自然冷卻節能潛力的修正度時數評價方法

呂偉華, 李先庭，黃 翔，褚俊杰

(1.清華大學 建筑學院，北京 100084；2.中國建筑科學研究院有限公司 建筑環境與能源研究院，北京 100013；3. 西安工程大學 城市規劃與市政工程學院，陜西 西安，710048)

0 引 言

為了降低建筑冷卻能耗，國內外專家學者探索利用可再生能源構建低能耗綠色建筑的解決方案，在通風空調系統應用中的節能效果非常顯著[1-2]。在氣候適宜的地區，采用自然冷卻技術處理建筑冷負荷，能夠顯著延長非空調時間，降低建筑負荷和能耗[3]。常見的自然冷卻方式包括自然通風[4-5]、機械通風[6-7]、蒸發冷卻通風空調技術[8-9]、地道風[10-11]等利用土壤溫度自然冷卻的土壤新風系統[12-13]，以及近年來發展的利用自然能源的圍護結構冷卻技術[14-16]等。這些常見的自然冷卻方式應用形式多樣，可利用自然環境中廣泛存在的空氣源、地源、水源等各種自然冷源處理建筑負荷，營造室內熱舒適環境。但正確評價并選擇較為高效的自然冷卻方式依然是研究的難點。

為了證明某種自然冷卻方式的可行性，現有研究大多采用實驗以及模擬仿真的方法對某一種自然冷卻形式的節能潛力進行分析，這種通過設計具體算例的分析方法對多種自然冷卻形式的適應性進行比較研究的工作量大，難以推廣。文獻 [17] 基于室內溫度和室外環境溫度的溫差提出在不同氣候區采用度時數對自然通風的免費供冷潛力進行研究。度時數作為一種通用評價方法能夠較好地對自然通風等無能耗的自然冷卻方式在不同地區的適應性進行評價。但是度時數不適合評價其他有能耗的自然冷卻方式，這是由于度時數不能考慮不同自然冷卻方式的能效差異。例如，當室內外溫差很小時，采用機械通風降溫的能效會低于傳統空調系統，這種情況就不宜采用機械通風，但是度時數卻不能反映這種情況。另外，采用度時數評價蒸發冷卻系統時，露點蒸發冷卻的潛力在任何情況下都一定大于直接蒸發冷卻的潛力，但事實上由于露點間接蒸發冷卻器的結構相對復雜，使得其能效不一定始終大于直接蒸發冷卻器。因此，需要一種能夠兼顧溫差和能效的通用評價方法對不同自然冷卻方式進行公平評價。

為此，本文針對傳統度時數方法的不足，引入能夠反映不同自然冷卻方式耗能情況的能效修正系數對傳統的度時數方法進行修正，得到修正度時數的評價方法。進一步采用TRNSYS仿真軟件模擬得到的結果對修正度時數方法的合理性進行驗證，并得到修正度時數與節能量的關系，對常見自然冷卻方式的節能潛力進行評價，為建筑高效自然冷卻系統的選擇和設計提供指導。

1 修正度時數方法描述

1.1 度時數方法的不足

文獻[17]提出采用度時數(degree-hours，DH)評價自然通風在不同氣候區的應用潛力。度時數(式中簡記為HDH)的表達式為

(1)

式中：tr為室內供冷設計溫度，℃；ta,i為室外逐時空氣溫度，℃；Cs、Ce分別為供冷季開始時間、結束時間。

度時數反映了室外空氣溫度與室內溫度的冷卻溫差。由于自然通風不耗能，因此度時數能夠用來評價自然通風的節能潛力，溫差越大，度時數越大，表明自然通風的潛力越大。但度時數不能反映不同自然能源利用方式的能效，不適合評價機械通風等有能耗的自然能源利用方式。圖1為度時數評價機械通風和蒸發冷卻技術存在的問題。其中DH為度時數，COP為能效，MV為機械通風，DEV和IEV分別為直接蒸發冷卻和露點間接蒸發冷卻。圖1(a)中，假設室內供冷設定溫度為26 ℃。當室外通風溫度為25 ℃時，機械通風的溫差很小，但度時數依然大于0，以至于機械通風的能效遠低于采用冷機系統的能效，因此度時數不能反映有能耗的機械通風系統的應用潛力。

圖1(b)為采用度時數評價蒸發冷卻技術存在的問題。由于露點蒸發冷卻效率相對較高，其制取的冷風溫度一般低于直接蒸發冷卻，因此露點蒸發冷卻的度時數總是大于直接蒸發冷卻。若采用度時數作為評價指標，會得出露點蒸發冷卻的應用潛力始終大于直接蒸發冷卻的結論。因為露點蒸發冷卻器相比直接蒸發冷卻器的結構復雜[18-19]，阻力大，其能效不一定始終大于直接蒸發冷卻，因此其節能潛力并不一定總是大于直接蒸發冷卻器，度時數不適合評價蒸發冷卻。

(a) 機械通風

(b) 蒸發冷卻 圖 1 度時數評價機械通風和蒸發冷卻技術Fig.1 Degree hours evaluation of mechanical ventilation and evaporative cooling technology

1.2 修正度時數方法

為了對各種自然冷卻方式的潛力進行公平評價，本文在現有度時數方法的基礎上提出修正度時數通用評價方法。該方法首先將各種自然冷卻方式的能效與常規機械冷機系統的能效進行比較，大于常規冷機系統的能效認為是節能，以此對度時數進行能效修正，其修正系數反映了不同自然冷卻方式相對于常規冷機系統的節能率，表達式如式(2)所示，不同自然冷卻方式的能效表達式如式(3)所示。

(2)

(3)

式中：μ為能效修正系數；Qn為自然冷卻系統處理的負荷，kW；PCOP,n為自然冷卻系統的能效；W為自然能源冷卻系統的總功耗，kW；Wg、Wd、Wu分別為自然冷卻系統本身的采集、輸配以及末端利用的功耗，kW；PCOP,m為常規冷機系統的能效；ηn為自然冷卻系統的能量利用系數，是指采用自然冷卻后，常規機械冷源系統承擔的空調負荷的降低量與自然冷卻系統處理的總負荷的比值。對于自然通風、機械通風、蒸發冷卻空氣處理以及地道風等將自然冷源直接用于室內或者直接用于處理新風的自然冷卻形式，ηn=1；對于嵌管式圍護結構等將自然冷源直接用于外墻或者外窗時，由于自然冷源處理的負荷一部分來自室內，一部分來自室外，因此ηn<1。

結合度時數能很好地反映換熱量的特點，利用上述修正系數對度時數進行修正，得到自然冷卻修正度時數HRDH的一般表達式為

(4)

式中：HRDH為自然冷卻的修正度時數，℃·h；tb,i為第i時刻自然冷源利用位置的基準溫度，℃；tn,i為第i時刻采集到的自然冷源的溫度，℃；ηn,i為自然冷卻系統的平均能量利用系數。

由于目前常見的自然冷卻方式大多是固定水流量或者固定風量運行，因此，定義固定溫差Δtd或者固定比焓差Δhd下自然冷卻系統的能效COPdn，在任一時刻i，自然冷卻系統的能效可以表達為

PCOP,n,i=λi·PCOP,dn

(5)

式中：λi為任一時刻的換熱溫差與所定義的固定溫差的比值，或任一時刻i的比焓差與所定義的固定比焓差的比值，即λi=Δti/Δtd或λ=Δhi/Δhd,Δti為任一時刻i的換熱溫差，℃；Δhi為任一時刻i的換熱比焓差，kJ/kg。

修正度時數的一般表達式(4)可以轉化為

(6)

2 修正度時數評價方法的可行性驗證

2.1定性分析

以有能耗的機械通風和蒸發冷卻技術為例，定性分析利用修正度時數對自然冷卻系統的應用潛力進行評價的可行性。

圖2為修正度時數評價機械通風的可行性結果。可以看出：從機械通風的修正系數來看，通風溫度越高，機械通風能效越低，修正系數越小。當通風溫度為25 ℃時，通風溫差只有1 ℃時，自然通風(NV)的度時數和機械通風的度時數均為1，但是由于機械通風的修正系數μMV為0，因此對應的機械通風的修正度時數為0。表明與采用冷機系統的能效相比，這種情況下，通風溫差太小，不適合采用機械通風。

圖 2 修正度時數評價機械通風Fig.2 Evaluation of mechanical ventilation by revised degree hours

圖3是直接蒸發冷卻(DEV)和露點間接蒸發冷卻(IEV)的修正度時數(RDH)對比。

圖 3 修正度時數評價蒸發冷卻Fig.3 Evaluation of evaporative cooling by revised degree hours

從圖3可以看出：濕球溫度越低，蒸發冷卻的能效越高，修正度時數越大。在該算例中，當濕球溫度較小時，露點蒸發冷卻和直接蒸發冷卻的修正系數都較大，由于露點蒸發冷卻度時數較大，因此對應的修正度時數較大；當濕球溫度較大時，修正系數是修正度時數的主要影響因素，由于直接蒸發冷卻的修正系數大于露點間接蒸發冷卻，因此這種情況下直接蒸發冷卻的修正度時數有可能會大于露點間接蒸發冷卻。綜上說明，修正度時數能夠很好地反映不同自然冷卻方式相對于常規冷機系統的節能潛力。

2.2 修正度時數與節能量的關系

根據自然冷源的利用形式，將常見的自然冷卻系統分為自然冷源采集后直接用于室內、圍護結構、新風機組以及空調箱。

1) 自然冷源采集后用于室內的利用形式主要包括2種：①利用蒸發冷卻冷水機組或地埋管換熱器等采集低品位的冷卻水，輸送到室內末端；②當室外氣象條件合適時，采用自然通風或機械通風對室內進行通風降溫。

2) 自然冷源采集后用于圍護結構的利用形式：現有研究表明主動利用自然冷源的嵌管式圍護結構具有較大的節能潛力，該自然冷卻方式主要是利用冷卻塔或地埋管換熱器采集低品位的冷卻水攔截圍護結構傳熱。

3) 自然能源采集后用于新風機組或空調箱的利用形式主要包括2種：①利用蒸發冷卻冷水機組或地埋管換熱器等采集低品位的冷水，輸送到新風機組/空調箱的預處理盤管中，對新風進行預冷處理；②采用地道或者蒸發冷卻冷風機組生產低品位冷風，然后送入新風機組/空調箱中。

在進行節能量計算時，須明確計算節能量的比較基準。為了分析自然冷源用于處理室內負荷、新風負荷以及圍護結構負荷時相對于采用冷機系統進行負荷處理的節能量，選取全年固定最小新風量運行的空調系統作為對比基準，即基準空調系統的室內冷負荷、新風冷負荷以及圍護結構傳熱冷負荷全部由冷機系統承擔。因此，任一時刻i采用自然冷源處理冷負荷的節能量ΔEi可以表示為

(7)

以自然冷源采集后用于室內的自然冷卻形式：機械通風和室內自然冷卻盤管為例，推導修正度時數與節能量的關系。

機械通風系統任一時刻i處理的負荷可以表示為式(8)。將式(8)代入節能量計算式(7)中，并對整個供冷季進行積分可得供冷季的節能量，即建立了節能量與修正度時數的關系，如式(9)所示。

Qr_V,i=Cam′(tr-ta,i)

(8)

(9)

式中：Qr_V,i為任一時刻i通風帶走的室內負荷，kW；Ca為空氣的比熱，kJ/(kg·℃)；m′為增加的通風量，kg/s；ta,i為任一時刻i的室外通風溫度，℃；ΔEr_V為通風系統在供冷季的節能量，kW·h；HRDH,r_V為機械通風在供冷季的修正度時數，℃·h。

當采用蒸發冷卻冷水機組或地埋管換熱器等采集低品位的冷卻水，輸送到室內末端的自然冷卻形式時，任一時刻i地埋管換熱器或蒸發冷卻冷水機組處理的負荷可以表示為式(10)。

γrKfr(tr-tw,i)

(10)

將式(10)代入節能量的計算式(7)中并對整個供冷季進行積分可得供冷季的節能量，如式(11)所示。

(11)

從上述推導過程可以看出節能量與修正度時數具有直接關系。同理，可以推導得到，自然冷源采集后直接用于圍護結構、新風機組以及空調箱的節能量與修正度時數的關系。

2.3 修正度時數表征節能量的驗證

以地埋管換熱器采集低品位冷卻水到可調節風量的空調箱為例，利用修正度時數計算驗證該空調系統節能量。首先根據空調箱的運行模式分別計算對應的修正度時數，然后分別代入節能量與修正度時數的關系式中，計算系統全年運行的節能量。另一方面，在TRNSYS平臺上搭建利用地埋管換熱器采集低品位冷卻水到可調節風量的空調箱的空氣處理系統，對其供冷季節運行能耗進行動態模擬，通過全年動態模擬獲得該系統相對于傳統機械制冷空調系統的節能量。最后比較修正度時數計算的節能量與復雜系統供冷季節動態模擬獲得的節能量，根據修正度時數計算的節能量與動態模擬得到的節能量的相對誤差，驗證修正度時數與系統節能量的關系。

驗證算例設計：設空調系統的最小新風量m為1×104m3/h，最大新風量(m+m′)為5×104m3/h，即系統的最小新風比為20%。根據空氣的迎面風速對空氣-水換熱器傳熱系數的影響關系，確定系統運行最小新風量時，地埋管換熱器相連接的空氣預處理盤管與空氣的傳熱能力為5.4 kW/℃。當運行最大新風量時，與地埋管換熱器相連接的空氣預處理盤管與空氣的傳熱能力為15.2 kW/℃。新風預處理系統的設計負荷是指將新風從35 ℃處理到25 ℃所需的冷量，以此作為地埋管換熱器的設計換熱量。

地埋管換熱器模型采用TRNSYS中DST模型，該模型廣泛應用于土壤換熱系統的模擬。新風處理換熱盤管即空氣-水換熱器模型為穩態傳熱模型。通過模擬獲得該空調系統在任一時刻節能量，其計算式如式(12)所示。為簡化計算，設傳統空調系統的PCOP,m=4，對式(12)進行積分可得采用該種自然冷卻方式在整個供冷季節的節能量。

(12)

式中：ΔEa,i為任一時刻i該采用自然冷卻的空調系統的模擬節能量，kW·h；QAHX,i為任一時刻i該空調箱的新風預處理盤管的換熱量,kW；WP為從地埋管到預處理盤管的循環水泵的功耗，因為水泵是定流量運行，因此認為水泵的功耗在任一時刻相同；WF,i為預處理盤管增加的新風阻力額外消耗的風機功耗，kW。

通過計算分別得到TRNSYS動態模擬和修正度時數方法獲得該空調箱在不同地埋管設計容量下的節能量，結果如圖4所示。從全年來看，TRNSYS動態模擬與修正度時數方法的相對誤差在5%以下。由此得出，修正度時數評價自然冷卻系統的節能潛力是可行的。

圖 4 修正度時數與動態模擬的節能量比較Fig.4 Comparison of energy saving between revised degree hours and dynamic simulation

3 修正度時數評價自然冷卻方式

修正度時數反映了不同自然冷卻方式相對于傳統冷機系統的節能潛力。利用第2.2節的修正度時數計算式對我國典型氣候區代表城市的常見的自然冷卻形式的節能潛力進行計算與評價。不同城市供冷的時間節點見表1。

表1 不同城市供冷季的起止時間Tab.1 The start-end time of cooling seasons in different cities

結合現有研究，設計下列幾種自然能源利用方式的能效水平，如表2所示。計算得到在表2所示的能耗水平下，每種自然冷卻方式的修正度時數如圖5所示。

表2 幾種自然能源利用形式的設計能效Tab.2 The design energy efficiency of some freecooling forms

(a) 露點蒸發冷卻新風

(b) 冷卻塔處理嵌管窗負荷

(c) 機械通風圖 5 常見自然冷卻方式的修正度時數Fig.5 The revised degree hours of some common free cooling forms

從圖5(a)可以看出，露點蒸發冷卻技術在烏魯木齊的修正度時數遠大于其他幾個城市。這主要是由于烏魯木齊地區的空氣干燥，濕球溫度較低，干濕球溫差大，因此蒸發冷卻技術在烏魯木齊地區能夠采集到較低的空氣溫度，而且采集的能效較高，因此其修正度時數遠大于其他地區。圖5(b)是采用冷卻塔生產低品位冷卻水處理嵌管窗負荷時，在全國不同地區的修正度時數。可以看出，這種自然冷卻方式在幾個典型氣候區都有比較高的修正度時數，在烏魯木齊地區冷卻塔能夠高效地生產較低溫度的冷卻水，因此其修正度時數較大；在廣州雖然冷卻塔生產的水溫相對較高，但由于廣州地區高溫炎熱，供冷季時間較長，因此采用冷卻塔攔截嵌管窗負荷的方式也能有較大的修正度時數。圖5(c)反映的是普遍使用的機械通風在不同地區的應用潛力。機械通風的修正度時數在昆明地區最大，上海和廣州最小。

通過對上述3種常見的自然能源利用方式的修正度時數的比較，可以發現，嵌管窗在我國典型氣候區都具有較高的應用潛力；蒸發冷卻技術在西北干燥地區的節能潛力較大，在南方高濕度地區對新風進行降溫的潛力較小；機械通風在溫和地區具有較高的應用潛力。

4 結 語

為了充分利用室外冷源降低建筑空調能耗，自然冷卻應用形式越來越多，而傳統度時數方法只能用于自然通風的潛力評價。本文針對傳統度時數方法存在的不足，提出基于自然能源利用能效的修正度時數方法，利用TRNSYS軟件對該評價方法的合理性進行驗證。結果表明，修正度時數與系統節能量之間存在直接關系，根據修正度時數的大小能夠評估自然冷卻系統相比傳統空調系統的節能潛力，其估算誤差在可接受范圍內，因此，修正度時數方法可評價不同自然冷卻方式的應用潛力。