張智文，張啟林，康麗艷，王彥禹

( 上海海事大學,上海 201306 )

上海某辦公樓THIC空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能效果分析

張智文，張啟林，康麗艷，王彥禹

( 上海海事大學,上海 201306 )

[摘要]本文通過分析上海某辦公樓THIC空調(diào)系統(tǒng)(溫濕度獨立控制空調(diào)系統(tǒng))的能耗比例，指出對于THIC空調(diào)系統(tǒng)中處理顯熱的系統(tǒng)，因冷水機組隨蒸發(fā)溫度的提高使COP值提高而節(jié)能;對于THIC空調(diào)系統(tǒng)中處理潛熱的系統(tǒng)，因溶液再生能耗有可能抵消甚至超過處理顯熱系統(tǒng)節(jié)約的能耗,從而會造成THIC系統(tǒng)相比于常規(guī)系統(tǒng)不節(jié)能的后果。

[關(guān)鍵詞]THIC空調(diào)系統(tǒng)；新風處理；節(jié)能

1引言

THIC空調(diào)系統(tǒng)中，采用溫度與濕度兩套獨立的空調(diào)控制系統(tǒng)，分別控制、調(diào)節(jié)室內(nèi)的溫度與濕度，從而避免了常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)中熱濕聯(lián)合處理所帶來的損失。由于溫度、濕度采用獨立的控制系統(tǒng)，可以滿足不同房間熱濕比不斷變化的要求，克服了常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)中難以同時滿足溫、濕度參數(shù)的要求，避免了室內(nèi)濕度過高(或過低)的現(xiàn)象。

THIC空調(diào)系統(tǒng)的基本組成為：處理顯熱的系統(tǒng)與處理潛熱的系統(tǒng)，兩個系統(tǒng)獨立調(diào)節(jié)分別控制室內(nèi)的溫度與濕度，參見圖1。處理顯熱的系統(tǒng)包括：高溫冷源、余熱消除末端裝置，采用水作為輸送媒介。由于除濕的任務(wù)由處理潛熱的系統(tǒng)承擔，因而顯熱系統(tǒng)的冷水供水溫度不再是常規(guī)冷凝除濕空調(diào)系統(tǒng)中的7℃，而是提高到18℃左右，從而為天然冷源的使用提供了條件，即使采用機械制冷方式，制冷機的性能系數(shù)也有大幅度的提高。余熱消除末端裝置可以采用輻射板、干式風機盤管等多種形式。此系統(tǒng)由新風處理機組、送風末端裝置組成，采用新風作為能量輸送的媒介。但THIC空調(diào)系統(tǒng)與目前常用的用冷凍除濕的風機盤管加新風系統(tǒng)或全空氣系統(tǒng)相比就一定節(jié)能嗎?本文就此問題進行探討。

圖1　THIC空調(diào)系統(tǒng)

2空調(diào)系統(tǒng)末端部分能耗分析

以上海地區(qū)某辦公樓為例進行分析。該建筑標準層面積為2000m2，層高3.6m，標準層共20層,總面積為40000m2。每層有2個新風系統(tǒng),各負擔1000m2。室內(nèi)設(shè)計溫度為25℃,相對濕度為60%,且圍護結(jié)構(gòu)冷負荷指標為20W/m2，照明設(shè)備的冷負荷指標為31W/m2,人員密度為0.125人/m2。

其中1個空調(diào)系統(tǒng)承擔的總熱濕負荷如下:

圍護結(jié)構(gòu)冷負荷：20W/m2×1000m2=20kW；

照明冷負荷：31W/m2×1000m2=31kW；

人員冷負荷：0.125人/m2×1000m2×108W/人=13.5kW；

總冷負荷：64.5kW。

余濕為人員散濕量:

圖2　風機盤管加新風處理過程

0.125人/m2×1000m2×61g/(人·h)=7.625 kg/h。

按每人不小于30m3/h的標準計算的最小新風量為:30m3/(人·h)×0.125人/m2×1000 m2=3750m3/h;按保持正壓的要求計算的最小新風量為:1h-1×1 000m2×3.6m=3600m3/h。取二者大值,最小新風量為3750m3/h。

常規(guī)的風機盤管加新風系統(tǒng)的新風一般處理到室內(nèi)設(shè)計點等焓線上(見圖2,圖2各狀態(tài)點參數(shù)見表1),新風處理機組只負擔新風的全部冷負荷和部分濕負荷,由風機盤管負擔房間全部的余熱余濕和部分新風濕負荷。由于風機盤管負擔濕負荷,因此此空氣處理過程稱為濕式風機盤管處理過程(過程1c)，此時冷水供水溫度為7℃。

新風耗冷量為:1.2 kg/m3×3750m3/h×(90.80 kJ/kg-55.54kJ/kg)/(3600s/h)=44.07 kW。

空調(diào)系統(tǒng)的總設(shè)計冷量為:

64.5kW+44.07kW=108.57kW。

按THIC空調(diào)系統(tǒng)功能的劃分，新風處理機組負擔新風自身和房間的全部濕負荷，同時也負擔了部分房間顯熱負荷，末端負擔剩余的房間顯熱負荷。圖3中給出新風的3個處理過程(各狀態(tài)點參數(shù)見表1)。

表1各狀態(tài)點參數(shù)

溫度/℃相對濕度/%比焓/(kJ/kg)含濕量/(g/kg)露點溫度/℃室內(nèi)點N25.060.0055.5411.9016.54室外點W34.090.8022.0026.40O1點34.030.6060.5010.2114.20O2點22.961.8748.1610.2114.20O3點16.090.0041.9810.2114.20O4點20.690.0055.5413.6918.80

表2各處理過程負荷分配

總冷量/kW新風耗冷量/kW新風耗冷量比例/%末端耗冷量/kW末端耗冷量比例/%W→O1108.5737.8734.770.7065.3W→O2108.5753.3048.955.2752.1W→O3108.5761.0256.047.5544.0W→O4108.5744.0740.464.5059.6

圖3　除濕的3個處理過程

過程1：W→O1:等溫溶液除濕過程,用冷卻水帶走空氣中水蒸氣凝結(jié)散出的熱量；

過程2：W→O2:降溫溶液除濕過程,用較高溫度的冷水(17℃)；

過程3：W→O3:冷凍除濕過程,冷水溫度7℃。

各處理過程負荷分配見表2。

顯然過程1、2的新風耗冷量均小于過程3,但這并不說明過程1和2的系統(tǒng)總耗冷量就低于過程3。由于室內(nèi)外設(shè)計參數(shù)都是相等的,因而系統(tǒng)總耗冷量是相等的。從表2中可以看出新風處理點不同,改變的只是新風系統(tǒng)和末端空調(diào)系統(tǒng)各自負擔的耗冷量比例。

圖4　干式風機盤管空氣處理過程

3個過程的末端均采用干式風機盤管(干式風機盤管空氣處理過程見圖3),冷水供水溫度為17℃。選型資料表明,電壓縮冷水機組蒸發(fā)器出口的冷水溫度變化1℃,冷水機組COP值變化3%。上例標準層總建筑面積40000m2,總冷量為97.8kW×2×20=3912 kW。按《公共建筑節(jié)能設(shè)計標準》(GB 50189-2005)規(guī)定,容量大于1163kW的離心式冷水機組在額定工況下的COP值不應(yīng)低于5.1,當冷水供水溫度為17℃時,其COP值增加為:5.1+5.1×3%×10=6.63,在冷量相同、其他條件都不變情況下,能耗增加比例為:5.1/6.63-1=-23.1%。

與風機盤管的冷水供水溫度為7℃相比，末端部分因冷水機組COP值提高而能耗增加的比例見表3。顯然過程1的能耗減少比例最高。

表3末端部分能耗增加比例

末端耗冷量/kW末端耗冷量比例/%末端耗冷量增加比例/%W→O170.7065.3-15.1W→O255.2752.1-12.0W→O347.5544.0-10.2

3空調(diào)系統(tǒng)新風部分能耗分析

溫度相同時,鹽水表面飽和空氣層的水蒸氣分壓力低于水表面飽和空氣層的水蒸氣分壓力,當空氣中的水蒸氣分壓力大于鹽水表面飽和空氣層的水蒸氣分壓力時,空氣中的水蒸氣分子將向鹽水轉(zhuǎn)移,或者說被鹽水吸收,這是鹽水溶液吸濕的原理。

當溶液溫度一定時，溶液濃度越高,鹽水表面飽和空氣層的水蒸氣分壓力越低,吸濕能力越強;當溶液濃度一定時,溶液溫度越低,鹽水表面飽和空氣層的水蒸氣分壓力越低,吸濕能力越強;當鹽水表面飽和空氣層的水蒸氣分壓力一定時,溶液溫度越低,溶液濃度越低。鹽水溶液的每條濃度線都相當于h-d圖上某一條相對濕度曲線。因此,要保證濃溶液的吸濕能力必須要保證溶液的溫度變化在允許的范圍內(nèi)。

對于過程1來說,空氣中的水蒸氣向鹽水轉(zhuǎn)移過程中放出汽化潛熱,這部分潛熱必然使空氣溫度和溶液溫度升高,溶液溫度升高和溶液濃度降低使鹽水表面飽和空氣層的水蒸氣分壓力增大,溶液的吸濕能力減弱,因此利用冷卻水排熱以保持空氣進出口溫度不變和溶液溫度上升在容許的范圍內(nèi)。由于冷卻水供水溫度一般在32℃左右,因此新風送風溫度較高,新風部分負擔的總耗冷量比例較少。過程1新風狀態(tài)只有潛熱變化沒有顯熱變化,潛熱完全由冷卻水帶走,不用電制冷機組提供任何冷量來處理新風,因此溶液除濕過程使能耗增加-34.7%,等于新風耗冷量占全部耗冷量的比例,再與末端部分的相加,總能耗增加-34.7%-16.5%=-18.2%。又由于溶液再生過程的也要消耗能源，溶液吸收了空氣中的水蒸氣,濃度下降,吸濕能力減弱,只有通過加熱的方法,除去吸收的水分才能使吸濕能力恢復(fù)。過程1全部汽化潛熱被冷卻水帶走了,還需要給溶液補充至少等量的熱量才能使溶液中的水分蒸發(fā)。因此,過程1的加熱量至少應(yīng)等于新風耗冷量37.87 kW(見表2)。

如果溶液再生過程的加熱和冷水機組所用的電力直接采用燃煤或燃氣鍋爐制備的蒸汽或熱水所得,假設(shè)熱電轉(zhuǎn)換率按35%計算。每得到1 kW熱量的燃料消耗量為1 kW熱量除以燃料的發(fā)熱值;而每得到1 kW冷量的燃料消耗量為1 kW冷量除以離心式冷水機組的COP值得到耗電量,再除以熱電轉(zhuǎn)換率和燃料的發(fā)熱值的乘積,本例的離心式冷水機組在額定工況下的COP值為5.1,因此可以得出每得到1 kW冷量的燃料消耗是每得到1kW熱量的56%(1/5.1/35%=56%),也就是說本例溶液再生過程每得到1kW熱量要比冷水機組提供1kW冷量多消耗78.6%(1/56%-1=78.6%)的燃料,因此過程1的新風部分的能耗增加比例應(yīng)為:-34.7%+34.7 %×78.6%=-7.43%,總能耗增加比例(見表4)為-7.43%-15.1%=-22.53%。這里忽略了溶液再生過程中鍋爐的熱效率比較,一般情況下發(fā)電廠鍋爐的效率應(yīng)高于普通熱水鍋爐。顯然只有當冷水機組COP值低于2.86(1/35%=2.86)時,或者溶液再生過程使用的熱源是發(fā)電以外65%的余熱或工廠廢熱等其他廉價熱源,溶液再生過程才節(jié)能。

由于過程2的汽化潛熱與過程1相等,因此溶液再生過程能耗增加比例為34.7%×78.6%=27.27%。與過程1不同的是,溶液除濕過程中采用與末端部分供水溫度相同的17℃冷水來排熱，過程2的總能耗增加比例應(yīng)為(見表4):14.17%-12.0%=2.17%,這種情況下，溶液再生能耗已超過冷水機組節(jié)約的能量。雖然過程2可以用一部分冷卻水代替冷水，但由于送風溫度比過程1低，冷卻水排熱的比例不會很大,節(jié)能比例的提高幅度也就不會很大。

表4空調(diào)系統(tǒng)各部分能耗增加比例

新風部分能耗增加比例/%末端部分能耗增加比例/%總能耗增加比例/%W→O1-7.43-15.1-22.53W→O214.17-12.02.17W→O30-11.211.2

過程3新風部分采用7℃的冷水除濕,這部分沒有節(jié)能，只有末端部分節(jié)能11.2%。上面例子說明，THIC空調(diào)系統(tǒng)中的溶液除濕過程節(jié)能是有條件的。過程1與過程2相比，使用溶液等溫或降溫除濕,新風部分和末端部分的節(jié)能比例都比較高。

4空調(diào)系統(tǒng)末端部分能耗再分析

末端部分通過提高冷水機組的供水溫度達到節(jié)能的目的似乎是沒有爭議的。但當將過程1與過程3相比,過程1c與過程3相比，比較風機盤管的風量和處理的冷量(見表5)，有如下結(jié)果。

表5各處理過程負荷分配

能耗增加比例/%風機盤管耗冷量/kW風機盤管耗冷量比風機盤管總風量/(m3/h)風機盤管總風量比W→O1-22.5370.701.487514801.487W→O3-11.247.551346241W→O4064.501.356240370.694

過程1與過程3相比,雖然能耗增加比例為:[(1-22.53%)/(1-11.2%)-1]×100%=-22.37%，但風機盤管處理的冷量增加了48.7%。由于均采用干式風機盤管，當送風溫度相同時，風機盤管的總風量也增加了48.7%，使過程1比過程3風機盤管的數(shù)量增加了48.7%,也就是說制造風機盤管的金屬銅和鋼材的用量增加48.7%。這不只是設(shè)備數(shù)量和投資的增加,而是冶煉這些金屬和制造風機盤管過程中能耗增加。

過程1c與過程3相比，過程1c不是THIC空調(diào)系統(tǒng)，其空調(diào)總耗冷量增加為:[1/(1-11.2%)-1]×100%=12.6%，風機盤管的總風量卻比過程3減少了30.6%。過程1c的風機盤管表冷器平均換熱溫差大于過程3，在相同換熱量情況下的表冷器的換熱面積相應(yīng)減少，也就是說單位換熱量金屬用量也相應(yīng)減少了，在考慮綜合能耗時，應(yīng)將其納入進去。

5結(jié)語

(1)單獨就THIC系統(tǒng)運行能耗而言，當新風經(jīng)等溫溶液除濕時，系統(tǒng)最為節(jié)能，其次為降溫溶液除濕、冷凍除濕。

(2)對于THIC空調(diào)系統(tǒng)處理濕度的系統(tǒng)而言，由于溶液再生的能耗有可能抵消甚至超過處理顯熱的系統(tǒng)節(jié)約的能量,從而造成THIC系統(tǒng)不節(jié)能的后果。

(3)THIC空調(diào)系統(tǒng)處理顯熱的系統(tǒng),因冷水機組隨蒸發(fā)溫度的提高使COP值提高而節(jié)能,但是應(yīng)綜合比較單位換熱量金屬用量指標和設(shè)備用量指標。

6參考文獻

[1] 中國建筑科學研究院,中國建筑業(yè)協(xié)會建筑節(jié)能專業(yè)委員會.GB 50189-2005 公共建筑節(jié)能設(shè)計標準[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2005

[2] 北京市建筑設(shè)計研究院.DBJ 01-621-2005 公共建筑節(jié)能設(shè)計標準[S].北京:北京市建筑設(shè)計標準化辦公室,2005

[3] 中國有色工程設(shè)計研究總院.GB 50019-2003 采暖通風與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國計劃出版社,2003

[4] 劉曉華,江億,等.THIC空調(diào)系統(tǒng)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2006

Analysis of Energy Saving Effect of THIC Air Conditioning

System in an Office Building in Shanghai

ZHANG Zhiwen,ZHANG Qilin,KANG Liyan,WANG Yanyu

( Shanghai Maritime University，Shanghai 201306 )

Abstract：Paper through analysis Shanghai a Office THIC air conditioning system(temperature humidity independent control air conditioning system) of energy proportions, pointed out that for THIC air conditioning system in the processing explicit hot of system,due to cold water unit with evaporation temperature of improve makes COP value improve and energy;for THIC air conditioning system in the processing latent heat of system,due to solution regeneration energy has may offset even over processing explicit hot system save of energy,thus will caused the THIC system compared to the general system not energy.

Key words:THIC air-conditioning system；Air handling；Energy-saving

[中圖分類號]TU831[文獻標示碼]B

doi:10.3696/J.ISSN.1005-9180.2015.01.017

文章編號：ISSN1005-9180(2015)01-085-05

作者簡介：張智文(1990-)，男，碩士研究生，研究方向:空調(diào)節(jié)能與自動控制。Email：mzzwen@126.com

收稿日期：2014-11-19