杭州地區商場空調系統新風負荷模擬及分析

浙江大學建筑設計研究院有限公司 陳海俊 刁岳峰 孫 彪

0 引言

隨著城市化進程的推進和城市商業配套的完善，大量商場類建筑不斷建成投入使用。行業報告顯示，截至2019年，我國的商場存量面積約4.2億m2，近5年的平均增速為23%[1]。商場是典型的高能耗建筑，大中型商場的全年耗電量高達200～400 kW·h/(m2·a)，約為賓館和辦公樓類建筑的2倍[2-3]。在商場類建筑能耗中，空調能耗占比為50%～60%[4-5]。新風的引入對保證室內空氣質量具有重要作用，同時新風負荷也是空調負荷的重要組成部分，商場新風負荷占空調總負荷的比例超過30%[6]。研究商場建筑的新風管理對建筑節能和保障室內空氣質量都具有重要意義。

新風負荷是指由于引入室外空氣而形成的負荷。由于引入新風可能導致空調冷負荷減小甚至使空調負荷由冷負荷轉變為熱負荷，因此實際的新風負荷并不簡單等同于室內外空氣比焓差與新風量的乘積，而是應根據維持室內溫濕度環境的冷熱需求與室內外空氣比焓差的關系作判斷。因此，新風負荷不能通過軟件模擬直接得到。為了得到商場的實際新風負荷，本文研究根據商場實際運行情況建立了定新風模型，此外還建立了零新風模型作為對比。

1 模型介紹

模擬建筑為位于杭州地區的某單層商場。建筑長40 m、寬30 m、層高5 m，正北朝向，主要參數見表1。該商場營業時間為09：00—21：00。商場的人員在室率隨營業時間的變化如圖1所示。模擬氣象參數采用杭州市典型氣象年參數。空調采用水系統，冷熱源為屋頂式空氣源熱泵，在標準工況下，其制冷和制熱COP分別為3.37和3.48。根據新風設置的不同，劃分為定新風和零新風2個模型。在定新風模型中，空調運行期間的新風量恒定不變，根據商場峰值人員密度設定為25 m3/(人·h)。零新風模型為定新風模型的對比模型，人均新風量設置為零，其他參數均與定新風模型一致。

表1 商場主要參數

圖1 周末與非周末人員在室率

本文研究采用的能耗模擬軟件為一款基于DOE-2基礎開發的建筑能耗分析軟件，該軟件允許研究者進行典型氣象年的建筑能耗模擬，可提供建筑物的逐時能耗數據，也可以用來分析圍護結構、空調系統、電器設備和照明對能耗的影響。

2 模擬結果及分析

2.1 模擬數據統計

在本文模擬數據分析中，選取“天”為時間統計單位，負荷和能耗均按單位面積“m2”進行統計。模擬計算得到的商場定新風模型及零新風模型的全年逐日空調負荷如圖2所示，其中空調負荷的正值表示冷負荷，負值表示熱負荷。

圖2 商場逐日空調負荷

從圖2可見，定新風模型一年中商場內存在冷負荷和熱負荷2種情況，而零新風模型商場全年只存在冷負荷。引入新風不僅導致了空調系統負荷大小的變化，也使得冬季的空調冷熱運行模式發生了轉變，其他研究也證明了新風對空調負荷造成的影響[5]。

2.2 商場空調負荷分析

根據新風對空調系統負荷的影響特性，將全年的空調運行時段分為新風耗冷、新風節冷和新風耗熱3種情況，分別表示引入新風增加空調冷負荷、引入新風降低空調冷負荷及引入新風導致空調從供冷模式轉變為供熱模式。由于全年的室外溫度雖有明顯的變化趨勢，但也存在某些時段的反復和突變，因此其運行時段的劃分并不十分嚴格。在圖2中對3個時段作了大致劃分：新風耗冷主要在6—9月，對應的室外空氣平均比焓為58 kJ/kg以上；新風節冷分別分布在3月下旬至6月及10月至11月上旬，對應的室外空氣平均比焓為25～62 kJ/kg；新風耗熱主要在11月至次年3月，對應的室外空氣平均比焓為5～46 kJ/kg。當室外空氣平均比焓為58～62 kJ/kg時處在新風耗冷和新風節冷的過渡階段；當室外空氣平均比焓為25～46 kJ/kg時則處于新風節冷和新風耗熱的過渡階段。

在新風耗冷時段，定新風模型的逐日冷負荷均大于零新風模型的逐日冷負荷。此時室外新風的比焓高于室內空氣的比焓，引入新風增大了室內空調冷負荷，增加的冷負荷就是常說的新風冷負荷。商場的新風耗冷時段主要集中在夏季，冷負荷高峰出現在6月28日，其值為226.0 W/m2，其中新風冷負荷為124.8 W/m2，占空調運行總負荷的55.2%。

隨著室外空氣比焓降低到低于室內空氣比焓，商場空調系統的運行進入新風節冷時段。此時，空調仍處于供冷模式，但不同的是新風的引入降低了空調冷負荷，定新風模型的逐日冷負荷均小于零新風模型的逐日冷負荷。室外新風的比焓低于室內空氣的比焓，引入的新風帶走了室內余熱，新風成為“免費冷源”，新風冷負荷為負值。在新風節冷時段，空調冷負荷降低明顯，在某些時段甚至不需要空調制冷，節能效果顯著。以11月7日為例，零新風模型的冷負荷為66.0 W/m2，而引入新風后，冷負荷降為9.5 W/m2。引入新風減少的冷負荷為56.5 W/m2，節冷率達85.6%。

由于商場內區占比大，又存在著人員和燈光等大量熱源，因此零新風模型在冬季也需要供冷。當室外空氣比焓進一步降低，商場通入設計額定新風量后，商場空調系統由供冷模式轉變為供熱模式，空調的運行進入新風耗熱時段。在該時段零新風模型的冷負荷基本為50～100 W/m2。而定新風模型商場內的空調負荷轉變為0～50 W/m2的熱負荷。引入新風導致空調系統從供冷模式變成供熱模式，而負荷的數值總體降低。在新風耗熱時段，新風的節能性可以通過比較空調系統的耗電量做進一步的分析。

2.3 商場空調耗電量分析

采用空氣源熱泵作為冷熱源的純電空調系統可以通過比較空調耗電量來分析新風的節能性，商場全年的定新風模型和零新風模型的逐日空調用電負荷和耗電量分別見圖3和圖4。在新風耗冷區，空調系統處于制冷模式，新風引入增加了空調冷負荷，定新風模型的用電負荷大于零新風模型。經統計，全年新風耗冷的總天數為129 d，全年定新風模型的空調總耗電量為56.7 kW·h/m2，零新風模型的空調總耗電量為39.1 kW·h/m2。新風負荷的能耗為17.6 kW·h/m2，占總能耗的31.0%。在新風節冷時段，由于通入的低比焓室外新風帶走的是室內的多余熱量，空調系統雖仍處于制冷模式，但冷負荷相比零新風模型降低了，其能耗也降低了。全年的新風耗冷總天數為108 d，新風模型空調總耗電量為12.7 kW·h/m2，零新風模型的空調總耗電量為20.8 kW·h/m2。新風節省的電能為8.1 kW·h/m2，占總能耗的38.9%。在新風耗熱時段，室外空氣比焓進一步降低。低溫的新風帶走室內余熱之外，還引入了熱負荷，此時空調系統轉換成制熱模式。分析能耗情況，發現定新風模型在某些日期的耗電接近零，大幅低于零新風模型。同時也存在定新風模型某些日期的耗電量高于零新風模型。究其原因，通入室外的低比焓新風后，首先會抵消掉室內余熱，然后才會轉化成剩余熱負荷。當室內剩余熱負荷較小時，空調耗電量也會比較少，從而表現出定新風模型更節能。但是當室外空氣比焓過低時，室內的熱負荷就會增大，同時由于室外降溫導致空氣源熱泵主機制熱效率降低，兩者的疊加影響使得空調系統的制熱能耗大幅增加。冷熱轉換區的總天數為128 d，空調總耗電量為10.0 kW·h/m2，零新風模型下的空調耗電量為14.6 kW·h/m2。比較發現，引入新風仍相對節約了電能。在冷熱轉換區新風總共節約的電能為4.6 kW·h/m2，占空調總能耗的31.5%。

圖3 商場逐日空調用電負荷

圖4 空調耗電量

3 新風節能管理分析

研究空調新風對空調負荷影響的最終目的是為了管理新風，從而在保證人員舒適度的同時降低空調能耗。對新風的管理可以根據新風在不同時段的負荷特性來制定相應的措施。

在新風耗冷時段，新風負荷是空調負荷的重要組成部分，大幅增加了室內的空調負荷。通過控制新風送入量能達到顯著的節能效果[7-8]。由于送入新風的作用是稀釋室內空氣中的污染物，降低室內CO2濃度，提高室內空氣的舒適度，減少新風會增加室內污染的風險。因此，采取減少新風量措施時，需同時利用傳感器監控室內CO2等污染物的濃度。當室內污染物濃度超過控制上限時，應及時通過控制風閥加大新風送入量。文獻[9]介紹了通過監測室內CO2和TVOC實現新風控制的方法。新風帶入的冷負荷由空調主機承擔，建筑節能要以保證人員呼吸健康作為前提。通過對新風送入量的合理控制，達到節能和健康兩者的平衡。

在新風節冷時段，引入新風能夠降低空調冷負荷，新風是商場的“免費冷源”。在這個時段，新風節能的措施應當是通過加大新風量來帶走更多的室內余熱。由于室外空氣比焓低于室內空氣比焓，理想情況下只要送入足夠的新風就可以滿足室內的供冷需求，空調主機不需工作。但在實際運行過程中，新風也不可能無限量送入。在節約空調冷量的同時也需要比較風機能耗[10]及滿足室內氣流組織的舒適度要求。當新風量達到設計上限后，需要開啟空調主機為商場供冷。

在新風耗熱時段，室外空氣比焓進一步降低。當商場內按照設計送入額定新風量時，空調需要運行制熱來抵消新風帶入的冷量。因此，減少新風量能夠減少空調能耗。此時段的新風節能管理也需要減少新風量。理想情況下通過減少新風量可以達到余熱平衡，空調主機無需開啟。但與新風耗冷時段一樣，減少新風量會提高室內污染物濃度，在運行過程中也需要監控室內CO2等污染物的濃度，并利用新風進行控制。不同的是空調主機需要開啟制熱模式。

4 結語

本文通過能耗模擬軟件建立了杭州地區的商場模型并進行了全年空調負荷及耗電量模擬。通過對模擬數據的統計和定量分析，揭示了新風對商場空調負荷及耗電量的影響規律。根據新風在空調系統運行中所起的不同作用，將全年的空調運行時段劃分為新風耗冷、新風節冷和新風耗熱。新風耗冷時段的室外空氣平均比焓大于58 kJ/kg，新風節冷時段的室外空氣平均比焓為25～62 kJ/kg，而新風耗熱時段的室外空氣平均比焓為5～46 kJ/kg，比焓的數值重疊部分為相鄰時段的過渡階段。通過劃分時段進行分析，可以更加明確地認識到新風在全年度里對空調系統的影響，也只有在此基礎上才能采取更有針對性的新風控制措施來實現空調節能和人員呼吸健康的平衡。該方法適用于其他商場及其他類型的建筑。