崔雪梅，韋新東

吉林建筑大學(xué) 市政與環(huán)境工程學(xué)院,長(zhǎng)春 130118

0 引言

近年來,我國(guó)能源形勢(shì)日趨嚴(yán)峻,與此同時(shí),人們對(duì)居住環(huán)境的熱舒適性以及衛(wèi)生要求越來越高,傳統(tǒng)的中央空調(diào)越來越不適應(yīng)現(xiàn)代居住建筑.相比于傳統(tǒng)空調(diào)方案,溫濕度獨(dú)立控制(Temperature and humidity independent control,英文縮寫為THIC)空調(diào)方案將溫度和濕度獨(dú)立處理,避免了傳統(tǒng)空調(diào)方案熱濕耦合處理所帶來的能耗偏高、溫濕度控制失調(diào)、室內(nèi)空氣品質(zhì)欠佳等一系列問題,逐漸開始在工程實(shí)踐中被推廣運(yùn)用[1-2].既有研究主要集中在對(duì)公共建筑空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷特性的研究[3-4],而對(duì)于居住建筑THIC空調(diào)系統(tǒng)的負(fù)荷特性研究較少.因此,本文以成都地區(qū)某獨(dú)立住宅為例,通過瞬態(tài)系統(tǒng)模擬程序(Transient system simulation program,英文縮寫為TRNSYS)計(jì)算此獨(dú)立住宅的空調(diào)季逐時(shí)冷負(fù)荷,進(jìn)一步對(duì)居住建筑負(fù)荷特性及其分布規(guī)律進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì),總結(jié)出高溫冷源+冷凝除濕的THIC空調(diào)系統(tǒng)機(jī)組中低溫冷水機(jī)組和高溫冷水機(jī)組分別承擔(dān)的負(fù)荷特性,從而為低溫機(jī)組和高溫冷水機(jī)組的設(shè)備選型以及時(shí)間控制等方面提供指導(dǎo)依據(jù).

1 高溫冷源+冷凝除濕的THIC空調(diào)系統(tǒng)

THIC空調(diào)系統(tǒng)由兩個(gè)獨(dú)立調(diào)節(jié)的溫度控制系統(tǒng)與濕度控制系統(tǒng)組成.該形式空調(diào)系統(tǒng)的核心是同時(shí)設(shè)置低溫冷源系統(tǒng)和高溫冷源系統(tǒng),其中低溫冷源系統(tǒng)制備可用于新風(fēng)降溫除濕的低溫冷凍水,高溫冷源系統(tǒng)制備可用于室內(nèi)回風(fēng)降溫的高溫冷凍水(高于室內(nèi)回風(fēng)露點(diǎn)溫度),其系統(tǒng)原理如圖1所示.

圖1 高溫冷源+冷凝除濕系統(tǒng)原理Fig.1 Schematic diagram of high temperature cooling source combined with condensation dehumidification system

2 獨(dú)立住宅THIC空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷計(jì)算模型

以成都地區(qū)某獨(dú)立住宅為例,采用瞬態(tài)模擬軟件TRNSYS建立其空調(diào)負(fù)荷計(jì)算模型.該建筑共有3層,層高3.6 m,坐北朝南,總建筑面積394.8 m2,平面圖如圖2所示，其中空調(diào)建筑面積275 m2,各層空調(diào)房間基本信息如表1所示.在TRNSYS界面里設(shè)置建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)的尺寸、形狀及門窗安裝位置等;根據(jù)《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ 134-2010)[5],在TRNSYS界面里設(shè)置外墻、內(nèi)墻、窗戶及門等維護(hù)結(jié)構(gòu)的熱物性參數(shù).本文所建立的TRNSYS負(fù)荷計(jì)算模型如圖3所示.

(a) 1F平面圖(a) 1F plan

(b) 2F-3F平面圖(b) 2F-3F plan

表1 空調(diào)房間信息Table 1 Information of air-conditioned rooms

圖3 TRNSYS負(fù)荷計(jì)算模型Fig.3 TRNSYS load calculation model

3 負(fù)荷特性及其分布規(guī)律分析

3.1 建筑負(fù)荷特性分析

利用瞬態(tài)系統(tǒng)模擬程序TRNSYS模擬得出獨(dú)立住宅空調(diào)季的室外氣象參數(shù)、逐時(shí)冷負(fù)荷、除濕負(fù)荷及新風(fēng)顯熱負(fù)荷如圖4所示.

由圖4可以看出:① 該地區(qū)空調(diào)季室外環(huán)境溫度基本上在15 ℃ ～ 35 ℃之間,其中30 ℃及以上的發(fā)生小時(shí)數(shù)占比約為6.0 %,相對(duì)濕度60 %及以上的發(fā)生小時(shí)數(shù)占比約為75 %;② 建筑逐時(shí)冷負(fù)荷主要分布在0 kW ～ 15.0 kW之間,累計(jì)冷負(fù)荷為15 217 kWh,其峰值冷負(fù)荷為38.64 kW,出現(xiàn)在7月27日23∶00,主要原因在于此時(shí)建筑物內(nèi)空調(diào)開啟率較高;③ 建筑總的除濕負(fù)荷主要分布在0 kW～ 4.0 kW之間,累計(jì)除濕負(fù)荷為3 711.7 kWh;④ 在71.7 %的時(shí)段內(nèi),新風(fēng)顯熱負(fù)荷小于0(即新風(fēng)顯熱冷負(fù)荷,此時(shí)段內(nèi)室外溫度高于室內(nèi)溫度),在室外濕度較小時(shí),可考慮采用自然通風(fēng)的方式來滿足室內(nèi)熱舒適性要求;⑤ 建筑物中的顯熱負(fù)荷與除濕負(fù)荷之比約為3.1∶1,采用THIC空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行溫濕度獨(dú)立控制具有較為明顯的節(jié)能優(yōu)勢(shì).

(a) 室外氣象參數(shù)(a) Outdoor weather parameters

(b) 建筑逐時(shí)冷負(fù)荷(b) Building hourly cold load

(c) 建筑總除濕負(fù)荷(c) Building total dehumidification load

(d) 新風(fēng)顯熱負(fù)荷(d) Fresh air sensible heat load

3.2 THIC空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷特性分析

根據(jù)溫濕獨(dú)立控制系統(tǒng)的基本原理，濕度控制系統(tǒng)(低溫冷水機(jī)組)除承擔(dān)室內(nèi)所有潛熱負(fù)荷Q室內(nèi)潛熱(kW)外,還要承擔(dān)新風(fēng)負(fù)荷Q新風(fēng)負(fù)荷(kW)和室內(nèi)部分顯熱負(fù)荷Q室內(nèi)部分顯熱(kW)，因此低溫冷水機(jī)組承擔(dān)的負(fù)荷Q低溫冷水機(jī)組(kW)按式(1)計(jì)算;溫度控制系統(tǒng)(高溫冷源)主要承擔(dān)建筑的室內(nèi)顯熱負(fù)荷Q室內(nèi)顯熱(kW),因此高溫冷水機(jī)組承擔(dān)的負(fù)荷Q高溫冷水機(jī)組(kW)按式(2)計(jì)算.

Q低溫冷水機(jī)組=Q室內(nèi)潛熱+Q新風(fēng)負(fù)荷+Q室內(nèi)部分顯熱=Q新風(fēng)顯熱+Q除濕負(fù)荷+Q室內(nèi)部分顯熱

(1)

Q高溫冷水機(jī)組=Q逐時(shí)冷負(fù)荷-Q低溫冷水機(jī)組

(2)

式中,新風(fēng)處理機(jī)組處理后的新風(fēng)所帶走的室內(nèi)部分顯熱負(fù)荷按下式計(jì)算:

Q室內(nèi)部分顯熱=ρ×Cp×G×Δt

(3)

式中,G為新風(fēng)量,m3/s;Cp為空氣的比熱容,kJ/(kg·℃);ρ為空氣密度,kg/m3;Δt為室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度與新風(fēng)送風(fēng)溫度之間的溫差,℃,本文取8 ℃.

按上述方法及圖4給出的結(jié)果,計(jì)算得到高溫冷水機(jī)組負(fù)荷與低溫冷水機(jī)組負(fù)荷.為了避免設(shè)備選型過大而導(dǎo)致初投資過高及后期運(yùn)行出現(xiàn)“大馬拉小車”的問題,本文還利用EXCEL同時(shí)給出了按峰值冷負(fù)荷和不保證50 h對(duì)應(yīng)的冷負(fù)荷的選型結(jié)果,如圖5所示.

(a) 高溫冷水機(jī)組逐時(shí)負(fù)荷與設(shè)計(jì)負(fù)荷的對(duì)比(a) Comparison of hourly load and design load of high-temperature chiller

(b) 低溫冷水機(jī)組逐時(shí)負(fù)荷與設(shè)計(jì)負(fù)荷的對(duì)比(b) Comparison of hourly load and design load of low temperature chiller

通過圖5(a)和圖5(b)可以看出:① 高溫冷水機(jī)組的負(fù)荷主要分布在0 kW～10 kW之間,主要集中在6月1日～8月30日,負(fù)荷波動(dòng)比較大，其中峰值冷負(fù)荷為38.64 kW,據(jù)此確定高溫冷水機(jī)組的額定制冷量為40 kW,不保證50 h所對(duì)應(yīng)的冷負(fù)荷為20.21 kW，據(jù)此確定高溫冷水機(jī)組的額定制冷量為21 kW;② 低溫冷水機(jī)組的負(fù)荷主要分布在1.4 kW～2.8 kW之間,主要集中在6月1日～8月30日,負(fù)荷波動(dòng)比較大,其中峰值冷負(fù)荷為6.58 kW,據(jù)此確定低溫冷水機(jī)組的額定制冷量為7.0 kW,不保證50 h所對(duì)應(yīng)的峰值冷負(fù)荷為5.57 kW,出現(xiàn)在第4 834 h(7月21日10∶00),據(jù)此確定低溫冷水機(jī)組的額定制冷量為6 kW.

從高溫冷水機(jī)組所承擔(dān)的負(fù)荷分布情況及其選型結(jié)果可以看出,按照傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)選型方法，不可避免地會(huì)存在設(shè)備選型過大的問題,這主要與住宅空調(diào)時(shí)間分布有關(guān)系,如表2所示.

表2 每個(gè)房間空調(diào)概率逐時(shí)分布Table 2 Hourly distribution of the probability of air conditioning in each room

房間編號(hào)Room number時(shí)刻Time13∶0014∶0015∶0016∶0017∶0018∶0019∶0020∶0021∶0022∶0023∶0024∶001F-LR000000.30.31.01.01.00.301F-SBR00000000001.01.02F-S000000.30.31.01.01.00.302F-MBR00000000000.51.02F-SBR00000000001.01.03F-S00000000001.01.03F-MBR00000000000.51.03F-SBR00000000001.01.0

注：0,0.3,0.5,1.0分別表示空調(diào)開啟概率為0 %,30 %,50 %,100 %.

Note:0,0.3,0.5,1.0 means that the probability of air-conditioning is 0 %,30 %,50 %,100 % respectively.

在23∶00時(shí)刻，該建筑物空調(diào)系統(tǒng)在一定概率下處于全部開啟狀態(tài),從而導(dǎo)致該時(shí)間段內(nèi)的空調(diào)負(fù)荷較大.

3.3 THIC空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷率及其分布小時(shí)數(shù)分析

準(zhǔn)確地掌握高溫冷源系統(tǒng)和低溫冷源系統(tǒng)的負(fù)荷率分布對(duì)于雙溫空調(diào)系統(tǒng)冷源數(shù)量的選擇十分重要,可有效地避免“大馬拉小車”問題.

圖6和圖7分別給出了高溫冷源系統(tǒng)和低溫冷源系統(tǒng)冷源數(shù)量均為1的情況下,機(jī)組在兩種不同設(shè)計(jì)負(fù)荷情況下(峰值冷負(fù)荷與不保證50 h對(duì)應(yīng)的冷負(fù)荷)的負(fù)荷率分布.

(a) 高溫冷水機(jī)組負(fù)荷率(設(shè)計(jì)負(fù)荷40 kW)(a) High temperature water chiller load ration(Designed load=40 kW)

(b) 高溫冷水機(jī)組負(fù)荷率(設(shè)計(jì)負(fù)荷21 kW)(b) High temperature water chiller load ration(Designed load=21 kW)

(a) 低溫冷水機(jī)組負(fù)荷率(設(shè)計(jì)負(fù)荷7 kW)(a) Low temperature water chiller load ration(Designed load=7 kW)

(b) 低溫冷水機(jī)組負(fù)荷率(設(shè)計(jì)負(fù)荷6 kW)(b) Low temperature water chiller load ration(Designed load=6 kW)

由圖6和圖7可以看出:① 當(dāng)設(shè)計(jì)負(fù)荷為40 kW時(shí),高溫冷水機(jī)組負(fù)荷率在5 %左右出現(xiàn)了發(fā)生小時(shí)數(shù)峰值,達(dá)到了1 082 h,在72 %的時(shí)間里機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷率在20 %及以下,說明按照這種方法進(jìn)行設(shè)備選型存在很大的“大馬拉小車”的問題,一方面會(huì)增加設(shè)備初投資；另一方面也導(dǎo)致機(jī)組后期難以實(shí)現(xiàn)節(jié)能運(yùn)行;當(dāng)設(shè)計(jì)負(fù)荷為21 kW時(shí),雖然一定程度上緩解了上述問題,但機(jī)組仍然在60 %的時(shí)間里機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷率在20 %及以下.② 當(dāng)設(shè)計(jì)負(fù)荷為7 kW時(shí),低溫冷水機(jī)組負(fù)荷率7.5 %～40 %之間,其發(fā)生小時(shí)數(shù)占比達(dá)到了51 %,機(jī)組負(fù)荷率在40 %以上的發(fā)生小時(shí)數(shù)為624 h;當(dāng)設(shè)計(jì)負(fù)荷為6 kW時(shí),低溫冷水機(jī)組負(fù)荷率7.5 %～40 %之間的發(fā)生小時(shí)數(shù)占比下降至46.8 %,機(jī)組負(fù)荷率在40 %以上的發(fā)生小時(shí)數(shù)增至896 h,這說明按照這種方法確定低溫冷水機(jī)組數(shù)量及其額量是合理的.

由以上分析可知,為了降低高溫冷水機(jī)組設(shè)備的初投資,同時(shí)實(shí)現(xiàn)機(jī)組的節(jié)能運(yùn)行,可按中小冷量并聯(lián)方式對(duì)高溫冷水機(jī)組進(jìn)行設(shè)備選型即高溫冷水機(jī)組數(shù)量為2.根據(jù)高溫冷水機(jī)組所承擔(dān)負(fù)荷的分布特點(diǎn),可確定2臺(tái)機(jī)組的額定制冷量分別為10 kW和11 kW.

4 結(jié)論

(1) 該獨(dú)立住宅的顯熱負(fù)荷與除濕負(fù)荷之比約為3.1∶1,采用THIC空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行溫濕度獨(dú)立控制具有較為明顯的節(jié)能優(yōu)勢(shì).

(2) 該獨(dú)立住宅中的空調(diào)系統(tǒng)在22∶00～23∶00時(shí)間段內(nèi)在一定概率下處于全部開啟狀態(tài),從而導(dǎo)致該時(shí)間段內(nèi)的空調(diào)負(fù)荷較大,這也是按照傳統(tǒng)方法難以避免“大馬拉小車”運(yùn)行問題的根本原因.

(3) 當(dāng)高溫冷源數(shù)量與低溫冷源數(shù)量為1時(shí),高溫冷水機(jī)組在絕大多數(shù)時(shí)間里運(yùn)行在“大馬拉小車”的狀態(tài)下,難以實(shí)現(xiàn)節(jié)能運(yùn)行,低溫冷水機(jī)組設(shè)備選型結(jié)果較為合理.

(4) 為了降低高溫冷水機(jī)組的設(shè)備初投資,同時(shí)實(shí)現(xiàn)機(jī)組的節(jié)能運(yùn)行,可按照中小冷量并聯(lián)的方式對(duì)高溫冷水機(jī)組進(jìn)行設(shè)備選型即高溫冷水機(jī)組數(shù)量為2.

在今后的研究工作中尚需對(duì)常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)與THIC空調(diào)系統(tǒng)的能耗進(jìn)行模擬分析,進(jìn)一步明確THIC空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)勢(shì)，對(duì)該系統(tǒng)的推廣應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)和促進(jìn)意義.