程 浩，劉秋新

(武漢科技大學(xué) 城市建設(shè)學(xué)院，湖北 武漢 430070)

0 引言

當(dāng)可持續(xù)發(fā)展成為我國發(fā)展戰(zhàn)略，減少溫室氣體排放成為環(huán)保新熱點(diǎn)后，節(jié)能作為最經(jīng)濟(jì)的減排措施，發(fā)揮著越來越大的作用［1］。隨著城市化進(jìn)程的不斷加快和現(xiàn)代服務(wù)業(yè)的日趨發(fā)達(dá)，建筑能耗在全國總能耗中所占的比重就越大，而空調(diào)又是能耗大戶，約占建筑能耗的65%左右［2］，因此，大力發(fā)展空調(diào)新技術(shù)對節(jié)能降耗起著積極的推動作用。

由于不同的空調(diào)技術(shù)其節(jié)能效果也隨之不同，為了探討這個問題，選取了武漢市六個實(shí)際工程，分別計算了其全年空調(diào)負(fù)荷、全年空調(diào)能耗以及部分空調(diào)系統(tǒng)能耗系數(shù)，利用計算結(jié)果對各空調(diào)工程在采用空調(diào)新技術(shù)和常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)時的耗能量進(jìn)行對比分析。

1 各空調(diào)工程性質(zhì)及系統(tǒng)形式

對所選六個空調(diào)工程的性質(zhì)、系統(tǒng)形式等基本情況列表如下。

表1 各空調(diào)工程性質(zhì)及系統(tǒng)形式Tab.1 Properties and system forms of each air conditioning engineering

2 各工程空調(diào)系統(tǒng)能耗量

2.1 計算方法與過程

空調(diào)系統(tǒng)作為用戶層面的用能終端有其特殊性，即受室外干球溫度的影響，因此，要想將能耗和需求切實(shí)降下來就必須從源頭——負(fù)荷計算開始，下面以工程1為例給出了空調(diào)系統(tǒng)能耗量的計算方法和過程。

圖1 武漢市全年日干球溫度Fig.1 Outdoor dry bulb temperature on each day of the whole year in wuhan

2.1.1 全年空調(diào)負(fù)荷

采用溫頻法模擬計算該建筑的全年空調(diào)負(fù)荷［3］，所用武漢地區(qū)逐時氣象數(shù)據(jù)來自張晴原根據(jù)美國政府?dāng)?shù)據(jù)整理的CTYW(Chinese Typical Year Weather)。將武漢地區(qū)典型年氣象數(shù)據(jù)按月劃分，以2℃為溫頻段，每天24 h分為6個時段每個時段4 h，分別統(tǒng)計各溫頻段的小時數(shù)。圖1為武漢市全年的日干球溫度，圖2為武漢地區(qū)全年溫頻數(shù)，表2為一班制的全年溫頻數(shù)(8∶00～18∶00)。

表2 武漢地區(qū)全年(8∶00～18∶00)BIN參數(shù)Tab.2 Annual BIN parameters for the single shift system(8∶00 －18∶00)in wuhan

圖2 武漢地區(qū)全年溫頻數(shù)Fig.2 Annual temperature frequency in wuhan

文獻(xiàn)［4］表明冷負(fù)荷、熱負(fù)荷與室外干球溫度T的關(guān)系式可歸納為

式中 CL——單位面積空調(diào)冷負(fù)荷/W·m－2;

HL——單位面積空調(diào)熱負(fù)荷/W·m－2;

T——室外空氣干球溫度/℃。

設(shè)武漢地區(qū)在室外溫度低于10℃時開始供暖，室外溫度高于23℃時開始供冷，以供暖負(fù)荷為例用BIN參數(shù)進(jìn)行計算，結(jié)果見表3。

表3 用BIN參數(shù)進(jìn)行年供暖負(fù)荷計算表Tab.3 Calculation sheet of the annual heating load using the BIN parameters

同理可得年供冷負(fù)荷為81.16 kWh/m2，則空調(diào)年總負(fù)荷為126.79 kWh/m2，轉(zhuǎn)化為一次能形式為14.97 TJ(1 TJ=1012J)。

2.1.2 空調(diào)系統(tǒng)年能耗

以熱泵機(jī)組的制冷年能耗量為例進(jìn)行計算，結(jié)果見表4。

同理可得熱泵機(jī)組年供熱耗電量為282 027 kWh，則熱泵機(jī)組年總耗電量為768 834 kWh。結(jié)合文獻(xiàn)［5］的計算方法，根據(jù)工程中輔助設(shè)備及空調(diào)末端設(shè)備的情況，并設(shè)空調(diào)機(jī)組累計運(yùn)行時間為2 750 h/a，可以得到輔助設(shè)備年耗電量為338 710 kWh，空調(diào)末端設(shè)備年耗電量為424 476 kWh。則該工程中央空調(diào)系統(tǒng)的年總耗電量為1 532 020 kWh，由于我國目前實(shí)際條件的限制，如發(fā)電站效率低等，我國每千瓦時電實(shí)際耗費(fèi)一次能較大。我國火電廠供電標(biāo)煤耗量為414 g/kWh，即電能轉(zhuǎn)化為一次能的換算率為12 131 kJ/kWh，故該辦公樓中央空調(diào)系統(tǒng)的年總耗電量轉(zhuǎn)化為一次能形式為18.58 TJ。

表4 熱泵機(jī)組制冷年能耗量計算表Tab.4 Calculation sheet of the annual cooling energy consumption of the heat pump units

2.1.3 空調(diào)系統(tǒng)能耗系數(shù)CEC

2.2 不同空調(diào)技術(shù)時各工程耗能量

同理上述方法可以對其它各個工程的耗能量進(jìn)行計算，同時，也將每個工程的冷熱源與應(yīng)用常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)(電制冷冷水機(jī)組+鍋爐)時的耗能量進(jìn)行對比，液態(tài)輸送系統(tǒng)的變頻與定頻對比，風(fēng)系統(tǒng)的變風(fēng)量與定風(fēng)量對比，熱回收技術(shù)與電加熱對比，結(jié)果見表5。

表5 各工程耗能量對比匯總(單位:MWh/a)Tab.5 Summaries and comparisons of energy consumption for each engineering(MWh/a)

3 計算結(jié)果分析

3.1 空調(diào)新技術(shù)與常規(guī)空調(diào)冷熱源能耗量對比分析

從以上計算結(jié)果可以得到各空調(diào)工程冷熱源與應(yīng)用常規(guī)空調(diào)時冷熱源能耗量的對比分析柱狀圖，見圖3、圖4、圖5。

圖3 冷源能耗量對比圖Fig.3 Comparisons of energy consumption for cold sources

圖4 熱源能耗量對比圖Fig.4 Comparisons of energy consumption for heat sources

從圖3可以看到除工程4和工程5的原有冷源與常規(guī)冷源相同而導(dǎo)致能耗相等外，工程1和工程3的能耗較常規(guī)空調(diào)時的分別減少了9.3%和13.8%，說明采用水源熱泵加冰蓄冷作為冷源時能有效降低能耗，其平均降幅為11.6%。工程2和工程6的冷源能耗較常規(guī)時有所增加，其平均增幅為10.6%。原因在于單獨(dú)采用地源熱泵作為冷源時，能耗量較常規(guī)冷源平均減少2.0%，增加蓄冰后，由于系統(tǒng)運(yùn)行時間的增加，夜間制冷機(jī)運(yùn)行的COP值下降，能耗量較單獨(dú)采用地源熱泵時平均增加12.7%，由此可見冰蓄冷系統(tǒng)運(yùn)行時本身并不節(jié)能，但其移峰填谷作用能使電網(wǎng)供電平衡，緩解電力工業(yè)減排壓力［6］，減少了系統(tǒng)的年運(yùn)行費(fèi)用，同時也為國家“十二五”小火電關(guān)停工作做出了積極的貢獻(xiàn)［7］，因此蓄冰技術(shù)的應(yīng)用意義更遠(yuǎn)大些。圖4顯示出空調(diào)新技術(shù)所用熱源較常規(guī)熱源的能耗明顯減少，其最大減幅為48.4%，最小減幅為30.4%，平均減幅為41.2%。從圖5可以看出由于工程4所用冷源即為常規(guī)冷源，無熱源，故其能耗相等，其它各工程冷熱源全年能耗較常規(guī)空調(diào)冷熱源時明顯減少，最大減幅為28%，最小減幅8.5%，平均減幅為19.4%。充分說明采用空調(diào)新技術(shù)的冷熱源能有效降低能耗。

3.2 輸送系統(tǒng)能耗量對比分析

將各工程中液態(tài)輸送系統(tǒng)的變頻與定頻，風(fēng)輸送系統(tǒng)的變風(fēng)量與定風(fēng)量對能耗的影響進(jìn)行對比分析，見圖 6、圖7。

圖6 液態(tài)輸送系統(tǒng)能耗量對比圖Fig.6 Comparisons of energy consumption for liquid delivery system

圖7 風(fēng)輸送系統(tǒng)能耗量對比圖Fig.7 Comparisons of energy consumption for air delivery system

由圖6和圖7可知液態(tài)輸送系統(tǒng)和風(fēng)輸送系統(tǒng)分別采用變頻和變風(fēng)量均能降低能耗，對于液態(tài)輸送系統(tǒng)，最大降幅為38.9%，最小降幅為21.3%，平均降幅為27.4%;對于風(fēng)輸送系統(tǒng)，最大降幅為44.6%，最小降幅為22.3%，平均降幅為32.4%。說明風(fēng)輸送系統(tǒng)采用變風(fēng)量較液態(tài)輸送系統(tǒng)采用變頻對能耗量的影響更為顯著。結(jié)合圖6和圖7，可知各工程輸送系統(tǒng)總體節(jié)能量的最大平均幅值為31.6%。這正是充分利用變頻技術(shù)三大節(jié)能原理，發(fā)揮其強(qiáng)大的節(jié)能作用的體現(xiàn)［8－9］。下面就各工程實(shí)際輸送系統(tǒng)的綜合能耗量與在假設(shè)條件下(均采用變頻和變風(fēng)量)的綜合能耗量進(jìn)行對比分析，見圖8。

圖8 輸送系統(tǒng)綜合能耗量對比圖Fig.8 Comparisons of comprehensive energy consumption for delivery systems

從圖8可以看出，由于工程1和工程4實(shí)際采用的就是變頻和變風(fēng)量技術(shù)，與假設(shè)條件相符，故其能耗量與假設(shè)條件下的相等。工程2和工程3的實(shí)際能耗量均比假設(shè)條件下的高，這是由于工程2采用的是定風(fēng)量系統(tǒng)，工程3采用的是定頻和定風(fēng)量系統(tǒng)，由此，可以分析出工程2和工程3降低輸送系統(tǒng)綜合能耗量的潛力分別為26.3%和26.5%。

3.3 空調(diào)系統(tǒng)綜合能耗量對比分析

將各空調(diào)工程子系統(tǒng)(冷熱源、液態(tài)輸送系統(tǒng)，風(fēng)輸送系統(tǒng))均采用新技術(shù)時的綜合能耗量與常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)的綜合能耗量進(jìn)行對比分析，見圖9。將各空調(diào)工程實(shí)際綜合能耗量與采用新技術(shù)改良后的假設(shè)綜合能耗量進(jìn)行對比分析，見圖10。

圖9 空調(diào)新技術(shù)與常規(guī)技術(shù)綜合能耗量對比圖Fig.9 Comparisons of comprehensive energy consumption for new air conditioning technology and conventional technology

圖10 空調(diào)系統(tǒng)改良前后綜合能耗量對比圖Fig.10 Comparisons of comprehensive energy consumption for air conditioning system before and after improvement

圖9所示，空調(diào)新技術(shù)較常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)的綜合能耗量明顯減少，最大減幅為32.5%，最小減幅為13.7%，平均減幅為26.3%，這也反映了應(yīng)用空調(diào)新技術(shù)較常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)的最大節(jié)能能力。由圖10可以計算出工程2和工程3的節(jié)能潛力分別為18.4%和17.8%。

3.4 蓄能和熱回收技術(shù)的節(jié)能效果

該六項空調(diào)工程中均用到了冰蓄冷或水蓄冷技術(shù)，一方面，利用當(dāng)?shù)氐姆謺r電價政策，其移峰填谷作用能為用戶帶來直接的經(jīng)濟(jì)效益，此六項工程平均每年可節(jié)約電費(fèi)23萬元;另一方面，蓄冷技術(shù)減少了電力系統(tǒng)的高峰負(fù)荷，按建設(shè)火力發(fā)電廠每千瓦容量4 000元計算，如能移峰10 000 kW，即可減少電廠投資4 000萬元［10］，少建火力發(fā)電廠也就意味著節(jié)約一次能源。熱回收技術(shù)通過回收冷凝熱免費(fèi)為衛(wèi)生熱水系統(tǒng)提供熱量，就上述應(yīng)用熱回收技術(shù)的工程平均每年比使用電加熱節(jié)能9 019 MWh。

4 經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式及降低空調(diào)系統(tǒng)能耗的措施

由工程1～4及文獻(xiàn)［3］中工程的CEC和單位空調(diào)面積能耗量的計算，用最小二乘法求出其線性擬合方程，擬合直線如圖11所示。

圖11 單位空調(diào)面積能耗量與空調(diào)系統(tǒng)能耗系數(shù)的相關(guān)性Fig.11 The correlation of the energy consumption of unit air conditioning area and the coefficient of energy consumption

由擬合方程

可以看出要降低單位空調(diào)面積的能耗，就必須減小空調(diào)系統(tǒng)能耗系數(shù)CEC。在此，提出幾條減小CEC的措施:

(1)從設(shè)計源頭開始，做好空調(diào)負(fù)荷計算及負(fù)荷預(yù)測，選擇合理的空調(diào)系統(tǒng)，充分利用各種空調(diào)新技術(shù);

(2)在設(shè)備采購、施工、系統(tǒng)調(diào)試等方面執(zhí)行嚴(yán)格的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)，優(yōu)化輸配管網(wǎng)和設(shè)備配置;

(3)建立科學(xué)的管理機(jī)制，優(yōu)化運(yùn)行策略和運(yùn)行控制;

(4)每個人自身建立起科學(xué)、理性和負(fù)責(zé)任的能源消費(fèi)觀念。

只有落實(shí)好以上幾點(diǎn)，才能真正的實(shí)現(xiàn)綠色空調(diào)，從而降低空調(diào)系統(tǒng)的能耗量。

5 結(jié)論

就全年能耗而言，與常規(guī)空調(diào)相比，冷熱源采用熱泵技術(shù)和蓄能技術(shù)可減少約19.4%的能耗，輸送系統(tǒng)采用變頻技術(shù)可減少約32%的能耗，整個空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)用新技術(shù)后節(jié)能平均幅值可達(dá)26.3%，若按武漢市每年新建公共建筑約160萬m2計算，則每年可節(jié)能32 163 MWh。由單位空調(diào)面積能耗量與空調(diào)系統(tǒng)能耗系數(shù)的擬合方程可知，從設(shè)計、施工、調(diào)試、管理、充分利用空調(diào)新技術(shù)等方面著手可達(dá)到良好的節(jié)能目的。

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