溫濕度獨立控制空調系統在地下工程中的節能模擬研究

王 威 姜建中 葉茂林 呂 芳

（軍事科學院國防工程研究院 北京 100850）

0 引言

溫濕度獨立控制空調系統（簡稱THIC 空調系統）通過采用有效的技術手段實現對室內溫度、濕度的獨立控制，不僅避免了常規空調系統中熱濕聯合處理所帶來的能量損失，降低了空調系統對冷源溫度品位的需求，而且提升了室內空氣環境品質，實現了空調系統運行的高效節能[1-5]。近年來，由于THIC 空調系統在空氣品質控制及節能方面優勢明顯，越來越多的地面建筑逐漸推廣應用；對于地下工程這類特殊的建筑而言，國內有關于THIC 空調系統的應用性研究較少。隨著國家的高速發展，地下工程的體量及規模需求巨大，尤其是城市地下工程必將出現各種功能形式的大型建筑，伴隨人類活動的日益增加，深入開展地下工程空調系統的應用研究意義重大[6-9]。本文以地下工程空調系統的能耗為研究對象，利用TRNSYS 軟件進行能耗模擬計算，通過分析對比雙冷源式、溶液除濕式、轉輪除濕式等三種典型的溫濕度獨立控制空調系統和常規式空調系統的全年運行能耗，確定節能效果最好的地下工程空調系統形式，為深入開展地下工程空調系統的能耗分析研究提供一定參考。

1 基本參數信息

1.1 建筑主要參數

該建筑屬于假想坑道式地下工程，地處廣州市，位于山體內部，全長270 米，最大寬度26 米，常駐人數80 人。工程主體劃分為生活區、辦公區、機房區三個部分，其中生活區設宿舍、活動室、會議室、餐廳；辦公區設集中辦公大廳，面積約1000m2，辦公人數400 人，各工位配1 臺電腦，大廳另設1 臺120m2的LED 顯示屏；機房區設數據機房、新風機房、制冷機房，其中數據機房面積約290m2，內設72 臺數據機柜，全年24 小時不間斷運行。建筑模型概況如圖1 所示。

圖1 建筑模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of building model

1.2 室外計算參數

廣州市氣候分區為夏熱冬暖區，年平均氣溫為21.9℃，歷史極端最高氣溫39.1℃，歷史極端最低氣溫-0.3℃。每年7 月為全年最熱月，平均氣溫為28.8℃，每年平均有873 小時氣溫超過30℃；每年1 月為全年最冷月，平均氣溫為13.9℃，每年平均有274 小時氣溫低于10℃。廣州市室外計算參數如表1 所示。

表1 室外計算參數Table 1 Outdoor calculation parameters

1.3 室內計算參數

辦公區和生活區夏季室內設計溫度為24～26℃，冬季室內設計溫度為22～24℃，全年室內設計相對濕度為40～60%；機房區主要房間室內設計溫度為18～27℃，全年室內設計相對濕度為40～60%。

2 空調系統負荷計算

空調系統負荷由以下幾部分組成：

（1）使用期建筑內部傳熱量和散濕量造成的圍護結構負荷；

（2）人員產熱產濕；

（3）燈具、設備等熱源散熱；

（4）新風負荷。

其中，使用期建筑內部傳熱量與巖石初始溫度、坑道內的設計空氣溫度、被覆表面幾何特征、被覆內表面換熱系數、巖石的熱物理性質等參數相關，由以下公式計算確定[10]：

式中，Q為使用期的傳熱量，W；tn為設計空氣溫度，℃；t0為巖石的初始溫度，℃；αn為被覆內表面的換熱系數，W/m2·℃；F0*為使用期傅利葉準則，Bi為比歐準則，二者均可由相應公式計算確定。人員、燈具、設備等散熱形成的顯熱負荷，可依據不同時刻空間內各熱源的散熱量與對應的冷負荷系數計算確定；新風負荷根據房間需求新風量和室內外氣象參數共同決定。由于建筑深處山體內部，存在壁面向室內恒定強度的散濕，取被覆表面散濕量為0.5g/m2·h，人體散濕量取30～40g/p·h[11]。

經計算，該建筑空調系統夏季典型日逐時負荷特性如圖2 所示。圖中可以看出，空調系統逐時設計冷負荷波動較小，負荷最大值出現在12 時，為923kW，8 時至20 時系統冷負荷均保持在600kW以上。根據負荷計算結果和全年逐時氣象參數可估算該地下建筑全年逐時冷負荷，如圖3 所示，全年設計冷負荷為1026kW。

圖2 典型日逐時負荷特性Fig.2 Typical daily hourly load characteristics

圖3 全年逐時負荷曲線Fig.3 Annual hourly load curve

3 空調系統能耗模型及計算結果

利用TRNSYS 能耗分析軟件對地下工程空調系統方案進行節能比較時，各空調系統完全按照同一個基準進行模擬對比，包括：室內溫濕度參數一致；各系統的空調區域逐時負荷一致；系統完全實現與逐時負荷相匹配，即逐時負荷與冷水機組和新風機組的逐時供冷量、除濕量相一致；各系統的空調設備選型標準一致，均按國家相關標準進行選擇，涉及的主要空調處理設備包括低溫冷水機組、高溫冷水機組、轉輪除濕機組、溶液除濕機組等冷熱源，以及水泵、風機、冷卻塔等輸配系統。

低溫冷水機組參數按照GB 19577-2015《冷水機組能效限定值及能源效率等級》標準中規定的低溫冷水機組能效等級指標進行選型。本文以能效等級3 級（冷水機組能效限定指標）的機組COP 作為額定工況下的能效等級指標，在常規系統中冷水機組額定供冷量為696kW，額定COP 取為4.70；在雙冷源空調系統中，冷水機組額定供冷量為266kW，額定COP 取為4.20。

高溫冷水機組參數按照JB/T 12325-2015《高出水溫度冷水機組》行業標準中規定的高溫冷水機組能效等級指標進行選型。本文在三種溫濕度獨立控制系統中均采用高溫冷水機組處理室內顯熱負荷，額定COP 取為7.0。

轉輪除濕模塊參數按照QB/T 4109-2010《組合式轉輪除濕機》確定額定工況下轉輪除濕出口送風溫度20～25℃，相對濕度≤30%進行選型。溶液除濕模塊參數按照DB44/T 1611-2015《溶液除濕空調應用技術條件》確定額定工況下除濕出口含濕量約為5～6g/kg，制冷性能系數為4.1，除濕性能系數為2.8。風機、水泵等輸配系統能耗均按照GB 50189-2005《公共建筑節能設計標準》中規定的風機功耗限值和水系統最大輸送能效比進行確定，并在各個模擬的空調系統方案中保持不變，其中風機的單位風量耗功率限值取0.48W/(m3/h)，水系統最大輸送能效比ER取0.0241。

3.1 常規式空調系統

室外新風采用低溫冷水（7℃）進行處理，達到室內含濕量相同狀態后再送入室內，建筑內部濕源形成的濕負荷由工作在濕工況的風機盤管或除濕機負責處理；對于全年具有較大基礎冷負荷的房間，如數據機房、辦公大廳等，選用低溫冷水機組（供回水溫度7/12℃）承擔冷負荷。利用TRNSYS軟件搭建常規式空調系統能耗模型（見圖4），模擬計算典型日能耗和逐月能耗結果分別如圖5、圖6 所示。

圖4 常規式空調系統能耗模型Fig.4 Energy consumption model of conventional AC

圖5 常規空調系統典型日能耗Fig.5 Typical daily energy consumption of conventional AC

圖6 常規空調系統逐月能耗Fig.6 Monthly energy consumption of conventional AC

空調各子系統全年總能耗如表2 所示。采用常規式空調系統的全年總能耗約為137.1 萬kWh，其中，冷水機組占空調系統總能耗比例最大，約67%；風機與水泵的能耗占比接近，分別占比18%和12%；冷卻塔能耗占比最小，約3%。

表2 常規空調系統全年總能耗（單位：萬kWh）Table 2 Total annual energy consumption of conventional AC(Unit:10000 kWh)

3.2 溫濕度獨立控制空調系統

THIC 空調系統由處理顯熱的系統與處理潛熱的系統組成，兩個系統獨立調節，分別控制室內溫度與濕度，避免了常規式空調系統中熱濕聯合處理帶來的能量損失。濕度控制系統通過對新風除濕處理至低于室內空氣含濕量，承擔室內的全部濕負荷（即潛熱負荷）；溫度控制系統主要依靠末端余熱消除裝置，承擔室內的剩余顯熱負荷。新風的除濕方式決定了THIC 空調系統的基本形式，本文主要研究雙冷源式空調系統、溶液除濕式空調系統和轉輪除濕式空調系統。

3.2.1 雙冷源式空調系統

分別采用低溫冷水機組和高溫冷水機組作為系統冷源，其中新風除濕機利用7℃的低溫冷水對新風進行除濕和降溫，達到送風狀態點后將承擔室內全部濕負荷和部分顯熱負荷；16℃的高溫冷水則供給空調機房或布置在房間內的干式風機盤管，承擔室內剩余顯熱負荷。利用TRNSYS 軟件搭建雙冷源式空調系統能耗模型（見圖7），模擬計算典型日能耗和逐月能耗結果分別如圖8、圖9 所示。

圖7 雙冷源式空調系統能耗模型Fig.7 Energy consumption model of double cooling source AC

圖8 雙冷源式空調系統典型日能耗Fig.8 Typical daily energy consumption of dual cooling source AC

圖9 雙冷源式空調系統逐月能耗Fig.9 Monthly energy consumption of dual cooling sourceAC

空調各子系統全年總能耗如表3 所示。采用雙冷源式空調系統的全年總能耗約為109.3 萬kWh，其中高溫冷機占總能耗比例最大，約49%；風機能耗占比23%，水泵能耗占比15%，低溫冷機能耗占比10%，冷卻塔能耗占比最小，約3%。

表3 雙冷源式空調系統全年總能耗（單位：萬kWh）Table 3 Total annual energy consumption of double cold source AC system(unit:10000 kWh)

3.2.2 溶液除濕式空調系統

溶液除濕采用熱泵式雙級溶液除濕方式，由兩級溶液全熱回收裝置和熱泵系統組成。新風經過鹽溶液進行降溫、除濕后，承擔室內全部的濕負荷和部分顯熱負荷；高溫冷水機組提供空調機房或布置在房間內的干式風機盤管，承擔室內剩余顯熱負荷。利用TRNSYS 軟件搭建溶液除濕式空調系統能耗模型（見圖10），模擬計算典型日能耗和逐月能耗結果分別如圖11、圖12 所示。

圖10 溶液除濕式空調系統能耗模型Fig.10 Energy consumption model of solution dehumidification AC

圖11 溶液除濕式空調系統典型日能耗Fig.11 Typical daily energy consumption of solution dehumidification AC

圖12 溶液除濕式空調系統逐月能耗Fig.12 Monthly energy consumption of solution dehumidification AC

空調各子系統全年總能耗如表4 所示。采用溶液除濕式空調系統的全年總能耗約為111.5 萬kWh，其中高溫冷機占總能耗比例最大，約38%；風機能耗占比29%，溶液系統能耗占比17%，水泵能耗占比13%，冷卻塔能耗占比最小，約3%。

表4 溶液除濕式空調系統全年總能耗（單位：萬kWh）Table 4 Total annual energy consumption of solution dehumidification AC(unit:10000 kWh)

3.2.3 轉輪除濕式空調系統

轉輪除濕的空氣處理過程近似等焓升溫，不僅要對除濕后的空氣進行降溫處理，同時還需考慮轉輪除濕后的再生過程。轉輪可利用回風進行再生，再生側采用電加熱，再生溫度為60℃。新風先經預冷后通過轉輪進行除濕和降溫，達到送風狀態后將承擔室內全部的濕負荷和部分顯熱負荷；高溫冷水機組一部分提供新風進行除濕前的預冷和除濕后的降溫處理，另一部分提供空調機房或布置在房間內的干式風機盤管，承擔室內剩余的顯熱負荷。利用TRNSYS 軟件搭建轉輪除濕式空調系統能耗模型（見圖13），模擬計算典型日能耗和逐月能耗結果分別如圖14、圖15 所示。

圖13 轉輪除濕式空調系統能耗模型Fig.13 Energy consumption model of rotary dehumidification AC

圖14 轉輪除濕式空調系統典型日能耗Fig.14 Typical daily energy consumption of runner dehumidification air conditioning system

圖15 轉輪除濕式空調系統逐月能耗Fig.15 Monthly energy consumption of Rotary Dehumidification Air Conditioning System

空調各子系統全年總能耗如表5 所示。采用轉輪除濕式空調系統的全年總能耗約為121.6 萬kWh，其中高溫冷機占總能耗比例最大，約43%；風機能耗占比23%，電加熱再生能耗占比20%，水泵能耗占比11%，冷卻塔能耗占比最小，約3%。

表5 轉輪除濕式空調系統全年總能耗（單位：萬kWh）Table 5 Total annual energy consumption of runner dehumidification AC(unit:10000 kWh)

4 空調系統的節能對比分析

各空調系統方案全年的運行能耗統計結果如表6 所示。相比常規式空調系統而言，采用溫濕度獨立控制空調系統的全年能耗均有所降低。其中，采用雙冷源式空調系統總能耗為109.3 萬kWh，節能率為20.3%，冷水機組能耗可降低30%；采用溶液除濕式空調系統可利用溶液熱泵驅動除濕塔和再生塔實現空氣除濕和再生，新風處理無需冷水機組提供額外能源，可大幅降低冷機能耗，但是風機能耗略有增加，總能耗為111.5 萬kWh，節能率為18.7%；采用轉輪除濕式空調系統，再生空氣需要通過電加熱至再生溫度，會造成一定能源消耗，總能耗為121.6 萬kWh，節能率為11.3%。

表6 各空調系統方案全年總能耗對比（單位：萬kWh）Table 6 Comparison of annual total energy consumption of each AC(unit:10000 kWh)

5 結論

本文利用TRNSYS 軟件分別建立了適用于地下工程的常規式空調系統、雙冷源式空調系統、溶液除濕式空調系統和轉輪除濕式空調系統能耗模型，通過模擬計算、分析對比，結論總結如下：

（1）相比常規式空調系統，溫濕度獨立控制空調系統在地下工程的應用具有很大的節能潛力；

（2）對于廣州地區地下工程而言，雙冷源式溫濕度獨立控制空調系統的全年運行能耗最低，溶液除濕式和轉輪除濕式次之，常規式空調系統的全年運行能耗最高。