夏熱地區商場類建筑集中空調系統全新風運行性能分析

劉 猛,錢 發,MCK INNELL Keith,李永強

(重慶大學a.城市建設與環境工程學院;b.三峽庫區生態環境教育部重點實驗室,重慶 400030)

夏熱地區商場類建筑集中空調系統全新風運行性能分析

劉 猛a,b,錢 發a,b,MCK INNELL Keitha,b,李永強a,b

(重慶大學a.城市建設與環境工程學院;b.三峽庫區生態環境教育部重點實驗室,重慶 400030)

分析了中國夏熱地區的室外氣候條件,對于冬季,有近乎100%的時間可以采用全新風模式,而過渡季節會有一半左右的時間可以采用全新風模式,從而全年可以減少30%～60%的人工冷源運行時間。通過對焓值控制和溫度控制2種調控模式的分析,研究了不同室內負荷強度、不同通風量和不同室內空氣溫濕度設定值條件下的調控方案。研究發現：室內負荷越大,采用全新風模式的節能效果越好;送風量宜設置為6～8 h-1;室內空氣參數對節能效果影響很大,考慮到室內外溫差對人體熱舒適的影響,可以考慮不同季節不同的室內空氣參數設置;對于調控模式,冬季和過渡季節可采用焓值控制模式;夏季宜采用溫度控制模式。采用全新風模式,每年可以實現100～180 kWh/m2的節能效果,從而產生30～50 kg/m2的碳減排量。

新風,節能,碳減排,空調,商場

隨著中國城鎮化和社會經濟的不斷發展,建筑作為社會能耗大戶,近30%的社會能耗用于建筑的運行能耗[1-3],如果從建筑的生命周期來看,有大約50%的能源消耗于建筑[4-7]。商場類建筑作為一類典型的大型公共建筑,其運行時間固定,商場內的高設備負荷(照明負荷)和高人流密度[8],造成了商場建筑較大的空調負荷,同時由于商場類建筑通常進深較大,通常存在大面積的建筑內區,內區的存在使得商場類建筑常年有穩定的冷負荷和供冷需求。據商業建筑的能耗調查統計,裝有空調系統的商業建筑每年的能耗費用接近150元/m2,其中空調能耗占到50%～60%[9]。在夏熱地區,夏季室外溫度較高;冬季溫度不是特別低,一般高于寒冷地區和嚴寒地區(有利于冬季直接將新風送入室內),有助于減少空調能耗和碳排放[10]。

中央空調的全新風運行作為減少建筑碳排放的一種主動式技術,已經受到學者的廣泛關注,一些學者從節能減排的視角展開了對商場類空調運行策略的研究[11-14],提出了一些分析模型。對新風的控制策略分為4種：定新風(最小新風量)控制策略;以室內人員數確定新風量控制策略;焓值控制策略;溫度控制策略。對于中國的夏熱地區,在過渡季節和冬季有比較適宜的室外氣象條件,利用適宜的室外自然條件解決商場類建筑的室內冷負荷,可以有效地減少人工冷源的運行時間,從而實現節能減排。研究以焓值和溫度調控2種模式為基礎,對影響全新風運行的主要因素：室內負荷、通風量和室內溫濕度參數設置進行了分析,通過分析對中國夏熱地區(中國熱工氣候分區中的夏熱冬冷地區和夏熱冬暖地區,簡稱夏熱地區)典型城市的空調系統全新風運行調控策略進行了優化。

1 模型建立

1.1 負荷計算

商場類建筑的空調系統冷負荷主要包括圍護結構冷負荷、內熱源造成的冷負荷和新風冷負荷,其中,

1)內熱源造成的冷負荷和室外氣候條件基本無關;

2)圍護結構冷負荷與室外氣候條件緊密相關,當室外溫度低于室內溫度時,這部分負荷可忽略,由于室外焓值低于室內焓值時,室外溫度通常低于室內溫度,或者室外溫度略高于室內溫度,這部分負荷近似忽略;

3)新風冷負荷與室外氣候條件緊密相關,當室外焓值低于室內焓值或室外溫度低于室內溫度時,這部分冷負荷近似沒有。

因此,當采用全新風運行時,商場類建筑的空調系統冷負荷僅為內熱源造成的冷負荷,包括照明、設備冷負荷和人體冷負荷。其中,顯熱部分有照明、設備和人體部分冷負荷;潛熱部分只有人體部分冷負荷。根據《實用供熱空調設計手冊(第二版)》,各冷負荷指標取值為：照明19W/m2,設備13W/m2,人體依據輕度勞動取值,商場人員密度文中取0.5人/m2[15]。

1.2 運行模式

空調系統運行采用以下3種模式運行

基準模式(BE)：制冷機供冷,最小新風量運行。

新風模式1(FE)：全新風運行,焓值控制,全熱控制。室外空氣焓值等于或低于某一值(i l)時,新風可以完全承擔室內冷負荷,人工冷源不啟動;當室外空氣焓值大于該值,但是小于室內空氣焓值(i h)時,開啟制冷機,新風和人工冷源各承擔一部分室內冷負荷。

新風模式2(FT)：全新風運行,溫度控制,顯熱控制。室外空氣溫度等于或低于某一值(t l)時,新風可以完全承擔室內冷負荷,人工冷源不啟動;當室外空氣溫度大于該值,但是小于室內空氣溫度(th)時,開啟制冷機,新風和人工冷源各承擔一部分室內冷負荷。

1.3 新風模式碳減排潛力預測模型

新風模式的碳減排潛力為新風模式與基準模式碳排放差值。與基準模式相比,新風模式的碳減排潛力主要體現在全新風運行時,節省的人工冷源系統能耗與所耗通風機能耗之差,兩者相比,前者多出了制冷機房能耗,而后者多了排風風機能耗,取制冷機房能效比(包括制冷機能耗、水泵能耗、冷卻塔能耗)為2.7,風機能耗指標為0.2W/(m3?h)。

通過采用典型氣象年逐時數據,分析各種工況條件下,全新風系統完全承擔負荷的運行時間,當冷負荷由全新風系統和人工冷源系統共同承擔時,按承擔的負荷比折算成當量全新風承擔時間,如式(1)或式(2)：

式中：Q t為室內內熱源冷負荷,W;ρ為空氣密度,取1.2 kg/m3;G為送風量,m3/h;Q x為室內內熱源顯熱冷負荷,W;cp為空氣定壓比熱,取1.01 kJ/kg?℃。

則,新風模式碳減排潛力模型如式：

式中：Cp為碳減排潛力,kg;Es為制冷機房能效比,取2.7;P f為排風風機能耗,W,指標取0.2W/(m3/h); C s為電力碳排放系數,kg/kWh,2008年,發電煤耗為349 g/kWh[16],碳排放系數為0.279 kg/kWh[17]。

2 夏熱典型城市分析

2.1 模擬條件與結果

取夏熱冬冷地區的重慶、長沙、上海和夏熱冬暖地區的廣州、福州作為典型城市進行分析。氣象數據取清華大學DeST氣象數據庫各城市典型氣象年數據。i h,t h分別取59 k J/kg(26℃,60%),26℃。商場營業時間為每天9：00至22：00,建筑層高為4 m,送風量為8 h-1。

根據式(3)、(4),可得i l、t l分別為46.53 k J/kg、16.7℃,基于研究選擇的典型氣象年數據,新風模式1和新風模式2的全新風承擔負荷時間占營業時間的百分比(按月)如圖1、圖2。根據式5,可得5個典型城市的節能量指標和碳減排指標,如圖3。

圖1 新風模式1(FE)全新風承擔時間比例

圖2 新風模式2(FT)全新風承擔時間比例

圖3 新風模式節能量指標和碳減排指標

2.2 分析與討論

2.2.1 不同模式對比 新風模式與基準模式相比,有較明顯的節能減排潛力,能夠有30%～60%的減排潛力。

對比2種新風模式,從全年的總體效果看,2種模式基本相當,對于潮濕地區,FE模式減排潛力略優,如重慶和長沙;濕度不大地區,FT模式減排潛力略優,如廣州和福州。2種新風模式的差異,取決于室內負荷特點、室內空氣的參數設定和室外空氣條件,對于商場建筑,其負荷變化因地區變化不大。因此,在室內空氣參數一定的情況下,2種新風模式的差異主要來自室外空氣條件。

將全年分成3段進行分段分析,12-2月為冬季,3-5月、10-11月為過渡季節,6-9月為夏季。對于冬季和過渡季節,室外空氣的濕度情況低于室內空氣的濕度情況,FE模式優于FT模式,高4%～6%;對于夏季,室外空氣的濕度情況高于室內空氣的濕度情況,FT模式優于FE模式,高3%～9%。2.2.2 不同地區對比 從全年的總體效果看,夏熱冬冷地區城市,約有60%的時間可以通過全新風模式來減少人工冷源的使用,達到節能減排目的;對于夏熱冬暖地區,約有1/3～1/2的時間可以采用全新風模式。

對于冬季(12-2月),夏熱冬冷地區完全可以采用全新風模式,而夏熱冬暖地區,有90%多的時間可以采用全新風模式;夏季(6-9月),夏熱冬冷地區普遍好于夏熱冬暖地區,約5%～10%的時間可以利用室外新風,而夏熱冬暖地區小于5%,其中,重慶由于室外溫度高,且濕度大,FE模式下,夏季可利用時間僅為2%;過渡季節,夏熱冬冷地區約有70%～80%的時間可以采用全新風模式,夏熱冬暖地區約有30%～50%的時間可以采用全新風模式。

此外,由于室外空氣的濕度較大,重慶和長沙夏季條件下,FT模式比FE模式高7%～9%。

3 調控方案優化

從碳減排潛力預測模型分析,碳減排的潛力主要取決于室內負荷、系統能效、風機能耗、全新風運行時間和碳排放系數。碳排放系數主要由電力來源決定,采用可再生能源電力可以提高碳減排潛力;系統能效和風機能耗主要取決于系統設計和設備情況。該研究重點分析室內負荷和運行時間的影響。運行時間主要取決于室內空氣設置參數、室內負荷和送風量。因此,主要分析因素為：室內負荷、室內空氣參數和送風量。

以重慶和廣州的氣象參數為基礎,進行模型應用,主要如下：

1)室內負荷：考慮人員密度變化 -20%, -10%,0,10%,20%帶來的負荷變化,照明和設備負荷不變;

2)送風量：考慮換氣次數為2、4、6、8、10 h-15種情況,層高不變;

3)室內空氣參數：考慮22、24、26、28、30℃5種情況,相對濕度不變。

在送風量為8 h-1,室內空氣參數為26℃的工況下,室內負荷變化(人員密度變化)引起的節能量變化如圖4。室內負荷的變化對運行時間造成影響較小, -20%與20%相比,下降不到3%,其中主要為過渡季節,約5%,其他季節變化不到2%。全新風模式產生的節能減排效應也會有相當的變化率,但是,要注意負荷構成方面的變化對2種調控策略的影響。

圖4 室內負荷變化對節能效果的影響

在室內負荷為125 W/m2,室內空氣參數為26℃的情況下,送風量變化產生的效果如圖5。送風量的增加會增加全新風模式運行的時間,當送風量由6 h-1增加到10 h-1時,全新風模式的運行時間增加了約4%,其中,主要也是過渡季節,約8%。但是,由于增加風量會增加風機運行能耗,當送風量大于4 h-1后,節能效果變緩,當送風量大于6 h-1后,增加風量產生的節能減排效果不明顯,尤其,對于焓值控制,可能還會造成負效果,分析其他室內空氣參數和室內負荷情況,6～8 h-1為一個優值區域,當室內空氣參數設置越低,室內負荷越小,優值區域會左移(變小)。

圖5 送風量變化對節能效果的影響

在室內負荷為125W/m2,送風量為8 h-1的情況下,室內空氣參數的變化產生的影響如圖6。室內空氣參數的變化對運行時間和節能減排效果都有很明顯的影響,當室內空氣參數從22℃提高到30℃時,過渡季節和夏季,運行時間都有較大提高,分別為40%多和30%多,節能量提高了近一倍。

圖6 室內空氣參數變化對節能效果的影響

4 結 論

對于商場類建筑,存在較大的內負荷,在全年適宜的室外空氣條件下,充分利用室外空氣,采用焓值控制和溫度控制模式,減少人工冷源的運行時間約30%～60%,可以實現每年100～180 kWh/m2的節能效果,從而產生每年30～50 kg/m2的碳減排量。

其節能潛力主要取決于室內負荷(內負荷)、送風量和室內空氣參數3個因素。根據各因素的影響分析,針對本研究的夏熱地區典型城市,在本研究探討的各參數條件下,全新風模式可以采用以下調控策略：

1)送風量大于4 h-1后,其對節能量的影響變小,對于內負荷適中(110～150W/m2)情況,當達到6～8 h-1時,節能效果達到最大值。送風量宜設置為6～8 h-1;

2)室內負荷越大,采用全新風模式的節能效果越好,可根據室內負荷情況,合理選擇送風量,負荷越小,最優的送風量越小。

3)室內空氣參數對節能效果影響很大。考慮到室內外溫差對人體熱舒適的影響,可以考慮不同季節不同的室內空氣參數設置。對于夏熱冬冷地區典型城市：冬季取22℃或更低(運行時間接近100%),過渡季節取22～26℃(運行時間約為50%～80%),夏季取26～28℃(運行時間約為20%左右);對于夏熱冬暖地區典型城市：冬季取22～24℃(運行時間約為80%～90%),過渡季節取24～26℃(運行時間約為20%～30%),夏季取26～30℃(運行時間約為5%～10%)。

4)對于調控模式,冬季和過渡季節可采用焓值控制模式;夏季宜采用溫度控制模式,當夏季室內空氣參數的溫度較高時,如設置28℃以上時,較高的濕度會增加人的不舒適感,也宜采用焓值控制模式。

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(編輯 胡英奎)

Performance in Full Fresh Air Mode of Centralised Air-conditioning System for Shopping Malls in China's Hot Summer Region

LIUMenga,b,QIANFaa,b,MCKINNELLKeitha,b,LIYong-qianga,b

(a.Faculty of U rban Construction and Environmental Engineering;b.Key Laboratory of the Three Gorges Reservoir Region's Eco-environment,Ministry of Education,Chongqing University,Chongqing 400030,P.R.China)

Based on the analysis of the outdoor weather condition in China's hot summ er region,it is found that the full fresh airmode can work in the wholew inter and half of the time in transition season.Thus, about 30%-60%runtime of the artificial cold source can be reduced.It studies the control strategies at different conditions of indoor load,ventilation and indoor air temperature and humidity by analyzing two controlmodes-enthalpy control and tem perature control.It show s that the higher the indoor load is,the more efficient the full fresh airm ode is.A nd the airflow is better to be set as 6～8 h-1.Since the indoor air parameter has great influence on energy saving,it is necessary to set different indoor air parameters in different seasons by taking the effect of temperature difference on human thermal com fort into consideration.It is alsofound that the enthalpy contro l mode can be used in w inter and in transition season,while the temperature controlmode can be applied in summer.If the full fresh air mode were adopted,it would cut down the energy consum ption by 100～180 kW h/m2 and the carbon em ission by 30～50 kg/m2each year.

fresh air,energy efficiency,carbon reduction,air-conditioning,shopping mall

TU834.3

A

1674-4764(2011)03-0094-06

2010-12-21

國家自然科學基金重點項目(50838009);國家自然科學基金外國青年學者基金項目(51050110139)

劉 猛(1979-),男,博士,副教授,主要從事建筑環境、建筑生命周期和低碳建筑技術研究,(E-mail) liumeng2033@126.com

book=99,ebook=213