建筑内区利用过渡季及冬季气候条件供冷分析

边 毅简煦根

（1.四川高地工程设计咨询有限公司 成都 610041；2.四川众恒建筑设计有限责任公司 成都 610072）

建筑内区利用过渡季及冬季气候条件供冷分析

边 毅1简煦根2

（1.四川高地工程设计咨询有限公司 成都 610041；2.四川众恒建筑设计有限责任公司 成都 610072）

建筑物内区空调能耗已成为空调节能设计中不容忽视的问题。基于建立的一个建筑模型空间实例，计算并分析了可变新风系统与固定新风系统在不同设计送风温差、不同人员新风量标准的工况下，利用过渡季及冬季气候条件供冷的时间、全年供冷能耗与空调系统形式的关系。提出了利用过渡季及冬季气候条件供冷设计程序，以及设计中应注意的问题和遵循的方法。

建筑内区；可变新风系统；固定新风系统；人员新风量标准；空调能耗；送风温差

0 引言

我国建筑用能已超过全国能源消费总量的1/4，并将随着人民生活水平的提高逐步增加到1/3以上。在公共建筑的全年能耗中，大约50%～60%消耗于空调制冷与采暖系统。而空调冷热源供应系统的能耗又占整个空调、采暖系统的大部分[1]。现阶段我国建筑行业飞速发展，建筑体量越来越大，建筑内区面积随之增大。建筑内区由于基本不受室外气象的影响，一般常年均为冷负荷，需要全年供冷。在太阳辐射得热大于外围护结构散热或人员密集和内部发热量较大，围护结构散热小于内部发热量的建筑外区空调房间，冬季也可能出现冷负荷。外围护结构特别是窗的热工性能逐步改善之后，这种现象出现的概率大为增多[2]，这些房间冬季也需要供冷。因此，在过渡季节和冬季，减少人工制冷设备运行时间，对建筑节能意义重大。

本文以常年供冷的内区房间为例，从充分利用室外新风，以及冷却塔供冷两个方面，分析内区供冷的相关问题，为暖通空调系统设计提供参考。

1 利用过渡季及冬季气候条件供冷的判定参数及程序

建筑空调方式多样，一般都以空气和水为能量转移载体。在过渡季节和冬季，室外新风以及冷却塔提供的冷水，也是供冷的能量转移载体。其中新风是消耗能源最少的供冷载体，而冷却塔在室外较低的湿球温度时能够提供冷水，虽然风机、水循环系统仍然要消耗电能，但可替代制冷机组，有一定节能效益，也是一种较为节能的供冷方式（为便于叙述，后文中提及的节能供冷即为此两种供冷方式）。

由于采用节能供冷措施，是为了降低空调冷热源运行能耗，实现节能，期间室外空气含湿量较低，一般建筑内区负荷可以不考虑潜热负荷，仅考虑显热负荷，同时保证室内干球温度tn和室内含湿量dn不大于室内最大允许值即可[3]。

设计中应根据室外空气干球温度tw和湿球温度ts、含湿量dw与室内显热负荷Qx、湿负荷W综合计算分析，采取合理措施，实现节能目的。

1.1 新风除湿能力

在适用节能供冷的时段，特别是冬季新风含湿量很低，利用新风一般可以完全消除室内余湿，而冷却塔提供的冷水在过渡季节一般较高，不一定能完全满足除湿的需要。所以新风是否能够除湿，是实现节能供冷的必要条件。

根据除湿送风量计算公式[4]，可得出满足除湿需要的室外空气含湿量计算公式：

式中：W为室内余湿量，g/s；Gx为新风量，kg/s；dx为新风含湿量，g/kg；dn为室内含湿量，g/kg，为最大程度利用新风供冷，节能供冷期间室内含湿量可按照相对湿度70%计算。

当dw≤dx时，新风满足除湿需要，可以按照节能供冷工况运行。

当dW>dx时，新风不能满足除湿需要，应采用夏季运行工况。

1.2 新风供冷能力

根据显热负荷风量计算公式[4]，可得出新风供冷的空气干球温度计算公式：

式中：tn为过渡季节或冬季允许的室内干球温度，℃，最低可取22℃，最高为夏季工况设计温度；Qx为室内显热负荷，kW；tx为新风供冷时的干球温度，℃。

当tw≥tx时，应采用夏季空调运行工况。

当tW=tx时，新风供冷能力恰好满足室内显热负荷需要，不需对新风进行任何热工处理，新风直接供冷。

当tW

当tx

该工况下，需要冷却塔辅助提供的冷量QR（kW）计算公式：对一次回风全空气系统，在设计供冷工况下显热制冷量Qx（kW）计算公式：

假定Qx不变，由公式（2）及公式（4）可得：

式中：G为送风量，kg/s；t0为设计送风温度，℃。

可以知道：在一定送风温差下，新风比K越大，tx就越高，这有利于充分利用室外较高温度的新风进行供冷，延长节能供冷时间。

值得注意的是前文提及的送风温差与新风量的取值是针对节能供冷运行模式而言，在夏季工况下，不论内、外区，空调房间都应该按照最大送风温差和满足要求的最小新风量运行，后文的能耗计算也是按照此原则计算。

1.3 冷却塔供冷能力

冷却塔出水温度随着室外湿球温度降低而降低，在冬季和过渡季节我国大部分地区湿球温度较低，这也为冷却塔供冷提供了条件。空调末端一般按照夏季工况低温冷水选择，在节能供冷时段内，实际需要末端提供的空调负荷一般均小于夏季，末端设备采用冷却塔提供的高温冷水也就存在可能性，可以根据末端负荷实际需要的冷水温度及室外湿球温度来判断。

[5]，冷却塔供冷负荷与冷水温度的计算公式：

式中：Q0为末端设备标准工况制冷量，kW，本文采用夏季工况室内全热负荷；t1R、t10为冷却塔供冷工况、标准工况下末端设备进口空气干球温度，℃，t10=27℃，t1R= tn；tW1R、tW10为冷却塔供冷工况、标准工况下末端设备进口冷水温度，℃，tW10=7℃。

根据公式（6），得出冷却塔供冷冷水温度的计算式为：

考虑冷却塔的冷却逼近度（3～4℃），板式换热器的温差(1～2℃)，综合考虑温差取5℃，在冷却塔供冷工况下，室外最高湿球温度txs（℃）计算公式为：

当室外空气湿球温度ts≤txs时，能够采用冷却塔供冷，实现节能供冷。

当ts>txs时，冷却塔提供的冷量满足不了新风供冷的不足部分，应按照夏季工况运行。

1.4 利用过渡季及冬季气候条件供冷综合判定流程为更好地说明判定流程，根据公式（2）建立t1，t2，t3三个温度控制点（℃）：

式中：Qx22，Qx25为室内温度tn=22℃，25℃时的室内显热负荷，kW；tΔ为设计送风温差，℃。

图1 利用过渡季及冬季气候条件供冷判定计算程序Fig.1 Determining program of use transition season and winter weather conditions cooling

根据前述分析、公式（1）～（8）、当地室外逐时气象参数以及室内显热负荷和余湿量，就可以综合判断节能供冷的可行性和设计措施。设计流程可参照图1。

2 利用过渡季及冬季气候条件供冷系统分析

根据前文分析，实现利用过渡季及冬季气候条件供冷，室外气象参数及新风供应量是关键。室内空调系统设计中，新风供应一般采用两种方式：可变新风供应系统（新风供应量可以调节，最大新风比K可以等于1，同时配以与之相适应的排风系统）与固定新风供应系统（新风供应量为最小值，新风比K为常数，排风系统与最小新风量相适应）。下文分别就这两种系统在利用过渡季及冬季气候条件供冷应用中的各种问题进行具体计算分析。为便于分析问题，建立如下一个基础空间数据模型，并根据模型分别以北京、成都、南宁三个城市为例，根据典型气象年逐时参数，并设定空调系统运行时间为8:00～18:00（办公建筑）进行逐时计算，并统计、分析。

表1 室内负荷、送风量与新风量Table1 Air conditioning load , air output and fresh air volume

2.1 利用过渡季及冬季气候条件供冷运行时间计算

根据公式（1）～（8），按照图1流程，以及室外逐时气象参数[7]，通过计算机编程，可以分别计算出不同工况下节能供冷时间，计算结果详表2、表3、图2～图5。

表2 可变新风供应系统供冷时间（h）Table2 Cooling time of variable fresh air supply system (h)

续表2 可变新风供应系统供冷时间（h）Table2 Cooling time of variable fresh air supply system (h)

表3 固定新风供应系统供冷时间（h）Table3 Cooling time of fixed fresh air supply system (h)

图2 可变新风供应系统30(m³/p·h)供冷时间（h）Fig.2 Cooling time of variable fresh air supply system (30m³/p·h)

图3 可变新风供应系统40(m³/p·h)供冷时间（h）Fig.3 Cooling time of variable fresh air supply system (40m³/p·h)

图4 可变新风供应系统50(m³/p·h)供冷时间（h）Fig.4 Cooling time of variable fresh air supply system (50m³/p·h)

图5 固定新风供应系统供冷时间（h）Fig.5 Cooling time of fixed fresh air supply system

通过逐时计算过程，根据统计图表，利用过渡季及冬季气候条件供冷时间与送风温差、新风量标准之间的关系如下。

2.1.1 可变新风供应系统

（1）随着送风温差减小，制冷主机全年运行时间缩短，新风供冷总时间延长，冷却塔供冷时间缩短。

（2）随着新风量标准提高，制冷主机全年运行时间，冷却塔供冷时间，新风供冷总时间均保持不变，但新风需要加热的时间会增加。

2.1.2 对固定新风供应系统

（1）利用过渡季及冬季气候条件供冷时间与送风温差没有必然联系。

（2）随着新风量标准提高，制冷主机全年运行时间缩短，新风供冷总时间延长，冷却塔供冷时间缩短。

并且发现内区房间虽常年需要制冷，但是为保证适宜的送风温度，在一定条件下需要对新风进行加热。

2.2 利用过渡季及冬季气候条件供冷运行能耗计算

单纯从供冷时间来决定设计措施，并不能够实现节能初衷，必须以能耗作为主要判断依据。为分析能源消耗情况，建立能耗计算依据如下。

以夏季工况送风温差10℃，人员新风量标准30m³/p·h，采用固定新风供应系统且不采用冷却塔供冷技术为常规工况以采用冷却塔供冷技术为标准工况，分别计算各种工况全年供冷能耗，以分析问题（本文能耗均以系统运行的耗电量为标准）。

系统运行能耗主要包括：制冷机组运行能耗EL（kWh）、风系统运行能耗EF（kWh）、水泵运行能耗Eb（kWh）、冷却塔运行能耗ET（kWh）、新风加热能耗ER（kWh）等。其中为简化计算，新风加热均按照电加热、效率为100%计算。其它各种能耗计算采用以下计算公式：

本文计算中水泵循环水量，冷却塔处理水量均按照前文中建立的模型，并以夏季设计日室内全热负荷及新风负荷为依据，并按照文献[6]计算流量。计算结果详表4，表5，图6～图12。

表4 可变新风系统全年运行能耗（kWh）Table4 Variable fresh air system running for the whole year energy consumption (kWh)

表5 固定新风系统全年运行能耗（kWh）Table5 Fixed fresh air system running for the whole year energy consumption (kWh)

图6 标准工况相对常规系统节能量Fig.6 Standard condition relatively routine system energy saving

图7 可变新风系统能耗变化曲线（北京）Fig.7 The curves of energy consumption of variable fresh air system (Beijing)

图8 可变新风系统能耗变化曲线（成都）Fig.8 The curves of energy consumption of variable fresh air system (Chengdu)

图9 可变新风系统能耗变化曲线（南宁）Fig.9 The curves of energy consumption of variable fresh air system (Nanning)

图10 固定新风系统能耗变化曲线（北京）Fig.10 The curves of energy consumption of fixed fresh air system (Beijing)

图11 固定新风系统能耗变化曲线（成都）Fig.11 The curves of energy consumption of fixed fresh air system (Chengdu)

图12 固定新风系统能耗变化曲线（南宁）Fig.12 The curves of energy consumption of fixed fresh air system (Nanning)

通过逐时计算过程、根据统计图表，利用过渡季及冬季气候条件供冷的全年能耗与送风温差、新风量标准之间的关系如下：

可变新风供应系统与固定新风供应系统采用节能措施均能降低系统运行能耗，尤以可变新风供应系统节能显著。

（1）对可变新风供应系统

1）随着送风温差减小，寒冷地区、夏热冬冷地区年能耗呈先降后升的趋势；夏热冬暖地区年能耗均呈降低趋势。

2）随着新风量标准提高，年能耗基本均会增加，寒冷地区且出现能耗高于常规空调运行模式，夏热冬冷和夏热冬暖地区能耗仍然低于常规空调运行模式。

（2）对固定新风供应系统

1）随着送风温差减小，寒冷地区、夏热冬冷地区年能耗呈先降后升的趋势，但能耗变化较小，夏热冬暖地区年能耗均呈降低趋势，变化较为明显。

2）随着新风量标准提高，寒冷地区年能耗增加显著；夏热冬冷地区，年能耗呈先降后升的趋势；夏热冬暖地区年能耗均呈降低趋势。

3 结论

基于对模型空间数据的逐时分析，从能耗角度出发，建筑内区利用过渡季及冬季气候条件供冷系统设计应遵循以下原则：

（1）系统设计措施是否可行，不能完全按照供冷时间判断，应进行全年能耗计算分析。

（2）要实现利用过渡季及冬季气候条件供冷的节能目的，可变新风系统是第一选择。

（3）内区房间空调系统设计，在寒冷地区不宜提高人员新风量标准和减小送风温差，过渡季及冬季空调风系统运行应与夏季工况一致。

（4）夏热冬冷地区，空调风系统管道及风机宜适当减小送风温差，固定新风供应系统应适当提高人员新风量标准进行设计，以满足过渡季及冬季需要，空调风系统运行应分时段变风量运行，夏季工况空调风系统不应采用过渡季及冬季工况运行。

（5）夏热冬暖地区，空调风系统管道及风机应减小送风温差进行设计，以满足过渡季及冬季需要，空调风系统运行应分时段变风量运行，夏季工况空调风系统不应采用过渡季及冬季工况运行。

参考文献：

[1] GB 50189-2005,公共建筑节能设计标准[S].北京:中国建筑工业出版社,2005.

[2] 张锡虎.工程设计问答（12）[J].空调空调,2010,40(12): 48-50.

[3] 北京市建筑设计研究院.北京地区冷却塔供冷系统设计指南[M].北京:中国计划出版社,2011.

[4] 赵荣义,范存养,薛殿华,等.空调调节（第四版）[M].北京:中国建筑工业出版社,2009.

[5] 沈列丞,龙惟定.干盘管系统设计中风机盘管冷量修正法的研究[J].制冷与空调,2006,6(2):18-21.

[6] 陆耀庆.实用供热空调设计手册（第2版）[M].北京:中国建筑工业出版社,2008.

[7] 中国气象局气象信息中心气象参数资料室,清华大学建筑技术科学系.中国建筑热环境分析专用气象数据集[M].北京:中国建筑工业出版社,2005.

[8] GB/T7190.1-2008,玻璃纤维增强塑料冷却塔（第1部分）：中小型玻璃纤维增强塑料冷却塔[S].北京:中国标准出版社,2008.

Analysis of Use Transition Season and Winter Weather Conditions Coolings for the Inner Zones of a Building

Bian Yi1Jian Xugen2
( 1.Sichuan Highland Architectural Design Co., Ltd, Chengdu, 610041; 2.SiChuan ZhongHeng Architectural Design Co., Ltd, Chengdu, 610072 )

Air conditioning energy consumption has become an important problem in the design of air conditioning energy saving. Based on the establishment of a building model of space, the calculation and analysis of the variable fresh air system and fixed freshair system in different design supply air temperature difference, the standard of different fresh air volume under the condition of use transition season and winter weather conditions cooling time, cooling energy consumption and air conditioning system. The use transition season and winter weather conditions cooling design procedure and the method of the design of the system are put forward.

inner zones of a building; variable fresh air system; fixed fresh air system; standard of fresh air volume; air conditioning energy consumption; supply air temperature difference

TU831.3

A

1671-6612（2017）01-068-09

边 毅（1974.02-），男，大学，高级工程师，E-mail：101249193@qq.com

简煦根（1974.03-），女，大学，高级工程师，E-mail：502638380@qq.com

2015-11-23