劉濟(jì)南

科進(jìn)柏誠工程技術(shù)有限公司

0 引言

近年來，隨著城市經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，產(chǎn)生了大量的規(guī)模大、業(yè)態(tài)多、能耗高的綜合性建筑。在這些綜合性的建筑中，暖通空調(diào)系統(tǒng)的能耗占整個建筑能耗的比例約為40%～60%。因此如何減少能耗，是亟待解決的問題。為減少空調(diào)系統(tǒng)的能耗，在很多項目中采用了自然冷源。李魁山、馬曉瓊等人對不同建筑可用新風(fēng)免費供冷的時間進(jìn)行了研究[1]。陳晨、王曉芝等人研究了新風(fēng)經(jīng)濟(jì)器的適用條件[2]。董濤、劉覽[3]等人研究了新風(fēng)供冷在劇場項目中的應(yīng)用。

對于綜合體建筑，內(nèi)區(qū)面積大，需要全年供冷，而且其中的商場、超市、展廳等大空間區(qū)域，由于多采用全空氣空調(diào)系統(tǒng)，利于提高系統(tǒng)的新風(fēng)供應(yīng)量。因此在這些地方應(yīng)該盡量利用室外新風(fēng)作為免費冷源。然而，如何確定送風(fēng)量，系統(tǒng)的設(shè)計送風(fēng)量、全新風(fēng)運行工況對于系統(tǒng)初投資、全年運行能耗有何影響，卻鮮有文獻(xiàn)進(jìn)行分析。因此，本文將從全年、全生命周期的經(jīng)濟(jì)性角度來分析商業(yè)內(nèi)區(qū)全新風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計及運行。

1 送風(fēng)量和送風(fēng)溫差

對于常規(guī)的全空氣空調(diào)系統(tǒng)，當(dāng)送風(fēng)溫差一定時，室內(nèi)設(shè)計參數(shù)的取值，對送風(fēng)量的大小，起到了決定性的影響。在室內(nèi)負(fù)荷一定的情況下，送風(fēng)溫（焓）差與送風(fēng)量成反比?！豆步ㄖ?jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》GB50189-2015規(guī)定當(dāng)送風(fēng)口高度≤5 m時，舒適性空調(diào)的送風(fēng)溫差宜取5～10 ℃，同時指出，在滿足舒適度及工藝要求的條件下，宜加大送風(fēng)溫差。因此規(guī)范建議在設(shè)計過程中盡量增大送風(fēng)溫差，以減小風(fēng)機(jī)能耗和管材消耗。圖1為某上海某地下超市項目在室內(nèi)設(shè)計溫度一定時，不同送風(fēng)溫差下的送風(fēng)量和室內(nèi)相對濕度曲線：

圖1 不同溫差下的送風(fēng)量和相對濕度

由圖1可知，送風(fēng)溫差越大，送風(fēng)量越小，室內(nèi)相對濕度越低。因此，很多設(shè)計人員在設(shè)計中通常直接根據(jù)最大負(fù)荷按照最大送風(fēng)溫差來計算送風(fēng)量，并在此基礎(chǔ)上，將送風(fēng)量的50%或者70%作為過渡季節(jié)全新風(fēng)運行時的送風(fēng)量。但是如果為了減少輸送能耗和風(fēng)管尺寸，去增大送風(fēng)溫差，減少送風(fēng)量，將會導(dǎo)致過渡季節(jié)可用新風(fēng)免費冷的時間減少，對系統(tǒng)節(jié)能不利。因此對于全年供冷的商業(yè)項目，在空調(diào)箱的選型計算時，應(yīng)該考慮其全年的運行工況，盡量增加新風(fēng)免費冷的可用時長，減少全年運行能耗。

2 全年運行工況

對于全年需要供冷的商業(yè)內(nèi)區(qū)，采用過渡季節(jié)全新風(fēng)的空調(diào)系統(tǒng)，根據(jù)室內(nèi)設(shè)計溫濕度和冷濕負(fù)荷可以確定空調(diào)系統(tǒng)送風(fēng)狀態(tài)點，相應(yīng)的根據(jù)全年室外空氣氣象參數(shù)，即可確定全年空調(diào)系統(tǒng)的運行工況，其在焓濕圖上的表示如圖2所示：

圖2 空調(diào)系統(tǒng)全年運行工況

根據(jù)圖2所示，一般情況下，空調(diào)系統(tǒng)全年可能存在以下五種運行工況：

1）當(dāng)hn≤hw時，最小新風(fēng)工況，冷機(jī)供冷水。

2）當(dāng)hn≥hw≥ho，全新風(fēng)工況，冷機(jī)供冷水。

3）當(dāng)hw≤ho，直接全新風(fēng)工況，冷機(jī)不供冷。

4）當(dāng)hw≤hq，全新風(fēng)運行，部分回風(fēng)工況，以提高送風(fēng)溫度，防止送風(fēng)溫度過低，風(fēng)口結(jié)露。

5）當(dāng)hw≤hR，最小新風(fēng)加熱運行，鍋爐供熱，在該情況下，室外溫度過低即便以最小新風(fēng)供熱，仍可能會導(dǎo)致室內(nèi)過冷。因此需要熱水供熱。

需要指出，上述五種工況并不會在每個系統(tǒng)都存在，不同地區(qū)，不同業(yè)態(tài)，會存在不同，例如，在在冬季室外溫度較高的地區(qū)，可能第五種工況就不會存在。因此不同項目需要分別分析。

3 全年運行能耗計算

根據(jù)上文分析，加大送風(fēng)送風(fēng)溫差，減小系統(tǒng)設(shè)計送風(fēng)量，可以減少設(shè)備容量及管道尺寸，降低輸送能耗。減小送風(fēng)溫差，增加系統(tǒng)設(shè)計送風(fēng)量，可以增加使用全年新風(fēng)免費冷的時間，降低冷機(jī)能耗，但空調(diào)機(jī)組輸送能耗及排風(fēng)系統(tǒng)的能耗要相應(yīng)增加。因此，應(yīng)從系統(tǒng)全年的能耗來分析其的合理性，進(jìn)而來確定其送風(fēng)溫差和送風(fēng)量。

對于整個空調(diào)系統(tǒng)來說，其運行時所消耗的電量按照下式計算：

式中：N0為整個空調(diào)系統(tǒng)的耗電量；N1為冷源系統(tǒng)的冷熱源系統(tǒng)的綜合耗電量，kW，含冷水機(jī)組、冷卻水泵、冷卻塔、鍋爐組成的冷熱源系統(tǒng)；N2為冷凍水泵耗電量，kW；N3為末端空調(diào)機(jī)組耗電量，kW；N4為排風(fēng)系統(tǒng)的耗電量，kW。

假定系統(tǒng)總的負(fù)荷已知，經(jīng)過計算空調(diào)系統(tǒng)的送風(fēng)量已確定，排風(fēng)量為送風(fēng)量的85%。則式（1）應(yīng)進(jìn)一步按照式（2）計算：

式中：Q為總冷負(fù)荷，kW；ECR為耗電輸冷比；SCOP為空調(diào)系統(tǒng)的電冷源綜合性能系數(shù)；W為空調(diào)箱系統(tǒng)設(shè)計送風(fēng)量，m3/h為新風(fēng)比；WS1為空調(diào)箱單位風(fēng)量耗功率，W/(m3/h)；WS2為排風(fēng)機(jī)單位風(fēng)量耗功率，W/(m3/h)。

式（2）中，對于商業(yè)內(nèi)區(qū)，室內(nèi)負(fù)荷在方案設(shè)計階段可近似認(rèn)為是固定值，且全年需要供冷。SCOP值、Ws值均可根據(jù)《公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》中的限值要求確定?？照{(diào)房間內(nèi)保持微正壓，排風(fēng)量按照新風(fēng)量的85%確定。通過全年逐時室外氣象參數(shù)，即可判定整個空調(diào)系統(tǒng)的運行狀況，并計算出各部分的能耗，進(jìn)而得到全年的總能耗。

4 系統(tǒng)設(shè)計周期總耗費

以上海某商場地下超市為例，該超市面積為1000 m2，超市全為內(nèi)區(qū)，全年需要供冷，營業(yè)時間為9:00～21:00。夏季室內(nèi)設(shè)計計算參數(shù)取25 ℃，相對濕度60%，焓值為55.72 kJ/kg.干空氣。夏季計算冷負(fù)荷為134 kW，濕負(fù)荷為6.88 g/s。根據(jù)室內(nèi)設(shè)計參數(shù)和上海市全年室外氣象參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)的全年運行工況計算。在不同的送風(fēng)溫差、送風(fēng)量下，系統(tǒng)的全年運行耗電量如圖3所示：

圖3 不同設(shè)計風(fēng)量下的系統(tǒng)全年耗電量

根據(jù)圖3可知，設(shè)計送風(fēng)量越大，系統(tǒng)的全年能耗越低，相應(yīng)的運行經(jīng)濟(jì)性越好。但是需要指出，設(shè)計送風(fēng)量越大，則組合式空調(diào)機(jī)組、排風(fēng)機(jī)組選型規(guī)格越大，送排風(fēng)風(fēng)管的尺寸越大，從而造成初投資越高。因此單純的考慮初投資或者運行費用，并不能準(zhǔn)確衡量系統(tǒng)的綜合效益。應(yīng)該從初投資和系統(tǒng)的運行生命周期來考慮整個系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。以超市為例。通過計算各個末端設(shè)備及風(fēng)管的初投資結(jié)合每年的運行費用，則可以計算得出該系統(tǒng)10年的運行費用和初投資費用總和，如圖4所示：

圖4 不同設(shè)計風(fēng)量下空調(diào)系統(tǒng)總耗費

從圖4可知，送風(fēng)溫差為8.8 ℃，設(shè)計送風(fēng)量為40732 m3/h的情況下，系統(tǒng)設(shè)計運行周期內(nèi)的總耗費最低。因此對于本項目在系統(tǒng)設(shè)計送風(fēng)量時可考慮將送風(fēng)溫差設(shè)定在8～9 ℃之間。

5 結(jié)語

本文分析了空調(diào)系統(tǒng)全年運行可能存在的幾種工況，計算了空調(diào)系統(tǒng)全年運行能耗。通過分析得知：

1）商業(yè)內(nèi)區(qū)應(yīng)該盡可能采用過渡季節(jié)直接全新風(fēng)運行，以減少空調(diào)系統(tǒng)冷熱水需求量，以利節(jié)能。同時，應(yīng)考慮相應(yīng)的排風(fēng)問題。

2）在選擇空調(diào)箱計算系統(tǒng)的設(shè)計送風(fēng)量時，對于考慮過渡季節(jié)全新風(fēng)運行的空調(diào)系統(tǒng)，送風(fēng)溫差不是越大越好，也不是越小越好，應(yīng)綜合全年運行情況進(jìn)行具體分析計算。

3）在空調(diào)的設(shè)計使用周期內(nèi)，送風(fēng)溫差在9 ℃左右時整體的能耗較低。設(shè)計使用周期越長，則應(yīng)減小送風(fēng)溫差，增加過渡季節(jié)全新風(fēng)運行的風(fēng)量，以達(dá)到減小系統(tǒng)的總耗費的目的。