劉 成

(咸寧職業(yè)技術(shù)學院 工學院，湖北 咸寧 437100)

我國公共建筑的面積在不斷擴大，能耗也隨之增加。如何控制空調(diào)能耗的快速增長、提高節(jié)能減排水平、緩解能源供應(yīng)緊張局面具有非常重要的意義。空調(diào)系統(tǒng)的運行能耗包括制冷主機、水泵、風機和空調(diào)末端裝置等，各部分相互影響、互相關(guān)聯(lián)，這導致傳統(tǒng)的空調(diào)運行能耗指標具有局限性，無法有效評測空調(diào)的實際能耗，因此有必要采取科學有效的方法對實際運行的空調(diào)系統(tǒng)進行評測，提升整體的運行效能，降低能源消耗。實際運行中，不僅要考慮單個設(shè)備的運行情況和設(shè)備間的耦合特性，還要考慮制冷機組是處于部分負荷還是全負荷狀態(tài)，因此需采用動態(tài)評價指標，科學評價系統(tǒng)的整體運行情況。

1 空調(diào)系統(tǒng)運行能耗指標

1.1 空調(diào)系統(tǒng)能耗系數(shù)(CEC)

它表示空調(diào)系統(tǒng)全年總耗能量與假想空調(diào)負荷全年累計值之比，可以判斷空調(diào)系統(tǒng)全年能量使用效率大小。由于全年假想的空調(diào)負荷計算需要利用詳細的氣象資料，但建筑類型多樣，導致這些資料不全且難于收集[1]。此外，全年負荷包括內(nèi)部熱濕負荷、新風負荷及建筑傳熱等多項負荷，由于是假想值，計算該值又與實際運行時的負荷有很大差別，可見 CEC 指標的實用性并不高。若評定空調(diào)系統(tǒng)制冷及不同控制策略運行的優(yōu)劣，需要測定它在某一時間段內(nèi)不同時刻的瞬時能效，采用CEC指標評定無法實現(xiàn)。

1.2 季節(jié)能效比(SEER)

它表示空調(diào)(供熱)季節(jié)總的制冷(熱)量與總輸入功率之比。SEER反映了空調(diào)系統(tǒng)實際能耗水平，為總能耗及設(shè)備性能的選型提供了科學依據(jù)。季節(jié)能效比的數(shù)值越大，表明空調(diào)系統(tǒng)的運行效率越高，在相同的制冷(熱)條件下，總輸入功率越小，越節(jié)能。目前，對于不同類型的機組，季節(jié)能效比指標大小的限定值還處于不確定狀態(tài)，國內(nèi)相關(guān)標準與規(guī)范并沒有給出明確的規(guī)定，評價等級不好確定[2]。

1.3 單位空調(diào)面積年耗電量指標(AEC)

它表示空調(diào)系統(tǒng)年耗電量與空調(diào)面積之比。指標僅以空調(diào)系統(tǒng)的年度單位面積耗電量來表示，并沒有考慮空調(diào)系統(tǒng)的實際制冷量和建筑用途，可能造成與系統(tǒng)運行事實不符。如以城市購物廣場和辦公建筑的空調(diào)系統(tǒng)為例，由于購物廣場空調(diào)系統(tǒng)運行時間長，各項負荷累加值大，所需的制冷量明顯比辦公建筑制冷量大得多，假定最終測算的能耗均為120 kWh/m2，就不能直接判斷購物廣場的空調(diào)系統(tǒng)和辦公建筑的空調(diào)系統(tǒng)具有同樣的耗能。事實上，購物廣場空調(diào)系統(tǒng)在運行中，單位電量產(chǎn)生的制冷量比辦公建筑高得多，應(yīng)該更節(jié)能。因此，片面強調(diào)單位面積耗電量指標顯然不適用于不同類型建筑的空調(diào)系統(tǒng)比較。

1.4 全年能源消耗效率(APF)

它表示室內(nèi)空氣中除去的冷量與送入室內(nèi)的熱量總和與同期間內(nèi)消耗電量的總和之比[3]。該指標綜合考慮了空調(diào)的制冷能力和制熱能力的能耗水平，可以較全面地表示全年能耗水平?？照{(diào)的能效比越大，在相同制冷量條件下就越節(jié)約電能。由于全年的空調(diào)負荷計算難度較大，導致在中央空調(diào)系統(tǒng)中實際使用并不廣泛，主要應(yīng)用于小型空調(diào)系統(tǒng)，如分體式空調(diào)等。

上述4種空調(diào)系統(tǒng)能耗評價指標在實施過程中存在數(shù)據(jù)獲取困難、標準不確定、適用性小等問題，并不能完全滿足空調(diào)系統(tǒng)綜合運行能效評價的要求，因此提出一種專門針對空調(diào)系統(tǒng)運行能效的評價指標，該評價指標既可以為空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能提供指導，又方便獲取參數(shù)，可保證計算的精準性，廣泛適用于不同類型的中央空調(diào)系統(tǒng)。同時，該指標也可滿足對瞬時能效和平均能效計算的要求。

2 空調(diào)系統(tǒng)運行能效比的計算

2.1 計算公式

在實際運行過程中，空調(diào)系統(tǒng)的能效會隨很多因素的變化而變化，需要對運行階段不同工況下的空調(diào)能效進行評價[4]。空調(diào)系統(tǒng)運行能效比是在空調(diào)系統(tǒng)運行的某時刻，空調(diào)系統(tǒng)的部分制冷量與其電耗 (非電耗折算成電耗)之比。其計算式為：

(1)

式中，Q—空調(diào)系統(tǒng)在部分負荷下的制冷量(kW)，規(guī)定是額定制冷量在 0～100%范圍內(nèi)的取值；制冷量是按照公式Q=CpmΔt進行計算的(其中，Cp—水的定壓比熱容，通常情況下取4.2 kJ/kg·℃；m—空調(diào)系統(tǒng)運行中冷凍水的流量kg/s；Δt—進出蒸發(fā)器時，冷凍水的溫差，℃)。此外，冷凍水進出水溫差Δt一般是利用溫度計取數(shù)，而冷凍水的質(zhì)量流量m一般是用流量計取數(shù)。

∑Ni—空調(diào)系統(tǒng)在部分負荷下，各設(shè)備所消耗的電量的總和，kW；

N1、N2、N3—分別表示在部分負荷下，冷水機組、冷卻塔和冷卻泵消耗的電量(kW)；

N4—部分負荷下，冷凍水泵耗電量的總和(kW)；

N5—部分負荷下，空調(diào)末端設(shè)備耗電量的總和(kW)。

2.2 空調(diào)系統(tǒng)運行能效比(SOEER)的計算分析

SOEER計算公式中考慮了空調(diào)系統(tǒng)機組制冷量和系統(tǒng)各設(shè)備的綜合耗電量的大小，體現(xiàn)了系統(tǒng)運行的綜合能效水平。它的各項數(shù)值獲取容易，可以利用相關(guān)儀器快速獲取，也便于計算，因此利用SOEER值可評估空調(diào)系統(tǒng)瞬時能耗水平，如通過測定某一時刻的各項指標值就可以得到對應(yīng)的能效比值，也可評估一段時間內(nèi)的平均能耗水平?？梢垣@取某一段內(nèi)的各項指標值求得平均能效比。在保證建筑用戶舒適度的前提條件下，其值越低則說明系統(tǒng)越耗能，處于低效能運行狀態(tài)，因此增大SOEER的值，可以減少空調(diào)系統(tǒng)的總能耗。

SOEER值與制冷機組的選型密切相關(guān)。制冷機組的能耗占比較大，超過總能耗的50%，對整個系統(tǒng)的影響非常大；制冷機組COP值直接決定其值大小。通常情況下，當系統(tǒng)其他設(shè)備運行正常時，COP值越大則表示SOEER也可能較大。

3 實例分析

以夏熱冬冷地區(qū)的某商業(yè)辦公建筑為例，該中央空調(diào)系統(tǒng)由離心式冷水機組、定流量的二次冷凍水系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)和空調(diào)機組和新風機組等組成?？照{(diào)系統(tǒng)能效指標測算的相關(guān)監(jiān)測參數(shù)，包括冷凍水流量、進出口溫度、輸入功率、冷卻水流量、進出口溫度、輸入巧率、冷卻塔輸入功率、冷水機組輸入功率等的監(jiān)測數(shù)據(jù)等[5]，相關(guān)數(shù)值見表1，運行能效比由公式(1)確定。

表1 檢測數(shù)據(jù)數(shù)值計算一覽表Tab.1 Numerical calculation of test data

測試結(jié)果分析。

A.冷水機組的COP。

設(shè)冷水機組功耗占空調(diào)系統(tǒng)總功耗的權(quán)重為：

(2)

則空調(diào)系統(tǒng)的運行能效為：

(3)

由公式(3)得，SOEER是由COP值和冷水機組功耗與空調(diào)系統(tǒng)總能耗的權(quán)重x共同決定的，其中x的數(shù)值由公式(2)確定。從表2可知，COP值與運行能效存在三次多項式關(guān)系，見圖2。當冷水機組運行的COP值超過它的額定值時，COP值對SOEER值影響最大，如時點1、2中的實際COP值超過額定數(shù)值為6.26，此時SOEER值較大。

圖2 冷水機組COP值與SOEER的相互關(guān)系圖示Tab.2 Relationship between COP value and SOEER of the water chilling unit

當冷水機組運行的COP值低于它的額定值時，SOEER受x值影響較大，COP值的約束作用表現(xiàn)較弱。當空調(diào)系統(tǒng)實際上處于部分負荷運行時，應(yīng)通過采取合理措施，盡量增加x的權(quán)重值。一般可將冷凍供回水的溫差設(shè)定為合理值，減低水泵的流量，若水泵有變頻調(diào)節(jié)裝置，可以降低它的輸入功率，令x增大；也可以通過關(guān)停不必要的末端裝置，杜絕浪費，減少該裝置的輸出，達到減少設(shè)備能耗的目的。以時點3為例，當空調(diào)末端輸入功率降至與時點2為相同值時，則SOEER值與時點2相同，冷水機組的COP值和運行能效值見表2。

表2 冷水機組的COP值和運行能效值Tab.2 COP value and operation energy efficiency value of the water chilling unit

B.水泵的效率。

水泵效率決定了功率的大小，從而影響SOEER值。在相同的流量和揚程下，水泵的效率越高，消耗的功率反而小，空調(diào)系統(tǒng)的運行能效就越高。以時點4和11為例，冷卻水泵的流量幾乎相同，但由于時點4的效率高，導致時點4的運行效能高于時點11。

C.水的溫差。

水的溫差對運行能效比和COP值的影響并不顯著。以冷凍水為例，通過擬合冷凍水溫差分別與COP值、運行能效比，發(fā)現(xiàn)它們并不存在顯著關(guān)系。從圖3可以看出，在部分時點處，冷凍水溫差增大，COP值同步增大；在其他點，兩者出現(xiàn)了反向變化的趨勢，冷凍水的溫差隨COP值進行無規(guī)律性變化。

圖3 冷凍水溫差、COP值和SOEER的變化趨勢Fig.3 Changing trend of chilled water temperature difference, COP value and SOEER

4 結(jié)語

評價指標可充分考慮各運行設(shè)備的實際輸入功率，客觀真實地反映空調(diào)系統(tǒng)實際能耗水平。空調(diào)系統(tǒng)運行能效比的提出為空調(diào)系統(tǒng)評價提供了一套簡單易行的指標體系，可操作性強，也可進行圖表化顯示。通過對其運行狀況進行測定和計算，為空調(diào)科學運行提供了數(shù)據(jù)支撐，可指導系統(tǒng)維護人員按照空調(diào)負荷的動態(tài)變化規(guī)律，改進和提高空調(diào)系統(tǒng)在部分負荷下的運行效率。通過選擇科學合理的運行策略，如設(shè)定不同冷凍供水溫度，比較在不同部分負荷下的SOEER值大小，選取較優(yōu)的運行方式，對比設(shè)計和運行能效值的大小，輔以相關(guān)理論指導，判定空調(diào)系統(tǒng)是否節(jié)能。通過尋找空調(diào)系統(tǒng)負荷和SOEER值變化規(guī)律，指導運行管理人員科學精準地調(diào)節(jié)空調(diào)系統(tǒng)，在提升制冷機組運行的COP值基礎(chǔ)上，應(yīng)盡量提升水泵工作效率，可以在一定程度滿足室內(nèi)環(huán)境熱舒適性，同步提高空調(diào)系統(tǒng)運行能效，達到系統(tǒng)節(jié)能的目的。