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        夏熱地區(qū)商場類建筑集中空調(diào)系統(tǒng)全新風(fēng)運行性能分析

        2011-03-06 03:31:24MCKINNELLKeith李永強
        關(guān)鍵詞:夏熱冬室內(nèi)空氣新風(fēng)

        劉 猛,錢 發(fā),MCK INNELL Keith,李永強

        (重慶大學(xué)a.城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院;b.三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點實驗室,重慶 400030)

        夏熱地區(qū)商場類建筑集中空調(diào)系統(tǒng)全新風(fēng)運行性能分析

        劉 猛a,b,錢 發(fā)a,b,MCK INNELL Keitha,b,李永強a,b

        (重慶大學(xué)a.城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院;b.三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點實驗室,重慶 400030)

        分析了中國夏熱地區(qū)的室外氣候條件,對于冬季,有近乎100%的時間可以采用全新風(fēng)模式,而過渡季節(jié)會有一半左右的時間可以采用全新風(fēng)模式,從而全年可以減少30%~60%的人工冷源運行時間。通過對焓值控制和溫度控制2種調(diào)控模式的分析,研究了不同室內(nèi)負(fù)荷強度、不同通風(fēng)量和不同室內(nèi)空氣溫濕度設(shè)定值條件下的調(diào)控方案。研究發(fā)現(xiàn):室內(nèi)負(fù)荷越大,采用全新風(fēng)模式的節(jié)能效果越好;送風(fēng)量宜設(shè)置為6~8 h-1;室內(nèi)空氣參數(shù)對節(jié)能效果影響很大,考慮到室內(nèi)外溫差對人體熱舒適的影響,可以考慮不同季節(jié)不同的室內(nèi)空氣參數(shù)設(shè)置;對于調(diào)控模式,冬季和過渡季節(jié)可采用焓值控制模式;夏季宜采用溫度控制模式。采用全新風(fēng)模式,每年可以實現(xiàn)100~180 kWh/m2的節(jié)能效果,從而產(chǎn)生30~50 kg/m2的碳減排量。

        新風(fēng),節(jié)能,碳減排,空調(diào),商場

        隨著中國城鎮(zhèn)化和社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展,建筑作為社會能耗大戶,近30%的社會能耗用于建筑的運行能耗[1-3],如果從建筑的生命周期來看,有大約50%的能源消耗于建筑[4-7]。商場類建筑作為一類典型的大型公共建筑,其運行時間固定,商場內(nèi)的高設(shè)備負(fù)荷(照明負(fù)荷)和高人流密度[8],造成了商場建筑較大的空調(diào)負(fù)荷,同時由于商場類建筑通常進(jìn)深較大,通常存在大面積的建筑內(nèi)區(qū),內(nèi)區(qū)的存在使得商場類建筑常年有穩(wěn)定的冷負(fù)荷和供冷需求。據(jù)商業(yè)建筑的能耗調(diào)查統(tǒng)計,裝有空調(diào)系統(tǒng)的商業(yè)建筑每年的能耗費用接近150元/m2,其中空調(diào)能耗占到50%~60%[9]。在夏熱地區(qū),夏季室外溫度較高;冬季溫度不是特別低,一般高于寒冷地區(qū)和嚴(yán)寒地區(qū)(有利于冬季直接將新風(fēng)送入室內(nèi)),有助于減少空調(diào)能耗和碳排放[10]。

        中央空調(diào)的全新風(fēng)運行作為減少建筑碳排放的一種主動式技術(shù),已經(jīng)受到學(xué)者的廣泛關(guān)注,一些學(xué)者從節(jié)能減排的視角展開了對商場類空調(diào)運行策略的研究[11-14],提出了一些分析模型。對新風(fēng)的控制策略分為4種:定新風(fēng)(最小新風(fēng)量)控制策略;以室內(nèi)人員數(shù)確定新風(fēng)量控制策略;焓值控制策略;溫度控制策略。對于中國的夏熱地區(qū),在過渡季節(jié)和冬季有比較適宜的室外氣象條件,利用適宜的室外自然條件解決商場類建筑的室內(nèi)冷負(fù)荷,可以有效地減少人工冷源的運行時間,從而實現(xiàn)節(jié)能減排。研究以焓值和溫度調(diào)控2種模式為基礎(chǔ),對影響全新風(fēng)運行的主要因素:室內(nèi)負(fù)荷、通風(fēng)量和室內(nèi)溫濕度參數(shù)設(shè)置進(jìn)行了分析,通過分析對中國夏熱地區(qū)(中國熱工氣候分區(qū)中的夏熱冬冷地區(qū)和夏熱冬暖地區(qū),簡稱夏熱地區(qū))典型城市的空調(diào)系統(tǒng)全新風(fēng)運行調(diào)控策略進(jìn)行了優(yōu)化。

        1 模型建立

        1.1 負(fù)荷計算

        商場類建筑的空調(diào)系統(tǒng)冷負(fù)荷主要包括圍護(hù)結(jié)構(gòu)冷負(fù)荷、內(nèi)熱源造成的冷負(fù)荷和新風(fēng)冷負(fù)荷,其中,

        1)內(nèi)熱源造成的冷負(fù)荷和室外氣候條件基本無關(guān);

        2)圍護(hù)結(jié)構(gòu)冷負(fù)荷與室外氣候條件緊密相關(guān),當(dāng)室外溫度低于室內(nèi)溫度時,這部分負(fù)荷可忽略,由于室外焓值低于室內(nèi)焓值時,室外溫度通常低于室內(nèi)溫度,或者室外溫度略高于室內(nèi)溫度,這部分負(fù)荷近似忽略;

        3)新風(fēng)冷負(fù)荷與室外氣候條件緊密相關(guān),當(dāng)室外焓值低于室內(nèi)焓值或室外溫度低于室內(nèi)溫度時,這部分冷負(fù)荷近似沒有。

        因此,當(dāng)采用全新風(fēng)運行時,商場類建筑的空調(diào)系統(tǒng)冷負(fù)荷僅為內(nèi)熱源造成的冷負(fù)荷,包括照明、設(shè)備冷負(fù)荷和人體冷負(fù)荷。其中,顯熱部分有照明、設(shè)備和人體部分冷負(fù)荷;潛熱部分只有人體部分冷負(fù)荷。根據(jù)《實用供熱空調(diào)設(shè)計手冊(第二版)》,各冷負(fù)荷指標(biāo)取值為:照明19W/m2,設(shè)備13W/m2,人體依據(jù)輕度勞動取值,商場人員密度文中取0.5人/m2[15]。

        1.2 運行模式

        空調(diào)系統(tǒng)運行采用以下3種模式運行

        基準(zhǔn)模式(BE):制冷機供冷,最小新風(fēng)量運行。

        新風(fēng)模式1(FE):全新風(fēng)運行,焓值控制,全熱控制。室外空氣焓值等于或低于某一值(i l)時,新風(fēng)可以完全承擔(dān)室內(nèi)冷負(fù)荷,人工冷源不啟動;當(dāng)室外空氣焓值大于該值,但是小于室內(nèi)空氣焓值(i h)時,開啟制冷機,新風(fēng)和人工冷源各承擔(dān)一部分室內(nèi)冷負(fù)荷。

        新風(fēng)模式2(FT):全新風(fēng)運行,溫度控制,顯熱控制。室外空氣溫度等于或低于某一值(t l)時,新風(fēng)可以完全承擔(dān)室內(nèi)冷負(fù)荷,人工冷源不啟動;當(dāng)室外空氣溫度大于該值,但是小于室內(nèi)空氣溫度(th)時,開啟制冷機,新風(fēng)和人工冷源各承擔(dān)一部分室內(nèi)冷負(fù)荷。

        1.3 新風(fēng)模式碳減排潛力預(yù)測模型

        新風(fēng)模式的碳減排潛力為新風(fēng)模式與基準(zhǔn)模式碳排放差值。與基準(zhǔn)模式相比,新風(fēng)模式的碳減排潛力主要體現(xiàn)在全新風(fēng)運行時,節(jié)省的人工冷源系統(tǒng)能耗與所耗通風(fēng)機能耗之差,兩者相比,前者多出了制冷機房能耗,而后者多了排風(fēng)風(fēng)機能耗,取制冷機房能效比(包括制冷機能耗、水泵能耗、冷卻塔能耗)為2.7,風(fēng)機能耗指標(biāo)為0.2W/(m3?h)。

        通過采用典型氣象年逐時數(shù)據(jù),分析各種工況條件下,全新風(fēng)系統(tǒng)完全承擔(dān)負(fù)荷的運行時間,當(dāng)冷負(fù)荷由全新風(fēng)系統(tǒng)和人工冷源系統(tǒng)共同承擔(dān)時,按承擔(dān)的負(fù)荷比折算成當(dāng)量全新風(fēng)承擔(dān)時間,如式(1)或式(2):

        式中:Q t為室內(nèi)內(nèi)熱源冷負(fù)荷,W;ρ為空氣密度,取1.2 kg/m3;G為送風(fēng)量,m3/h;Q x為室內(nèi)內(nèi)熱源顯熱冷負(fù)荷,W;cp為空氣定壓比熱,取1.01 kJ/kg?℃。

        則,新風(fēng)模式碳減排潛力模型如式:

        式中:Cp為碳減排潛力,kg;Es為制冷機房能效比,取2.7;P f為排風(fēng)風(fēng)機能耗,W,指標(biāo)取0.2W/(m3/h); C s為電力碳排放系數(shù),kg/kWh,2008年,發(fā)電煤耗為349 g/kWh[16],碳排放系數(shù)為0.279 kg/kWh[17]。

        2 夏熱典型城市分析

        2.1 模擬條件與結(jié)果

        取夏熱冬冷地區(qū)的重慶、長沙、上海和夏熱冬暖地區(qū)的廣州、福州作為典型城市進(jìn)行分析。氣象數(shù)據(jù)取清華大學(xué)DeST氣象數(shù)據(jù)庫各城市典型氣象年數(shù)據(jù)。i h,t h分別取59 k J/kg(26℃,60%),26℃。商場營業(yè)時間為每天9:00至22:00,建筑層高為4 m,送風(fēng)量為8 h-1。

        根據(jù)式(3)、(4),可得i l、t l分別為46.53 k J/kg、16.7℃,基于研究選擇的典型氣象年數(shù)據(jù),新風(fēng)模式1和新風(fēng)模式2的全新風(fēng)承擔(dān)負(fù)荷時間占營業(yè)時間的百分比(按月)如圖1、圖2。根據(jù)式5,可得5個典型城市的節(jié)能量指標(biāo)和碳減排指標(biāo),如圖3。

        圖1 新風(fēng)模式1(FE)全新風(fēng)承擔(dān)時間比例

        圖2 新風(fēng)模式2(FT)全新風(fēng)承擔(dān)時間比例

        圖3 新風(fēng)模式節(jié)能量指標(biāo)和碳減排指標(biāo)

        2.2 分析與討論

        2.2.1 不同模式對比 新風(fēng)模式與基準(zhǔn)模式相比,有較明顯的節(jié)能減排潛力,能夠有30%~60%的減排潛力。

        對比2種新風(fēng)模式,從全年的總體效果看,2種模式基本相當(dāng),對于潮濕地區(qū),FE模式減排潛力略優(yōu),如重慶和長沙;濕度不大地區(qū),FT模式減排潛力略優(yōu),如廣州和福州。2種新風(fēng)模式的差異,取決于室內(nèi)負(fù)荷特點、室內(nèi)空氣的參數(shù)設(shè)定和室外空氣條件,對于商場建筑,其負(fù)荷變化因地區(qū)變化不大。因此,在室內(nèi)空氣參數(shù)一定的情況下,2種新風(fēng)模式的差異主要來自室外空氣條件。

        將全年分成3段進(jìn)行分段分析,12-2月為冬季,3-5月、10-11月為過渡季節(jié),6-9月為夏季。對于冬季和過渡季節(jié),室外空氣的濕度情況低于室內(nèi)空氣的濕度情況,FE模式優(yōu)于FT模式,高4%~6%;對于夏季,室外空氣的濕度情況高于室內(nèi)空氣的濕度情況,FT模式優(yōu)于FE模式,高3%~9%。2.2.2 不同地區(qū)對比 從全年的總體效果看,夏熱冬冷地區(qū)城市,約有60%的時間可以通過全新風(fēng)模式來減少人工冷源的使用,達(dá)到節(jié)能減排目的;對于夏熱冬暖地區(qū),約有1/3~1/2的時間可以采用全新風(fēng)模式。

        對于冬季(12-2月),夏熱冬冷地區(qū)完全可以采用全新風(fēng)模式,而夏熱冬暖地區(qū),有90%多的時間可以采用全新風(fēng)模式;夏季(6-9月),夏熱冬冷地區(qū)普遍好于夏熱冬暖地區(qū),約5%~10%的時間可以利用室外新風(fēng),而夏熱冬暖地區(qū)小于5%,其中,重慶由于室外溫度高,且濕度大,FE模式下,夏季可利用時間僅為2%;過渡季節(jié),夏熱冬冷地區(qū)約有70%~80%的時間可以采用全新風(fēng)模式,夏熱冬暖地區(qū)約有30%~50%的時間可以采用全新風(fēng)模式。

        此外,由于室外空氣的濕度較大,重慶和長沙夏季條件下,FT模式比FE模式高7%~9%。

        3 調(diào)控方案優(yōu)化

        從碳減排潛力預(yù)測模型分析,碳減排的潛力主要取決于室內(nèi)負(fù)荷、系統(tǒng)能效、風(fēng)機能耗、全新風(fēng)運行時間和碳排放系數(shù)。碳排放系數(shù)主要由電力來源決定,采用可再生能源電力可以提高碳減排潛力;系統(tǒng)能效和風(fēng)機能耗主要取決于系統(tǒng)設(shè)計和設(shè)備情況。該研究重點分析室內(nèi)負(fù)荷和運行時間的影響。運行時間主要取決于室內(nèi)空氣設(shè)置參數(shù)、室內(nèi)負(fù)荷和送風(fēng)量。因此,主要分析因素為:室內(nèi)負(fù)荷、室內(nèi)空氣參數(shù)和送風(fēng)量。

        以重慶和廣州的氣象參數(shù)為基礎(chǔ),進(jìn)行模型應(yīng)用,主要如下:

        1)室內(nèi)負(fù)荷:考慮人員密度變化 -20%, -10%,0,10%,20%帶來的負(fù)荷變化,照明和設(shè)備負(fù)荷不變;

        2)送風(fēng)量:考慮換氣次數(shù)為2、4、6、8、10 h-15種情況,層高不變;

        3)室內(nèi)空氣參數(shù):考慮22、24、26、28、30℃5種情況,相對濕度不變。

        在送風(fēng)量為8 h-1,室內(nèi)空氣參數(shù)為26℃的工況下,室內(nèi)負(fù)荷變化(人員密度變化)引起的節(jié)能量變化如圖4。室內(nèi)負(fù)荷的變化對運行時間造成影響較小, -20%與20%相比,下降不到3%,其中主要為過渡季節(jié),約5%,其他季節(jié)變化不到2%。全新風(fēng)模式產(chǎn)生的節(jié)能減排效應(yīng)也會有相當(dāng)?shù)淖兓?但是,要注意負(fù)荷構(gòu)成方面的變化對2種調(diào)控策略的影響。

        圖4 室內(nèi)負(fù)荷變化對節(jié)能效果的影響

        在室內(nèi)負(fù)荷為125 W/m2,室內(nèi)空氣參數(shù)為26℃的情況下,送風(fēng)量變化產(chǎn)生的效果如圖5。送風(fēng)量的增加會增加全新風(fēng)模式運行的時間,當(dāng)送風(fēng)量由6 h-1增加到10 h-1時,全新風(fēng)模式的運行時間增加了約4%,其中,主要也是過渡季節(jié),約8%。但是,由于增加風(fēng)量會增加風(fēng)機運行能耗,當(dāng)送風(fēng)量大于4 h-1后,節(jié)能效果變緩,當(dāng)送風(fēng)量大于6 h-1后,增加風(fēng)量產(chǎn)生的節(jié)能減排效果不明顯,尤其,對于焓值控制,可能還會造成負(fù)效果,分析其他室內(nèi)空氣參數(shù)和室內(nèi)負(fù)荷情況,6~8 h-1為一個優(yōu)值區(qū)域,當(dāng)室內(nèi)空氣參數(shù)設(shè)置越低,室內(nèi)負(fù)荷越小,優(yōu)值區(qū)域會左移(變小)。

        圖5 送風(fēng)量變化對節(jié)能效果的影響

        在室內(nèi)負(fù)荷為125W/m2,送風(fēng)量為8 h-1的情況下,室內(nèi)空氣參數(shù)的變化產(chǎn)生的影響如圖6。室內(nèi)空氣參數(shù)的變化對運行時間和節(jié)能減排效果都有很明顯的影響,當(dāng)室內(nèi)空氣參數(shù)從22℃提高到30℃時,過渡季節(jié)和夏季,運行時間都有較大提高,分別為40%多和30%多,節(jié)能量提高了近一倍。

        圖6 室內(nèi)空氣參數(shù)變化對節(jié)能效果的影響

        4 結(jié) 論

        對于商場類建筑,存在較大的內(nèi)負(fù)荷,在全年適宜的室外空氣條件下,充分利用室外空氣,采用焓值控制和溫度控制模式,減少人工冷源的運行時間約30%~60%,可以實現(xiàn)每年100~180 kWh/m2的節(jié)能效果,從而產(chǎn)生每年30~50 kg/m2的碳減排量。

        其節(jié)能潛力主要取決于室內(nèi)負(fù)荷(內(nèi)負(fù)荷)、送風(fēng)量和室內(nèi)空氣參數(shù)3個因素。根據(jù)各因素的影響分析,針對本研究的夏熱地區(qū)典型城市,在本研究探討的各參數(shù)條件下,全新風(fēng)模式可以采用以下調(diào)控策略:

        1)送風(fēng)量大于4 h-1后,其對節(jié)能量的影響變小,對于內(nèi)負(fù)荷適中(110~150W/m2)情況,當(dāng)達(dá)到6~8 h-1時,節(jié)能效果達(dá)到最大值。送風(fēng)量宜設(shè)置為6~8 h-1;

        2)室內(nèi)負(fù)荷越大,采用全新風(fēng)模式的節(jié)能效果越好,可根據(jù)室內(nèi)負(fù)荷情況,合理選擇送風(fēng)量,負(fù)荷越小,最優(yōu)的送風(fēng)量越小。

        3)室內(nèi)空氣參數(shù)對節(jié)能效果影響很大。考慮到室內(nèi)外溫差對人體熱舒適的影響,可以考慮不同季節(jié)不同的室內(nèi)空氣參數(shù)設(shè)置。對于夏熱冬冷地區(qū)典型城市:冬季取22℃或更低(運行時間接近100%),過渡季節(jié)取22~26℃(運行時間約為50%~80%),夏季取26~28℃(運行時間約為20%左右);對于夏熱冬暖地區(qū)典型城市:冬季取22~24℃(運行時間約為80%~90%),過渡季節(jié)取24~26℃(運行時間約為20%~30%),夏季取26~30℃(運行時間約為5%~10%)。

        4)對于調(diào)控模式,冬季和過渡季節(jié)可采用焓值控制模式;夏季宜采用溫度控制模式,當(dāng)夏季室內(nèi)空氣參數(shù)的溫度較高時,如設(shè)置28℃以上時,較高的濕度會增加人的不舒適感,也宜采用焓值控制模式。

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        (編輯 胡英奎)

        Performance in Full Fresh Air Mode of Centralised Air-conditioning System for Shopping Malls in China's Hot Summer Region

        LIUMenga,b,QIANFaa,b,MCKINNELLKeitha,b,LIYong-qianga,b

        (a.Faculty of U rban Construction and Environmental Engineering;b.Key Laboratory of the Three Gorges Reservoir Region's Eco-environment,Ministry of Education,Chongqing University,Chongqing 400030,P.R.China)

        Based on the analysis of the outdoor weather condition in China's hot summ er region,it is found that the full fresh airmode can work in the wholew inter and half of the time in transition season.Thus, about 30%-60%runtime of the artificial cold source can be reduced.It studies the control strategies at different conditions of indoor load,ventilation and indoor air temperature and humidity by analyzing two controlmodes-enthalpy control and tem perature control.It show s that the higher the indoor load is,the more efficient the full fresh airm ode is.A nd the airflow is better to be set as 6~8 h-1.Since the indoor air parameter has great influence on energy saving,it is necessary to set different indoor air parameters in different seasons by taking the effect of temperature difference on human thermal com fort into consideration.It is alsofound that the enthalpy contro l mode can be used in w inter and in transition season,while the temperature controlmode can be applied in summer.If the full fresh air mode were adopted,it would cut down the energy consum ption by 100~180 kW h/m2 and the carbon em ission by 30~50 kg/m2each year.

        fresh air,energy efficiency,carbon reduction,air-conditioning,shopping mall

        TU834.3

        A

        1674-4764(2011)03-0094-06

        2010-12-21

        國家自然科學(xué)基金重點項目(50838009);國家自然科學(xué)基金外國青年學(xué)者基金項目(51050110139)

        劉 猛(1979-),男,博士,副教授,主要從事建筑環(huán)境、建筑生命周期和低碳建筑技術(shù)研究,(E-mail) liumeng2033@126.com

        book=99,ebook=213

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