彭鵬

(天津大學建筑設(shè)計規(guī)劃研究總院，天津 300073）

1 引言

輻射供冷+獨立新風系統(tǒng)是一種節(jié)能、舒適的空調(diào)方式。這種空調(diào)系統(tǒng)中，獨立新風和冷卻頂板是兩個平行的子系統(tǒng)，獨立新風系統(tǒng)用來解決通風換氣問題，承擔新風負荷、濕負荷及部分顯熱負荷，剩余的顯熱負荷則由冷卻頂板來承擔。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，采用溫頻法，以某一辦公建筑為例，計算討論輻射供冷+獨立新風系統(tǒng)空調(diào)期間能耗量，通過與常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)（風機盤管+.新風）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)圍護結(jié)構(gòu)負荷（包括日射及溫差負荷）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荷乘以頻數(shù)是該溫度段的能耗。

B I N方法中，新風的潛熱負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+獨立新風系統(tǒng)實現(xiàn)了溫濕度的獨立控制，總的能耗應(yīng)分兩部分進行計算，包括冷卻頂板系統(tǒng)和獨立新風系統(tǒng)。系統(tǒng)的這種特點決定了溫頻法的適用性，原因如下：

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

（2）新風負荷計算對應(yīng)于獨立新風系統(tǒng)能耗。

但是由于獨立新風系統(tǒng)承擔室內(nèi)潛熱負荷，在室內(nèi)人員變動不大的情況下，可以認為室內(nèi)潛熱負荷和新風量是一定的。這樣，送風狀態(tài)點是一定的。因此，新風負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)出負荷受溫、濕度同時作用的變化。因此，用溫頻法計算的新風能耗結(jié)果會偏離實際情況的結(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)機組冬夏季8:00-18:00運行，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。每人新風量30m3/h。總建筑面積1200m2。工作時間8：00—18：00，空調(diào)期內(nèi)室內(nèi)保持正壓，可不計算滲透負荷。照明設(shè)備負荷按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)的特點是新風機組冷凍水供水與冷卻吊頂冷凍水供水由獨立運行的兩個冷水機組分別供給。冷卻吊頂要求的供水溫度較高，一般在16℃左右，如果制冷機直接制備這樣較高溫度的冷凍水，相應(yīng)地可提高制冷機組的蒸發(fā)溫度，改善制冷機的性能系數(shù)，進而降低其能耗。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)的新風處理過程

圖3為輻射供冷系統(tǒng)的新風處理過程，新風應(yīng)承擔室內(nèi)的全部的濕負荷，部分或全部的顯熱負荷。獨立新風系統(tǒng)通?？梢杂扇珶峤粨Q器、深冷盤管、顯熱交換器和送回風機等組成。

4.3 能耗計算

空調(diào)制冷系統(tǒng)能耗的計算包括制冷機組、新風機組、水泵和風機、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 新風機組能耗計算

圖3中N點和W點已知，利用公式（9），可以確定新風機組的機器露點d o，與90%相對濕度線相交，就可確定L點。

式中：dN-室內(nèi)空氣含濕量，k g/k g

do-新風機組的機器露點含濕量k g/k g

Qq-室內(nèi)潛熱負荷，kW

Gx-新風量，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這樣新風機組能耗為Q新=G x（tW-tL）

用溫頻法進行新風機組能耗計算的過程見表2。

4.3.2 冷卻吊頂能耗計算

新風承擔的室內(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。

由負荷計算結(jié)果得：

夏季室內(nèi)顯熱負荷為2.561t-12.754；

冬季室內(nèi)顯熱負荷為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機組的制冷量，選擇新風機組、冷水機組、冷卻塔、水泵和風機等設(shè)備，獲得各設(shè)備的輸入功率。

設(shè)備能耗計算如下：

風機、水泵的電機功率

圖4 各分項設(shè)備耗電量餅圖

式中E—冷水機組全年總能耗，kW;

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

COP—冷水機組性能系數(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

新風與風機盤管的空氣處理過程及送風 (風機盤管送風和新風）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。新風處理到室內(nèi)空氣的焓值，而風機盤管承擔室內(nèi)人員、設(shè)備冷負荷和建筑圍護結(jié)構(gòu)冷負荷。

式中：N-電機功率，kW

K-富裕值

P-全壓，Pa

Q-風量、水量，m 3/s

m-效率

空調(diào)設(shè)備中冷水機組全年總能耗計算公式如下:

圖5 風機盤管+新風系統(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N，L點和室內(nèi)狀態(tài)點N焓值相同，O點為送風狀態(tài)點，按室外溫度33℃時計算室內(nèi)余熱量、余濕量、熱濕比線，選定送風溫差8℃，可以確定O點，連接LO，與90%相對濕度線交于F點，所有狀態(tài)點就可以確定下來。

同樣可計算出各溫頻段風機盤管的能耗量及總能耗量。

冷水機組的能耗計算見表5。

由逐時法計算得新風機組的能耗量為11175.33kWh

（2）設(shè)備選型及耗電量計算

同理，風機盤管+新風系統(tǒng)的設(shè)備選型也應(yīng)該根據(jù)室外干濕球溫度進行。

由式（2）和（3）分別計算新風機組、冷卻水泵、冷凍水泵、風機盤管冷水機組和冷卻塔等設(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+獨立新風系統(tǒng)比風機盤管+新風系統(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，風機水泵能耗所占的比例較大，而冷水機組所占比例較小。這主要是因為，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，提高了冷水機組的性能系數(shù)，從而使機組能耗降低。

圖6 各分項設(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負荷的計算，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行了平均，使得濕球溫度偏小，但是這種方法簡化了建筑負荷的計算過程，可以對部分負荷進行模擬，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)（風機盤管+新風）節(jié)能

（3）輻射供冷系統(tǒng)比常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)（風機盤管+新風）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)能效果進行了比較，不過對于華北地區(qū)來說，冷負荷相對于熱負荷較大，節(jié)省冷負荷就可以實現(xiàn)節(jié)能的目的。

[1]江億等.溫濕度獨立控制.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.

無能源日