陳遠(yuǎn)平李燦*明錦

1 湖南工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院

2 湖南省建筑節(jié)能與環(huán)境控制關(guān)鍵技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心

金屬微孔頂板輻射空調(diào)系統(tǒng)運行測試與分析

陳遠(yuǎn)平1，2李燦1，2*明錦1，2

1 湖南工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院

2 湖南省建筑節(jié)能與環(huán)境控制關(guān)鍵技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心

為深入了解某圖書館閱覽室金屬微孔頂板輻射空調(diào)系統(tǒng)的能耗及室內(nèi)空氣品質(zhì)情況，通過對該空調(diào)控制系統(tǒng)終端運行數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，得出該空調(diào)系統(tǒng)冬、夏工況下的空調(diào)運行負(fù)荷及閱覽室CO2濃度，并進(jìn)行了計算與經(jīng)濟(jì)分析。結(jié)果表明，該空調(diào)系統(tǒng)實際運行相對傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能，投資回收期為9年。測試發(fā)現(xiàn)閱覽室空氣品質(zhì)沒有達(dá)到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，CO2濃度總體基本維持在720ppm～860ppm之間，分析是新風(fēng)量不足所導(dǎo)致，提出了相應(yīng)的改善措施。

金屬微孔頂板輻射空調(diào)系統(tǒng) 經(jīng)濟(jì)性 空氣品質(zhì)

輻射式空調(diào)作為一種新型的空調(diào)系統(tǒng)，是指通過降低或者提高圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面的溫度，形成冷（熱）輻射面，利用輻射面與人體及其他物體間的輻射熱交換，調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度。其具有良好的熱舒適性、優(yōu)越的節(jié)能性、噪聲影響較小及安裝方便等巨大優(yōu)勢[1]。近年來，一種新型的空氣載能型輻射空調(diào)系統(tǒng)發(fā)展起來，與常規(guī)輻射空調(diào)的區(qū)別主要是載冷（熱）的介質(zhì)由水改為空氣，但是，關(guān)于空氣載能型輻射空調(diào)的相關(guān)研究與實踐不足[2～3]，因此，利用已建成的實際工程案例進(jìn)行全面實時監(jiān)測與分析總結(jié)，為全面推廣應(yīng)用做技術(shù)支撐，就顯得非常必要。本文選取株洲市某圖書館閱覽室金屬微孔頂板輻射空調(diào)系統(tǒng)作為測試研究對象，通過現(xiàn)場實測的數(shù)據(jù)分析其節(jié)能特性和空氣品質(zhì)情況，以期為同類工程提供經(jīng)驗。

1　測試對象及結(jié)果

1.1工程概況

該空調(diào)系統(tǒng)安裝于該圖書館四樓的一個面積為520m2的獨立閱覽室內(nèi)，屬于空氣載能型輻射空調(diào)的一種形式，通過風(fēng)機(jī)盤管將冷（熱）風(fēng)送至頂棚內(nèi)，與微孔頂板換熱后大部分返回風(fēng)機(jī)盤管，冷（熱）頂板再與室內(nèi)進(jìn)行輻射換熱，頂棚內(nèi)小部分空氣在壓力差作用下可以從頂板的微孔中滲漏出流，增加與室內(nèi)空氣對流作用并吸收室內(nèi)余熱余濕,同時新風(fēng)機(jī)組送入新風(fēng)，改善室內(nèi)空氣品質(zhì)，其工作原理示意如圖1所示。

圖1　微孔頂板輻射空調(diào)系統(tǒng)運行原理示意圖

由于空調(diào)系統(tǒng)處于調(diào)試試驗階段，此閱覽室并沒有投入使用，但是長期與其他正常使用的閱覽室通過門連通，使得此閱覽室積累了一定濃度的CO2。頂板多孔輻射空調(diào)能否在一定的時間內(nèi)有效地降低室內(nèi)CO2濃度且運行節(jié)能，需要進(jìn)行運行經(jīng)濟(jì)性分析和CO2測試與分析，為金屬微孔頂板輻射空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計與研究提供參考。

1.2測試原理與方法

根據(jù)株洲市實時氣象條件，確定冬季工況具體測試時間為2014年1月7日～2014年1月8日，夏季工況具體測試時間為2014年6月4日～2014年6月5日。該空調(diào)系統(tǒng)每日實際運行時間段為08:00～17:00，選取的測試時間段為09:00～16:00。測試期間，關(guān)閉所有的門窗，記錄有關(guān)參數(shù)的初始數(shù)據(jù)，開機(jī)后，每半個小時記錄一次。

測試參數(shù)有送回風(fēng)溫濕度、供回水溫度、水流量及閱覽室CO2濃度，通過空調(diào)系統(tǒng)參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)軟件讀取，再根據(jù)讀取參數(shù)計算出空調(diào)運行負(fù)荷。

空調(diào)末端的冷（熱）量，可按空氣側(cè)或冷凍（熱）水側(cè)進(jìn)行測量與計算，且空氣放出的熱量按式（1）計算：

式中：Q1為空調(diào)末端冷（熱）量，kW；L為風(fēng)量，m3/s；ρ為空氣密度，計算時取值1.2kg/m3；△i為空氣焓差，kJ/kg，可按式（2）、式（3）計算[7]。

式中：d為對應(yīng)于1kg干空氣的濕空氣中所含有的水蒸氣量，kg/kg·干；Pq為濕空氣的水蒸氣分壓力，Pa；B為大氣壓，Pa；Pq.b為空氣在相應(yīng)溫度下的飽和水蒸氣分壓力，Pa；φ為濕空氣的相對濕度，%；i為空氣焓值，kJ/kg；cp.g為干空氣的比定壓熱容，kJ/(kg·K)，常溫下cp.q=1.005kJ/(kg·K)，近似取1或1.01kJ/(kg·K)；cp.q為水蒸氣的比定壓熱容，在常溫下cp.q=1.84 kJ/(kg·K)。

冷熱源機(jī)組供給微孔頂板輻射空調(diào)末端的冷（熱）量可按式（4）計算。

式中：Q2為冷熱源機(jī)組供空調(diào)末端的冷（熱）量，kW；C為冷凍（熱）水的比熱容，J/(kg·℃)；ρ為水的密度，kg/m3；G為空調(diào)水流量，m3/s；△t為供回水溫差，℃。

1.3能耗測試結(jié)果

冬季工況、夏季工況（分別以2014年1月8日、2014年6月5日的監(jiān)測數(shù)據(jù)為分析依據(jù)）下閱覽室送回風(fēng)的焓差及供熱（冷）量變化數(shù)據(jù)統(tǒng)計于表1。

表1　送回風(fēng)的焓差及供熱（冷）量變化數(shù)據(jù)

當(dāng)天室內(nèi)環(huán)境參數(shù)與設(shè)計條件一致，室外氣象條件接近設(shè)計值，閱覽室設(shè)計熱負(fù)荷為30.3kW，設(shè)計冷負(fù)荷為72.8kW，從表1可見，供熱（冷）量正常。考慮室外氣象參數(shù)的波動及測量誤差，表明該系統(tǒng)能耗可達(dá)到原設(shè)計目標(biāo)。

1.4CO2濃度測試結(jié)果

利用微孔頂板輻射空調(diào)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)終端對閱覽室內(nèi)CO2濃度進(jìn)行監(jiān)測記錄。因2014年1月7日與8日、2014年6月4日與5日的CO2濃度變化都幾乎一樣，所以分別選取2014年1月8日、2014年6月5日的監(jiān)測數(shù)據(jù)作為代表進(jìn)行分析，如圖2所示。

由圖2可知，冬季工況CO2濃度全天在720～860ppm之間；夏季工況CO2濃度在720～820ppm之間。高于設(shè)計值500ppm甚遠(yuǎn)，說明通風(fēng)效果較差。

圖2　閱覽室CO2濃度監(jiān)測結(jié)果

2　結(jié)果分析

2.1經(jīng)濟(jì)性比較

金屬微孔頂板輻射空調(diào)系統(tǒng)的末端——多孔金屬輻射板單位面積造價為150元/m2，普通全空氣中央空調(diào)系統(tǒng)風(fēng)管單位面積造價80元/m2。兩種空調(diào)系統(tǒng)其他部分相同的情況下，金屬微孔頂板輻射空調(diào)系統(tǒng)初投資相對傳統(tǒng)中央空調(diào)系統(tǒng)多36400元。

株洲市電價為0.8元/kWh。按照當(dāng)室外空氣溫度大于28℃時開始供冷，室外空氣溫度小于12℃時開始供暖的設(shè)定計算空調(diào)系統(tǒng)全年冷熱耗量如下：根據(jù)株洲市標(biāo)準(zhǔn)年氣象數(shù)據(jù)，全年供熱1379h，供冷1117h。根據(jù)文獻(xiàn)[1]，該閱覽室空調(diào)方案設(shè)計，金屬微孔頂板輻射空調(diào)系統(tǒng)年供冷總負(fù)荷為66736kW，年供熱負(fù)荷為44999kW。制冷工況能效比為6.11，制熱工況能效比為4.89。則夏季運行費用為66736×0.8/6.11=8738元，冬季運行費用為44999×0.8/4.89=7362元，年總運行費為16100元。傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)年供冷總負(fù)荷為78198kW，年供熱負(fù)荷為53039kW。制冷工況能效比為5.43，制熱工況能效比為 4.89。則夏季運行費用為 78178× 0.8/5.43=11518元，冬季運行費用為53039×0.8/4.89= 8677元，年總運行費為20195元。綜上可知金屬微孔頂板輻射空調(diào)系統(tǒng)相對傳統(tǒng)空調(diào)年運行費少4095元。按照動態(tài)回收計算等額年金，可由式（5）表達(dá)[4]。

式中：A為等額年金，元；P為初投資，元；i為年利率，一般按5.1875%計；n為計息期數(shù)。

通過上述分析，可知A=4095元，P=36400元，由此可以算得n≈9，因此，系統(tǒng)動態(tài)投資回收期為9年，有較好的應(yīng)用前景。

2.2通風(fēng)效果分析

從閱覽室空調(diào)系統(tǒng)的風(fēng)道原理看，分析室內(nèi)通風(fēng)效果差的原因，可能是新風(fēng)因通過過濾器進(jìn)風(fēng)機(jī)阻力較大，回風(fēng)不通過過濾器進(jìn)風(fēng)機(jī)阻力小，因此在室內(nèi)無機(jī)械排風(fēng)的情況下，不能確保設(shè)計的新風(fēng)量進(jìn)入室內(nèi)所致。

為進(jìn)一步驗證上述原因，對實際新風(fēng)量進(jìn)行估算。冷熱（凍）水側(cè)熱量得失等于新風(fēng)側(cè)新風(fēng)熱量得失，如式（6）所示，通過計算冷熱（凍）水側(cè)供熱（冷）量，算得冬、夏季工況下新風(fēng)負(fù)荷，如圖3所示。

式中：L為頂板多孔對流輻射空調(diào)新風(fēng)量，m3/s；ρ1為空氣密度，計算時取值1.2kg/m3；△i為空氣焓差，kJ/kg；C為冷凍（熱）水的比熱容，J/(kg·℃)；ρ2為水的密度，kg/m3；G為空調(diào)水流量，m3/s；△t為供回水溫差，℃。

圖3　新風(fēng)負(fù)荷變化示意圖

由圖3可知，冬季工況下的新風(fēng)負(fù)荷在5kW至10kW之間，11點后室內(nèi)溫度升至設(shè)置溫度18℃，此時室外溫度為6.2℃，熱負(fù)荷維持在6kW左右；夏季工況下的新風(fēng)負(fù)荷在11kW至18kW之間，12點后室內(nèi)溫度降至設(shè)置溫度27℃，此時室外溫度為29.7℃，冷負(fù)荷，維持在12kW左右。根據(jù)文獻(xiàn)[1]，相同的室內(nèi)外參數(shù)時，閱覽室空調(diào)新風(fēng)負(fù)荷設(shè)計值如表2。

表2　閱覽室空調(diào)新風(fēng)負(fù)荷設(shè)計值

根據(jù)表2，供熱新風(fēng)負(fù)荷設(shè)計值為31.44×520=16.3kW，實測負(fù)荷為6kW，僅為設(shè)計值36.8%；供冷新風(fēng)負(fù)荷設(shè)計值為117.55×520=24kW，實測負(fù)荷為12kW，僅為設(shè)計值的50%。忽略室外新風(fēng)相對濕度的變化，由式（6）可知實際新風(fēng)量不足，夏季實際新風(fēng)量只有設(shè)計值的一半，冬季僅為設(shè)計值的三分之一，導(dǎo)致室內(nèi)空氣品質(zhì)差。

2.3改進(jìn)措施

針對新風(fēng)量不足問題，通過機(jī)械排風(fēng)，減小室內(nèi)壓強(qiáng)，使得新風(fēng)能夠順利進(jìn)入室內(nèi)，改善室內(nèi)的空氣品質(zhì)，如圖4所示。并且利用全熱交換機(jī)將排風(fēng)與新風(fēng)進(jìn)行熱交換，熱回收循環(huán)利用，減少能量損失。

圖4　改進(jìn)空調(diào)系統(tǒng)原理圖

3　結(jié)論

通過空調(diào)控制系統(tǒng)終端運行數(shù)據(jù)對該空調(diào)系統(tǒng)的冬、夏工況下的空調(diào)運行負(fù)荷及閱覽室CO2濃度進(jìn)行分析，得出如下結(jié)論：

1）閱覽室微孔頂板輻射空調(diào)系統(tǒng)冬夏季能耗均低于常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)，其動態(tài)投資回收期為9年，有較好的應(yīng)用前景。

2）現(xiàn)有系統(tǒng)實際新風(fēng)量送入不足，導(dǎo)致CO2濃度遠(yuǎn)高于設(shè)計值500ppm，應(yīng)采取措施增加實際供入閱覽室的新風(fēng)量才能保障室內(nèi)空氣品質(zhì)。

[1]劉勝酉.夏熱冬冷地區(qū)閱覽室輻射空調(diào)系統(tǒng)研究[D].湖南:湖南工業(yè)大學(xué),2013

[2]王晨光,馬小飛.言樹清.輻射空調(diào)系統(tǒng)的發(fā)展研究現(xiàn)狀綜述[J].建筑熱能通風(fēng)空調(diào),2014,33(5):47-49

[3]龔光彩,楊厚偉,蘇歡.空氣載能輻射空調(diào)末端系統(tǒng)輻射傳熱簡化算法研究[J].湖南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2013,40(12):31-38

[4]黃有亮,徐向陽,談飛.工程經(jīng)濟(jì)學(xué)[M].南京:東南大學(xué)出版社, 2006

Test and Analysis of the Micro-porous Metal Roof Radiation Air Conditioning System Operation

CHEN Yuan-ping1,2,LI Can1,2*,MING Jin1,2
1 School of Civil Engineering,Hunan University of Technology
2 Collaborative of Innovation Center,Hunan University of Technology

To investigate the energy consumption of the micro-porous metal roof radiation air conditioning system operation and indoor air quality in a library reading room,the concentration of CO2in the reading room was acquired through test experiment and the air conditioning operation load in winter and summer conditions was calculated.Then, by studying on energy saving of this system and economic analysis,it came to the conclusion that the air conditioning system provides superior performance on energy saving compared with traditional air-conditioning and its investment payback period is 9 years.Test indicated that the CO2concentration in the reading room remained a high level a high level from 720 ppm to 860 ppm which was not up to standard for lacking of fresh air.Relevant measures were proposed to improve such conditions.

the micro-porous metal roof radiation air conditioning system,energy consumption,indoor air quality

1003-0344（2015）06-005-4

2014-9-15

李燦（1968～），女，教授，博士；湖南株洲湖南工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院（412007）；E-mail:lc19992@126.com

湖南省自然科學(xué)基金項目（13JJ9015）