與過程1不同的是,溶液除濕過程中采用與末端部分供水溫度相同的17℃冷水來排熱，過程2的總能耗增加比例應(yīng)為(見表4):14.17%-12.0%=2.17%,這種情況下，溶液再生能耗已超過冷水機(jī)組節(jié)約的能量。雖然過程2可以用一部分冷卻水代替冷水，但由于送風(fēng)溫度比過程1低，冷卻水排熱的比例不會(huì)很大,節(jié)能比例的提高幅度也就不會(huì)很大。

表4空調(diào)系統(tǒng)各部分能耗增加比例

新風(fēng)部分能耗增加比例/%末端部分能耗增加比例/%總能耗增加比例/%W→O1-7.43-15.1-22.53W→O214.17-12.02.17W→O30-11.211.2

過程3新風(fēng)部分采用7℃的冷水除濕,這部分沒有節(jié)能，只有末端部分節(jié)能11.2%。上面例子說明，THIC空調(diào)系統(tǒng)中的溶液除濕過程節(jié)能是有條件的。過程1與過程2相比，使用溶液等溫或降溫除濕,新風(fēng)部分和末端部分的節(jié)能比例都比較高。

4空調(diào)系統(tǒng)末端部分能耗再分析

末端部分通過提高冷水機(jī)組的供水溫度達(dá)到節(jié)能的目的似乎是沒有爭(zhēng)議的。但當(dāng)將過程1與過程3相比,過程1c與過程3相比，比較風(fēng)機(jī)盤管的風(fēng)量和處理的冷量(見表5)，有如下結(jié)果。

表5各處理過程負(fù)荷分配

能耗增加比例/%風(fēng)機(jī)盤管耗冷量/kW風(fēng)機(jī)盤管耗冷量比風(fēng)機(jī)盤管總風(fēng)量/(m3/h)風(fēng)機(jī)盤管總風(fēng)量比W→O1-22.5370.701.487514801.487W→O3-11.247.551346241W→O4064.501.356240370.694

過程1與過程3相比,雖然能耗增加比例為:[(1-22.53%)/(1-11.2%)-1]×100%=-22.37%，但風(fēng)機(jī)盤管處理的冷量增加了48.7%。由于均采用干式風(fēng)機(jī)盤管，當(dāng)送風(fēng)溫度相同時(shí)，風(fēng)機(jī)盤管的總風(fēng)量也增加了48.7%，使過程1比過程3風(fēng)機(jī)盤管的數(shù)量增加了48.7%,也就是說制造風(fēng)機(jī)盤管的金屬銅和鋼材的用量增加48.7%。這不只是設(shè)備數(shù)量和投資的增加,而是冶煉這些金屬和制造風(fēng)機(jī)盤管過程中能耗增加。

過程1c與過程3相比，過程1c不是THIC空調(diào)系統(tǒng)，其空調(diào)總耗冷量增加為:[1/(1-11.2%)-1]×100%=12.6%，風(fēng)機(jī)盤管的總風(fēng)量卻比過程3減少了30.6%。過程1c的風(fēng)機(jī)盤管表冷器平均換熱溫差大于過程3，在相同換熱量情況下的表冷器的換熱面積相應(yīng)減少，也就是說單位換熱量金屬用量也相應(yīng)減少了，在考慮綜合能耗時(shí)，應(yīng)將其納入進(jìn)去。

5結(jié)語

(1)單獨(dú)就THIC系統(tǒng)運(yùn)行能耗而言，當(dāng)新風(fēng)經(jīng)等溫溶液除濕時(shí)，系統(tǒng)最為節(jié)能，其次為降溫溶液除濕、冷凍除濕。

(2)對(duì)于THIC空調(diào)系統(tǒng)處理濕度的系統(tǒng)而言，由于溶液再生的能耗有可能抵消甚至超過處理顯熱的系統(tǒng)節(jié)約的能量,從而造成THIC系統(tǒng)不節(jié)能的后果。

(3)THIC空調(diào)系統(tǒng)處理顯熱的系統(tǒng),因冷水機(jī)組隨蒸發(fā)溫度的提高使COP值提高而節(jié)能,但是應(yīng)綜合比較單位換熱量金屬用量指標(biāo)和設(shè)備用量指標(biāo)。

6參考文獻(xiàn)

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[4] 劉曉華,江億,等.THIC空調(diào)系統(tǒng)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2006

Analysis of Energy Saving Effect of THIC Air Conditioning

System in an Office Building in Shanghai

ZHANG Zhiwen,ZHANG Qilin,KANG Liyan,WANG Yanyu

( Shanghai Maritime University，Shanghai 201306 )

Abstract：Paper through analysis Shanghai a Office THIC air conditioning system(temperature humidity independent control air conditioning system) of energy proportions, pointed out that for THIC air conditioning system in the processing explicit hot of system,due to cold water unit with evaporation temperature of improve makes COP value improve and energy;for THIC air conditioning system in the processing latent heat of system,due to solution regeneration energy has may offset even over processing explicit hot system save of energy,thus will caused the THIC system compared to the general system not energy.

Key words:THIC air-conditioning system；Air handling；Energy-saving

[中圖分類號(hào)]TU831[文獻(xiàn)標(biāo)示碼]B

doi:10.3696/J.ISSN.1005-9180.2015.01.017

文章編號(hào)：ISSN1005-9180(2015)01-085-05

作者簡(jiǎn)介：張智文(1990-)，男，碩士研究生，研究方向:空調(diào)節(jié)能與自動(dòng)控制。Email：mzzwen@126.com

收稿日期：2014-11-19