利用免费供冷满足非供冷季室内热舒适性需求

王文静

奥雅纳工程咨询（上海）有限公司

随着人们对舒适性空调需求的增加，建筑空调能耗的用量大幅度增加，为提高能源的利用率，在负荷集中的地方有较多在建的能源中心。基于上海某商业项目的地理位置及用能条件，需按限定要求就近利用能源中心供能，并对自建及备用冷热源有一定的限制条件。在建能源站预计供能运行工况为两管制供能，每年进行两次冷热切换。由于商业项目在非供冷季节（包括供热季、切换期）往往存在内区供冷的需求，为保证在此期间内商业的基本舒适性要求，对非供冷季节室内热舒适状况进行分析，并提出解决方案。

1 研究背景

1.1 建筑概况及基本信息

该项目位于上海的某区域的核心地带，是商墅形式的商业建筑，总建筑面积50,367 m2，地上五层，地上部分建筑面积为28,693.1 m2。地下2 层，建筑面积为21,674 m2，地下一层为商业及后勤、设备用房，地下二层为车库及设备用房。计划采用区域能源中心集中供能，能源中心两管制，运行的工况及供能时间具体如表1 所示：

表1 能源站运行工况

1.2 空调冷热负荷及热舒适

表2 负荷计算参数条件

表3 商业区逐月空调冷负荷

图1 建筑模拟所搭建的三维图

2 非供冷季的免费冷源的选择及分析

2.1 免费冷源的选取

在能源中心非供冷季节，根据项目对自建冷热源的限制，优先考虑不增加额外冷源的方案，因此可考虑免费供冷的方式来获得冷源：

1）设置冷却塔在冬季实施免费供冷，其优点是初投资较低，对建筑内部布局影响小。缺点是供冷效果受外界气候条件影响，通常要在室外空气湿球温度降至5 ℃以下[1]，才能充分发挥其使用效果。以上海的气象参数看，只能在12 月～2 月间适合的气候下使用，此外在这个时间段内运行时，容易在冷却塔排风处形成白雾，对建筑美观性和环境造成不良影响。根据本项目建筑造型情况，本方案不适用。

2）利用室外低温新风来抵消室内冷负荷，其优点是直接将冷风送入空调区，没有中间过程，节能效果明显，初投资少，实施简单。缺点是需要增大外墙新风百叶和室内风管井面积，对建筑立面和室内使用面积有一定影响，所以需要在加大新风量与建筑布局限制之间权衡比较。此外，还需要考虑下述问题：①较低的室外新风直接引入室内，如果温度太低，舒适感较差，且容易引起结露问题。②新风温度较低的情况下，难以满足室内湿度的需求。③新风温度随室外条件变化，如新风温度过高，则不足负担室内冷负荷。

因此，需要结合上述问题，研究在保证舒适性的情况下新风量的选取和计算。

2.2 非供冷期室内舒适区

关于热舒适的探讨主要基于Fanger 的PMV-PPD模型，依据为《ASHRAE Standard 55 (2007),Thermal Environmental Conditions for Human Occupancy》和《GB 50736-2012 民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》。PMV 是预计平均热感觉指标，PPD 是预计不满意率。GB 50736-2012 标准将热舒适等级划分为两级，I 级 为-0.5 ≤PMV ≤0.5、PPD ≤10%。II 级 为-1 ≤PMV＜-0.5 或0.5＜PMV≤1、PPD≤20%。本章节的讨论，也是基于热舒适等级I 级计算展开的。

表4 非供冷期各业态的舒适区间

根据能源中心的运行时间，非供冷期主要是冬季和过渡季节，经计算在此期间围护结构热负荷≤20 W/m2，而室内灯光，设备及人员的内冷负荷为40～95 W/m2，即散热量小于发热量，所以在此期间主要考虑的是室内余热的消除问题。考虑到冬季内外分区，外区供热需达到20 ℃，内区需消除余热。为了减少新风承担的内热负荷和新风量，考率在保证热舒适的条件下，适当提高内区的温度。在保证室内人员I 级舒适度的前提下，即控制-0.5≤PMV≤0.5,PPD≤10%时，反推内区可以接受的最高温度。由表4 可知，商铺和餐饮的内区不必与外区保持同样的设计温度，可以适当提高室内温度及室内外焓差。基于表4 的推算参数，进行新风供冷量及新风量的计算。

2.3 新风供冷的基本原理和供冷量计算

当室外新风焓值低于室内设计工况的焓值时，可利用新风与室内空气状态点的差值，提供冷量。工程中也有只考虑室内的显热冷负荷，当室外新风温度低于室内温度即可利用室外温度供冷[2]。本文采用焓差进行新风供冷计算。

为方便讨论，将新风折算到单位面积的新风量。在非供冷期间，围护结构负荷较小，因此仅考虑采用新风处理建筑内区的内热负荷。新风可消除的余热量计算方法如下：

“海豚运动”，顾名思义，大致就是指像海豚那样一上一下、左右摇摆的游泳方式。专业解释则是指舰艇在静水中航行时，随着速度的增加，自身可能出现的一种周期性的、有界的、垂直平面内的运动，是一种垂荡和纵摇的耦合运动。即便是轻微的“海豚运动”，都有可能造成灾难性的后果。

式中：Q1为围护结构负荷，W/m2；Q2为内热，包括灯光、设备、人员，W/m2；Q3为新风可抵消的室内余热，W/m2；V1为单位面积的设计新风量，m3/(m2·h)；P 为人员密度，m2/p；V2为设计新风量，m3/(p·h)；ΔH 为非供冷季节室内外空气焓差，kJ/kg；R 为新风抵消围护结构负荷后可满足面积的比例。

R 值越大，表示新风冷量可以满足的面积越大。因商业全年运行，因此商业应满足R 值大于100%。

2.4 冬季热舒适状况分析

根据《上海市公共建筑节能设计标准》4.3.4 要求：除塔楼外，全空气系统的最大总新风比应不低于50%。服务于人员密集的大空间和全年具有供冷需求的区域的全空气定风量或变风量空调系统，可达到的最大新风比宜不低于70%。

本方案中不考虑采用PAU 作为加大新风量的一部分，是因为不同商户共用一台PAU，加大新风量供应无法满足不同商户的内热变化率。此外，由于一台PAU 同时服务内外区，直接将低温新风送入内外区难以同时满足负荷需求。因此，在考虑加大新风量的时候，就不将大系统新风加入分析计算中。

综合以上考虑，取加大新风量为设计新风量的5～7 倍。冬季外区需要供热，因此采用新风量降温时主要考虑的是消除内区余热。表4 的内区设计参数，商铺和餐饮的室内设计焓值分别为40.9 kJ/kg 和43 kJ/kg。根据上海典型年气象参数，为保证在空调运行期间当室内保证小时率不低于90%时，室外焓值要求小于36.6 kJ/kg，此时所需的新风量可由Q=ΔH·m计算得到，如表5。

表5 单位面积业态下的计算结果

2.5 切换期热舒适状况分析

室外气象文件采用TMY（典型气象年）文件，其月平均干球温度最接近该时间段内当月平均干球温度，因此对上海的长期气候特征具有一定的代表性。根据表5 内的计算冬季所需的新风量，核算该加大风量是否能满足过渡季节商铺及餐饮所需的风量，故商铺取6.4 倍设计新风量、餐饮取3.7 倍。由式（1）～（3）可得图2、图3：

图2 冷热源切换期新风可满足商铺制冷要求的面积比例

由图2～3 可知，11 月商铺和餐饮可以保证用户的舒适性要求。但在4 月26 日-4 月30 日期间，切换期室外新风的焓值接近甚至大于室内焓值，则新风无法起到降温的作用，无法满足舒适度的需求室外焓值较高。因为商铺及餐饮无其它冷源，因此可考虑采取以下策略：提前切换期，在室内外焓差较大、室外新风可抵消室内预热的时间进行切换。根据图2～3 可知，11月份的免费新风量远大于实际所需的供冷量。根据表5 的计算方法，反算11 月商铺和餐饮于切换期所需的新风量分别为18.75 m3/(m2·h)、24 m3/(m2·h)，即新风量的放大倍数分别为2.5 倍、2 倍。

图3 冷热源切换期新风可满足餐饮制冷要求的面积比例

图4 4 月15 日～4 月30 日使用新风可以满足制冷要求的面积比例

从图4 可知，若将切换日期提前到21～25 日，则大部分时间内新风均可抵消室内余热，保证用户的基本舒适性要求。因此建议适当提前冷热源切换时间，这也是和天气状况吻合的。

本次分析所选气象参数是典型年气象数据，建议能源中心根据当年气象情况调整切换期时间。

3 结论

1）在4 月份的冷热源切换期，由于室外新风的焓值接近甚至大于室内焓值，采用加大新风量的方法难以达到理想的制冷效果。因此建议4 月份冷热源切换时间提前到25 日前，并根据当年气象情况调整切换期时间。

2）在11 月份的冷热源切换期，办公区域按设计新风量4 m3/(m2·h)，商铺和餐饮新风量分别为18.75 m3/(m2·h)、24 m3/(m2·h)，可以保证用户基本舒适性要求。

3）为保证商铺和餐饮在切换期和非供冷季节进/排风所需的新风量，建议商铺百叶（风井）面积为0.026 m2/m2（0.004 m2/m2），餐饮百叶（风井）面积为0.024 m2/m2（0.004 m2/m2）。

4）新风免费供冷于商业项目中的应用，对于建筑为商墅形式的布局特别适用。特别在目前疫情爆发及未来常态化的格局下，商业内加大新风量的系统考虑可能会成为未来的主要发展方向。