邊 毅簡煦根

（1.四川高地工程設計咨詢有限公司 成都 610041；2.四川眾恒建筑設計有限責任公司 成都 610072）

建筑內區(qū)利用過渡季及冬季氣候條件供冷分析

邊 毅1簡煦根2

（1.四川高地工程設計咨詢有限公司 成都 610041；2.四川眾恒建筑設計有限責任公司 成都 610072）

建筑物內區(qū)空調能耗已成為空調節(jié)能設計中不容忽視的問題。基于建立的一個建筑模型空間實例，計算并分析了可變新風系統(tǒng)與固定新風系統(tǒng)在不同設計送風溫差、不同人員新風量標準的工況下，利用過渡季及冬季氣候條件供冷的時間、全年供冷能耗與空調系統(tǒng)形式的關系。提出了利用過渡季及冬季氣候條件供冷設計程序，以及設計中應注意的問題和遵循的方法。

建筑內區(qū)；可變新風系統(tǒng)；固定新風系統(tǒng)；人員新風量標準；空調能耗；送風溫差

0 引言

我國建筑用能已超過全國能源消費總量的1/4，并將隨著人民生活水平的提高逐步增加到1/3以上。在公共建筑的全年能耗中，大約50%～60%消耗于空調制冷與采暖系統(tǒng)。而空調冷熱源供應系統(tǒng)的能耗又占整個空調、采暖系統(tǒng)的大部分[1]?，F(xiàn)階段我國建筑行業(yè)飛速發(fā)展，建筑體量越來越大，建筑內區(qū)面積隨之增大。建筑內區(qū)由于基本不受室外氣象的影響，一般常年均為冷負荷，需要全年供冷。在太陽輻射得熱大于外圍護結構散熱或人員密集和內部發(fā)熱量較大，圍護結構散熱小于內部發(fā)熱量的建筑外區(qū)空調房間，冬季也可能出現(xiàn)冷負荷。外圍護結構特別是窗的熱工性能逐步改善之后，這種現(xiàn)象出現(xiàn)的概率大為增多[2]，這些房間冬季也需要供冷。因此，在過渡季節(jié)和冬季，減少人工制冷設備運行時間，對建筑節(jié)能意義重大。

本文以常年供冷的內區(qū)房間為例，從充分利用室外新風，以及冷卻塔供冷兩個方面，分析內區(qū)供冷的相關問題，為暖通空調系統(tǒng)設計提供參考。

1 利用過渡季及冬季氣候條件供冷的判定參數(shù)及程序

建筑空調方式多樣，一般都以空氣和水為能量轉移載體。在過渡季節(jié)和冬季，室外新風以及冷卻塔提供的冷水，也是供冷的能量轉移載體。其中新風是消耗能源最少的供冷載體，而冷卻塔在室外較低的濕球溫度時能夠提供冷水，雖然風機、水循環(huán)系統(tǒng)仍然要消耗電能，但可替代制冷機組，有一定節(jié)能效益，也是一種較為節(jié)能的供冷方式（為便于敘述，后文中提及的節(jié)能供冷即為此兩種供冷方式）。

由于采用節(jié)能供冷措施，是為了降低空調冷熱源運行能耗，實現(xiàn)節(jié)能，期間室外空氣含濕量較低，一般建筑內區(qū)負荷可以不考慮潛熱負荷，僅考慮顯熱負荷，同時保證室內干球溫度tn和室內含濕量dn不大于室內最大允許值即可[3]。

設計中應根據室外空氣干球溫度tw和濕球溫度ts、含濕量dw與室內顯熱負荷Qx、濕負荷W綜合計算分析，采取合理措施，實現(xiàn)節(jié)能目的。

1.1 新風除濕能力

在適用節(jié)能供冷的時段，特別是冬季新風含濕量很低，利用新風一般可以完全消除室內余濕，而冷卻塔提供的冷水在過渡季節(jié)一般較高，不一定能完全滿足除濕的需要。所以新風是否能夠除濕，是實現(xiàn)節(jié)能供冷的必要條件。

根據除濕送風量計算公式[4]，可得出滿足除濕需要的室外空氣含濕量計算公式：

式中：W為室內余濕量，g/s；Gx為新風量，kg/s；dx為新風含濕量，g/kg；dn為室內含濕量，g/kg，為最大程度利用新風供冷，節(jié)能供冷期間室內含濕量可按照相對濕度70%計算。

當dw≤dx時，新風滿足除濕需要，可以按照節(jié)能供冷工況運行。

當dW>dx時，新風不能滿足除濕需要，應采用夏季運行工況。

1.2 新風供冷能力

根據顯熱負荷風量計算公式[4]，可得出新風供冷的空氣干球溫度計算公式：

式中：tn為過渡季節(jié)或冬季允許的室內干球溫度，℃，最低可取22℃，最高為夏季工況設計溫度；Qx為室內顯熱負荷，kW；tx為新風供冷時的干球溫度，℃。

當tw≥tx時，應采用夏季空調運行工況。

當tW=tx時，新風供冷能力恰好滿足室內顯熱負荷需要，不需對新風進行任何熱工處理，新風直接供冷。

當tW

當tx

該工況下，需要冷卻塔輔助提供的冷量QR（kW）計算公式：對一次回風全空氣系統(tǒng)，在設計供冷工況下顯熱制冷量Qx（kW）計算公式：

假定Qx不變，由公式（2）及公式（4）可得：

式中：G為送風量，kg/s；t0為設計送風溫度，℃。

可以知道：在一定送風溫差下，新風比K越大，tx就越高，這有利于充分利用室外較高溫度的新風進行供冷，延長節(jié)能供冷時間。

值得注意的是前文提及的送風溫差與新風量的取值是針對節(jié)能供冷運行模式而言，在夏季工況下，不論內、外區(qū)，空調房間都應該按照最大送風溫差和滿足要求的最小新風量運行，后文的能耗計算也是按照此原則計算。

1.3 冷卻塔供冷能力

冷卻塔出水溫度隨著室外濕球溫度降低而降低，在冬季和過渡季節(jié)我國大部分地區(qū)濕球溫度較低，這也為冷卻塔供冷提供了條件?？照{末端一般按照夏季工況低溫冷水選擇，在節(jié)能供冷時段內，實際需要末端提供的空調負荷一般均小于夏季，末端設備采用冷卻塔提供的高溫冷水也就存在可能性，可以根據末端負荷實際需要的冷水溫度及室外濕球溫度來判斷。

[5]，冷卻塔供冷負荷與冷水溫度的計算公式：

式中：Q0為末端設備標準工況制冷量，kW，本文采用夏季工況室內全熱負荷；t1R、t10為冷卻塔供冷工況、標準工況下末端設備進口空氣干球溫度，℃，t10=27℃，t1R= tn；tW1R、tW10為冷卻塔供冷工況、標準工況下末端設備進口冷水溫度，℃，tW10=7℃。

根據公式（6），得出冷卻塔供冷冷水溫度的計算式為：

考慮冷卻塔的冷卻逼近度（3～4℃），板式換熱器的溫差(1～2℃)，綜合考慮溫差取5℃，在冷卻塔供冷工況下，室外最高濕球溫度txs（℃）計算公式為：

當室外空氣濕球溫度ts≤txs時，能夠采用冷卻塔供冷，實現(xiàn)節(jié)能供冷。

當ts>txs時，冷卻塔提供的冷量滿足不了新風供冷的不足部分，應按照夏季工況運行。

1.4 利用過渡季及冬季氣候條件供冷綜合判定流程為更好地說明判定流程，根據公式（2）建立t1，t2，t3三個溫度控制點（℃）：

式中：Qx22，Qx25為室內溫度tn=22℃，25℃時的室內顯熱負荷，kW；tΔ為設計送風溫差，℃。

圖1 利用過渡季及冬季氣候條件供冷判定計算程序Fig.1 Determining program of use transition season and winter weather conditions cooling

根據前述分析、公式（1）～（8）、當?shù)厥彝庵饡r氣象參數(shù)以及室內顯熱負荷和余濕量，就可以綜合判斷節(jié)能供冷的可行性和設計措施。設計流程可參照圖1。

2 利用過渡季及冬季氣候條件供冷系統(tǒng)分析

根據前文分析，實現(xiàn)利用過渡季及冬季氣候條件供冷，室外氣象參數(shù)及新風供應量是關鍵。室內空調系統(tǒng)設計中，新風供應一般采用兩種方式：可變新風供應系統(tǒng)（新風供應量可以調節(jié)，最大新風比K可以等于1，同時配以與之相適應的排風系統(tǒng)）與固定新風供應系統(tǒng)（新風供應量為最小值，新風比K為常數(shù)，排風系統(tǒng)與最小新風量相適應）。下文分別就這兩種系統(tǒng)在利用過渡季及冬季氣候條件供冷應用中的各種問題進行具體計算分析。為便于分析問題，建立如下一個基礎空間數(shù)據模型，并根據模型分別以北京、成都、南寧三個城市為例，根據典型氣象年逐時參數(shù)，并設定空調系統(tǒng)運行時間為8:00～18:00（辦公建筑）進行逐時計算，并統(tǒng)計、分析。

表1 室內負荷、送風量與新風量Table1 Air conditioning load , air output and fresh air volume

2.1 利用過渡季及冬季氣候條件供冷運行時間計算

根據公式（1）～（8），按照圖1流程，以及室外逐時氣象參數(shù)[7]，通過計算機編程，可以分別計算出不同工況下節(jié)能供冷時間，計算結果詳表2、表3、圖2～圖5。

表2 可變新風供應系統(tǒng)供冷時間（h）Table2 Cooling time of variable fresh air supply system (h)

續(xù)表2 可變新風供應系統(tǒng)供冷時間（h）Table2 Cooling time of variable fresh air supply system (h)

表3 固定新風供應系統(tǒng)供冷時間（h）Table3 Cooling time of fixed fresh air supply system (h)

圖2 可變新風供應系統(tǒng)30(m3/p·h)供冷時間（h）Fig.2 Cooling time of variable fresh air supply system (30m3/p·h)

圖3 可變新風供應系統(tǒng)40(m3/p·h)供冷時間（h）Fig.3 Cooling time of variable fresh air supply system (40m3/p·h)

圖4 可變新風供應系統(tǒng)50(m3/p·h)供冷時間（h）Fig.4 Cooling time of variable fresh air supply system (50m3/p·h)

圖5 固定新風供應系統(tǒng)供冷時間（h）Fig.5 Cooling time of fixed fresh air supply system

通過逐時計算過程，根據統(tǒng)計圖表，利用過渡季及冬季氣候條件供冷時間與送風溫差、新風量標準之間的關系如下。

2.1.1 可變新風供應系統(tǒng)

（1）隨著送風溫差減小，制冷主機全年運行時間縮短，新風供冷總時間延長，冷卻塔供冷時間縮短。

（2）隨著新風量標準提高，制冷主機全年運行時間，冷卻塔供冷時間，新風供冷總時間均保持不變，但新風需要加熱的時間會增加。

2.1.2 對固定新風供應系統(tǒng)

（1）利用過渡季及冬季氣候條件供冷時間與送風溫差沒有必然聯(lián)系。

（2）隨著新風量標準提高，制冷主機全年運行時間縮短，新風供冷總時間延長，冷卻塔供冷時間縮短。

并且發(fā)現(xiàn)內區(qū)房間雖常年需要制冷，但是為保證適宜的送風溫度，在一定條件下需要對新風進行加熱。

2.2 利用過渡季及冬季氣候條件供冷運行能耗計算

單純從供冷時間來決定設計措施，并不能夠實現(xiàn)節(jié)能初衷，必須以能耗作為主要判斷依據。為分析能源消耗情況，建立能耗計算依據如下。

以夏季工況送風溫差10℃，人員新風量標準30m3/p·h，采用固定新風供應系統(tǒng)且不采用冷卻塔供冷技術為常規(guī)工況以采用冷卻塔供冷技術為標準工況，分別計算各種工況全年供冷能耗，以分析問題（本文能耗均以系統(tǒng)運行的耗電量為標準）。

系統(tǒng)運行能耗主要包括：制冷機組運行能耗EL（kWh）、風系統(tǒng)運行能耗EF（kWh）、水泵運行能耗Eb（kWh）、冷卻塔運行能耗ET（kWh）、新風加熱能耗ER（kWh）等。其中為簡化計算，新風加熱均按照電加熱、效率為100%計算。其它各種能耗計算采用以下計算公式：

本文計算中水泵循環(huán)水量，冷卻塔處理水量均按照前文中建立的模型，并以夏季設計日室內全熱負荷及新風負荷為依據，并按照文獻[6]計算流量。計算結果詳表4，表5，圖6～圖12。

表4 可變新風系統(tǒng)全年運行能耗（kWh）Table4 Variable fresh air system running for the whole year energy consumption (kWh)

表5 固定新風系統(tǒng)全年運行能耗（kWh）Table5 Fixed fresh air system running for the whole year energy consumption (kWh)

圖6 標準工況相對常規(guī)系統(tǒng)節(jié)能量Fig.6 Standard condition relatively routine system energy saving

圖7 可變新風系統(tǒng)能耗變化曲線（北京）Fig.7 The curves of energy consumption of variable fresh air system (Beijing)

圖8 可變新風系統(tǒng)能耗變化曲線（成都）Fig.8 The curves of energy consumption of variable fresh air system (Chengdu)

圖9 可變新風系統(tǒng)能耗變化曲線（南寧）Fig.9 The curves of energy consumption of variable fresh air system (Nanning)

圖10 固定新風系統(tǒng)能耗變化曲線（北京）Fig.10 The curves of energy consumption of fixed fresh air system (Beijing)

圖11 固定新風系統(tǒng)能耗變化曲線（成都）Fig.11 The curves of energy consumption of fixed fresh air system (Chengdu)

圖12 固定新風系統(tǒng)能耗變化曲線（南寧）Fig.12 The curves of energy consumption of fixed fresh air system (Nanning)

通過逐時計算過程、根據統(tǒng)計圖表，利用過渡季及冬季氣候條件供冷的全年能耗與送風溫差、新風量標準之間的關系如下：

可變新風供應系統(tǒng)與固定新風供應系統(tǒng)采用節(jié)能措施均能降低系統(tǒng)運行能耗，尤以可變新風供應系統(tǒng)節(jié)能顯著。

（1）對可變新風供應系統(tǒng)

1）隨著送風溫差減小，寒冷地區(qū)、夏熱冬冷地區(qū)年能耗呈先降后升的趨勢；夏熱冬暖地區(qū)年能耗均呈降低趨勢。

2）隨著新風量標準提高，年能耗基本均會增加，寒冷地區(qū)且出現(xiàn)能耗高于常規(guī)空調運行模式，夏熱冬冷和夏熱冬暖地區(qū)能耗仍然低于常規(guī)空調運行模式。

（2）對固定新風供應系統(tǒng)

1）隨著送風溫差減小，寒冷地區(qū)、夏熱冬冷地區(qū)年能耗呈先降后升的趨勢，但能耗變化較小，夏熱冬暖地區(qū)年能耗均呈降低趨勢，變化較為明顯。

2）隨著新風量標準提高，寒冷地區(qū)年能耗增加顯著；夏熱冬冷地區(qū)，年能耗呈先降后升的趨勢；夏熱冬暖地區(qū)年能耗均呈降低趨勢。

3 結論

基于對模型空間數(shù)據的逐時分析，從能耗角度出發(fā)，建筑內區(qū)利用過渡季及冬季氣候條件供冷系統(tǒng)設計應遵循以下原則：

（1）系統(tǒng)設計措施是否可行，不能完全按照供冷時間判斷，應進行全年能耗計算分析。

（2）要實現(xiàn)利用過渡季及冬季氣候條件供冷的節(jié)能目的，可變新風系統(tǒng)是第一選擇。

（3）內區(qū)房間空調系統(tǒng)設計，在寒冷地區(qū)不宜提高人員新風量標準和減小送風溫差，過渡季及冬季空調風系統(tǒng)運行應與夏季工況一致。

（4）夏熱冬冷地區(qū)，空調風系統(tǒng)管道及風機宜適當減小送風溫差，固定新風供應系統(tǒng)應適當提高人員新風量標準進行設計，以滿足過渡季及冬季需要，空調風系統(tǒng)運行應分時段變風量運行，夏季工況空調風系統(tǒng)不應采用過渡季及冬季工況運行。

（5）夏熱冬暖地區(qū)，空調風系統(tǒng)管道及風機應減小送風溫差進行設計，以滿足過渡季及冬季需要，空調風系統(tǒng)運行應分時段變風量運行，夏季工況空調風系統(tǒng)不應采用過渡季及冬季工況運行。

參考文獻：

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Analysis of Use Transition Season and Winter Weather Conditions Coolings for the Inner Zones of a Building

Bian Yi1Jian Xugen2
( 1.Sichuan Highland Architectural Design Co., Ltd, Chengdu, 610041; 2.SiChuan ZhongHeng Architectural Design Co., Ltd, Chengdu, 610072 )

Air conditioning energy consumption has become an important problem in the design of air conditioning energy saving. Based on the establishment of a building model of space, the calculation and analysis of the variable fresh air system and fixed freshair system in different design supply air temperature difference, the standard of different fresh air volume under the condition of use transition season and winter weather conditions cooling time, cooling energy consumption and air conditioning system. The use transition season and winter weather conditions cooling design procedure and the method of the design of the system are put forward.

inner zones of a building; variable fresh air system; fixed fresh air system; standard of fresh air volume; air conditioning energy consumption; supply air temperature difference

TU831.3

A

1671-6612（2017）01-068-09

邊 毅（1974.02-），男，大學，高級工程師，E-mail：101249193@qq.com

簡煦根（1974.03-），女，大學，高級工程師，E-mail：502638380@qq.com

2015-11-23