空調新技術耦合應用的節能分析

程 浩，劉秋新

(武漢科技大學 城市建設學院，湖北 武漢 430070)

0 引言

當可持續發展成為我國發展戰略，減少溫室氣體排放成為環保新熱點后，節能作為最經濟的減排措施，發揮著越來越大的作用［1］。隨著城市化進程的不斷加快和現代服務業的日趨發達，建筑能耗在全國總能耗中所占的比重就越大，而空調又是能耗大戶，約占建筑能耗的65%左右［2］，因此，大力發展空調新技術對節能降耗起著積極的推動作用。

由于不同的空調技術其節能效果也隨之不同，為了探討這個問題，選取了武漢市六個實際工程，分別計算了其全年空調負荷、全年空調能耗以及部分空調系統能耗系數，利用計算結果對各空調工程在采用空調新技術和常規空調系統時的耗能量進行對比分析。

1 各空調工程性質及系統形式

對所選六個空調工程的性質、系統形式等基本情況列表如下。

表1 各空調工程性質及系統形式Tab.1 Properties and system forms of each air conditioning engineering

2 各工程空調系統能耗量

2.1 計算方法與過程

空調系統作為用戶層面的用能終端有其特殊性，即受室外干球溫度的影響，因此，要想將能耗和需求切實降下來就必須從源頭——負荷計算開始，下面以工程1為例給出了空調系統能耗量的計算方法和過程。

圖1 武漢市全年日干球溫度Fig.1 Outdoor dry bulb temperature on each day of the whole year in wuhan

2.1.1 全年空調負荷

采用溫頻法模擬計算該建筑的全年空調負荷［3］，所用武漢地區逐時氣象數據來自張晴原根據美國政府數據整理的CTYW(Chinese Typical Year Weather)。將武漢地區典型年氣象數據按月劃分，以2℃為溫頻段，每天24 h分為6個時段每個時段4 h，分別統計各溫頻段的小時數。圖1為武漢市全年的日干球溫度，圖2為武漢地區全年溫頻數，表2為一班制的全年溫頻數(8∶00～18∶00)。

表2 武漢地區全年(8∶00～18∶00)BIN參數Tab.2 Annual BIN parameters for the single shift system(8∶00 －18∶00)in wuhan

圖2 武漢地區全年溫頻數Fig.2 Annual temperature frequency in wuhan

文獻［4］表明冷負荷、熱負荷與室外干球溫度T的關系式可歸納為

式中 CL——單位面積空調冷負荷/W·m－2;

HL——單位面積空調熱負荷/W·m－2;

T——室外空氣干球溫度/℃。

設武漢地區在室外溫度低于10℃時開始供暖，室外溫度高于23℃時開始供冷，以供暖負荷為例用BIN參數進行計算，結果見表3。

表3 用BIN參數進行年供暖負荷計算表Tab.3 Calculation sheet of the annual heating load using the BIN parameters

同理可得年供冷負荷為81.16 kWh/m2，則空調年總負荷為126.79 kWh/m2，轉化為一次能形式為14.97 TJ(1 TJ=1012J)。

2.1.2 空調系統年能耗

以熱泵機組的制冷年能耗量為例進行計算，結果見表4。

同理可得熱泵機組年供熱耗電量為282 027 kWh，則熱泵機組年總耗電量為768 834 kWh。結合文獻［5］的計算方法，根據工程中輔助設備及空調末端設備的情況，并設空調機組累計運行時間為2 750 h/a，可以得到輔助設備年耗電量為338 710 kWh，空調末端設備年耗電量為424 476 kWh。則該工程中央空調系統的年總耗電量為1 532 020 kWh，由于我國目前實際條件的限制，如發電站效率低等，我國每千瓦時電實際耗費一次能較大。我國火電廠供電標煤耗量為414 g/kWh，即電能轉化為一次能的換算率為12 131 kJ/kWh，故該辦公樓中央空調系統的年總耗電量轉化為一次能形式為18.58 TJ。

表4 熱泵機組制冷年能耗量計算表Tab.4 Calculation sheet of the annual cooling energy consumption of the heat pump units

2.1.3 空調系統能耗系數CEC

2.2 不同空調技術時各工程耗能量

同理上述方法可以對其它各個工程的耗能量進行計算，同時，也將每個工程的冷熱源與應用常規空調系統(電制冷冷水機組+鍋爐)時的耗能量進行對比，液態輸送系統的變頻與定頻對比，風系統的變風量與定風量對比，熱回收技術與電加熱對比，結果見表5。

表5 各工程耗能量對比匯總(單位:MWh/a)Tab.5 Summaries and comparisons of energy consumption for each engineering(MWh/a)

3 計算結果分析

3.1 空調新技術與常規空調冷熱源能耗量對比分析

從以上計算結果可以得到各空調工程冷熱源與應用常規空調時冷熱源能耗量的對比分析柱狀圖，見圖3、圖4、圖5。

圖3 冷源能耗量對比圖Fig.3 Comparisons of energy consumption for cold sources

圖4 熱源能耗量對比圖Fig.4 Comparisons of energy consumption for heat sources

從圖3可以看到除工程4和工程5的原有冷源與常規冷源相同而導致能耗相等外，工程1和工程3的能耗較常規空調時的分別減少了9.3%和13.8%，說明采用水源熱泵加冰蓄冷作為冷源時能有效降低能耗，其平均降幅為11.6%。工程2和工程6的冷源能耗較常規時有所增加，其平均增幅為10.6%。原因在于單獨采用地源熱泵作為冷源時，能耗量較常規冷源平均減少2.0%，增加蓄冰后，由于系統運行時間的增加，夜間制冷機運行的COP值下降，能耗量較單獨采用地源熱泵時平均增加12.7%，由此可見冰蓄冷系統運行時本身并不節能，但其移峰填谷作用能使電網供電平衡，緩解電力工業減排壓力［6］，減少了系統的年運行費用，同時也為國家“十二五”小火電關停工作做出了積極的貢獻［7］，因此蓄冰技術的應用意義更遠大些。圖4顯示出空調新技術所用熱源較常規熱源的能耗明顯減少，其最大減幅為48.4%，最小減幅為30.4%，平均減幅為41.2%。從圖5可以看出由于工程4所用冷源即為常規冷源，無熱源，故其能耗相等，其它各工程冷熱源全年能耗較常規空調冷熱源時明顯減少，最大減幅為28%，最小減幅8.5%，平均減幅為19.4%。充分說明采用空調新技術的冷熱源能有效降低能耗。

3.2 輸送系統能耗量對比分析

將各工程中液態輸送系統的變頻與定頻，風輸送系統的變風量與定風量對能耗的影響進行對比分析，見圖 6、圖7。

圖6 液態輸送系統能耗量對比圖Fig.6 Comparisons of energy consumption for liquid delivery system

圖7 風輸送系統能耗量對比圖Fig.7 Comparisons of energy consumption for air delivery system

由圖6和圖7可知液態輸送系統和風輸送系統分別采用變頻和變風量均能降低能耗，對于液態輸送系統，最大降幅為38.9%，最小降幅為21.3%，平均降幅為27.4%;對于風輸送系統，最大降幅為44.6%，最小降幅為22.3%，平均降幅為32.4%。說明風輸送系統采用變風量較液態輸送系統采用變頻對能耗量的影響更為顯著。結合圖6和圖7，可知各工程輸送系統總體節能量的最大平均幅值為31.6%。這正是充分利用變頻技術三大節能原理，發揮其強大的節能作用的體現［8－9］。下面就各工程實際輸送系統的綜合能耗量與在假設條件下(均采用變頻和變風量)的綜合能耗量進行對比分析，見圖8。

圖8 輸送系統綜合能耗量對比圖Fig.8 Comparisons of comprehensive energy consumption for delivery systems

從圖8可以看出，由于工程1和工程4實際采用的就是變頻和變風量技術，與假設條件相符，故其能耗量與假設條件下的相等。工程2和工程3的實際能耗量均比假設條件下的高，這是由于工程2采用的是定風量系統，工程3采用的是定頻和定風量系統，由此，可以分析出工程2和工程3降低輸送系統綜合能耗量的潛力分別為26.3%和26.5%。

3.3 空調系統綜合能耗量對比分析

將各空調工程子系統(冷熱源、液態輸送系統，風輸送系統)均采用新技術時的綜合能耗量與常規空調系統的綜合能耗量進行對比分析，見圖9。將各空調工程實際綜合能耗量與采用新技術改良后的假設綜合能耗量進行對比分析，見圖10。

圖9 空調新技術與常規技術綜合能耗量對比圖Fig.9 Comparisons of comprehensive energy consumption for new air conditioning technology and conventional technology

圖10 空調系統改良前后綜合能耗量對比圖Fig.10 Comparisons of comprehensive energy consumption for air conditioning system before and after improvement

圖9所示，空調新技術較常規空調系統的綜合能耗量明顯減少，最大減幅為32.5%，最小減幅為13.7%，平均減幅為26.3%，這也反映了應用空調新技術較常規空調系統的最大節能能力。由圖10可以計算出工程2和工程3的節能潛力分別為18.4%和17.8%。

3.4 蓄能和熱回收技術的節能效果

該六項空調工程中均用到了冰蓄冷或水蓄冷技術，一方面，利用當地的分時電價政策，其移峰填谷作用能為用戶帶來直接的經濟效益，此六項工程平均每年可節約電費23萬元;另一方面，蓄冷技術減少了電力系統的高峰負荷，按建設火力發電廠每千瓦容量4 000元計算，如能移峰10 000 kW，即可減少電廠投資4 000萬元［10］，少建火力發電廠也就意味著節約一次能源。熱回收技術通過回收冷凝熱免費為衛生熱水系統提供熱量，就上述應用熱回收技術的工程平均每年比使用電加熱節能9 019 MWh。

4 經驗關系式及降低空調系統能耗的措施

由工程1～4及文獻［3］中工程的CEC和單位空調面積能耗量的計算，用最小二乘法求出其線性擬合方程，擬合直線如圖11所示。

圖11 單位空調面積能耗量與空調系統能耗系數的相關性Fig.11 The correlation of the energy consumption of unit air conditioning area and the coefficient of energy consumption

由擬合方程

可以看出要降低單位空調面積的能耗，就必須減小空調系統能耗系數CEC。在此，提出幾條減小CEC的措施:

(1)從設計源頭開始，做好空調負荷計算及負荷預測，選擇合理的空調系統，充分利用各種空調新技術;

(2)在設備采購、施工、系統調試等方面執行嚴格的節能標準，優化輸配管網和設備配置;

(3)建立科學的管理機制，優化運行策略和運行控制;

(4)每個人自身建立起科學、理性和負責任的能源消費觀念。

只有落實好以上幾點，才能真正的實現綠色空調，從而降低空調系統的能耗量。

5 結論

就全年能耗而言，與常規空調相比，冷熱源采用熱泵技術和蓄能技術可減少約19.4%的能耗，輸送系統采用變頻技術可減少約32%的能耗，整個空調系統應用新技術后節能平均幅值可達26.3%，若按武漢市每年新建公共建筑約160萬m2計算，則每年可節能32 163 MWh。由單位空調面積能耗量與空調系統能耗系數的擬合方程可知，從設計、施工、調試、管理、充分利用空調新技術等方面著手可達到良好的節能目的。

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