地下工程空調系統的能效評價方法

子杰

(陸軍工程大學國防工程學院 南京 210007)

隨著城鎮化進程的加快，人們越來越重視地下空間的開發與利用，其內部功能不斷完善，導致工程內部空氣環境保障難度和空調系統能耗日益增大。據統計，地下工程中空調系統的運行能耗占工程總能耗的比例高達50%～60%，因此開展地下工程空調系統的節能研究意義重大[1]。

空調系統的能效評價作為技術人員進行系統設計、設備運行管理的依據，對空調系統的節能降耗具有不可忽視的作用。目前國內外常用的有關空調系統能效評價指標主要有：COP、綜合部分負荷性能系數(IPLV)、綜合部分能效指標(IEER)、空調能量消費系數(CEC)、季節能效比(SEER)、全年性能效率(APF)等。這些評價指標有些側重于單臺設備或機組的能效評價，有些側重工程“靜態”負荷條件下的能效評價。作為一個評價指標，它應具有概念上的科學性、分析中的可比性及實施中的可操作性等特點?，F有的評價指標用來評價空調系統的運行能效均具有較大的局限性[29]，原因在于現有評價方法主要考慮的是供給側的能效，即計算系統所供給的冷量(或熱量)與消耗能量的比值，其值越高代表能效越高，但對供給的冷量(或熱量)是否超出工程所需的冷量(或熱量)并沒有予以考慮。

空調系統是一個典型的具有動態性、時變性、多擾性和不確定性等隨機特性的非線性系統，其總能耗與工程實際負荷、室內外氣象參數、設備運行狀況等因素密切相關[10]。本文提出了一種能夠反映地下工程空調系統動態運行能效的能效評價指標——運行需求能效比ODEER(operation demand energy efficiency ratio)，該評價指標以工程實際負荷為依據，通過分析提供這部分冷量的系統效能評價整個空調系統的節能效果，為地下工程空調系統的能效評價、節能設計和運行管理提供參考。

1 空調系統運行需求能效比

1.1 能效指標的建立

地下工程空調系統通常有兩種運行模式，分別為滿負荷運行模式和部分負荷運行模式。為了準確評價空調系統在不同運行狀態下的能效，定義空調系統的運行需求能效比(ODEER)為在計算時間內，工程所需制冷量與空調系統所有設備耗電量的比值：

(1)

式中：T為某一評價時間，h；∑QT為在T時間內工程所需制冷量，kW·h；∑N為系統中所有設備的總耗電量，kW·h，工程所需制冷量和設備的耗電量均可通過模擬或實際測量。

由式(1)可知，空調系統運行需求能效比越高系統運行情況越好。該評價指標的計算方法簡便易行、可操作性強，不僅能反映空調系統的制冷量和絕對能耗水平，還能反映滿足一定制冷量條件下的空調系統的能耗水平，為空調系統的設計選型和節能改造提供依據。

1.2 子系統能效指標的建立

為了更加全面地分析空調系統的能效水平，建立各子系統的能效評價模型。地下工程空調系統一般由除濕機、風系統、冷卻水系統、末端設備4個部分組成，如圖1所示。

圖1 地下工程集中式空調系統Fig.1 Centralized air-conditioning system for underground engineering

各部分的運行需求能效比定義如下：

1)除濕機的運行需求能效比ODEERATD：

(2)

式中：∑NATD為除濕機總耗電量，kW·h。

2)風系統的運行需求能效比ODEERFAN:

(3)

式中：∑NFAN為系統中所有風機的耗電量，kW·h。

3)冷卻水系統的運行需求能效比ODEERCWS:

(4)

式中：∑NCW為系統中所有冷卻塔配套的冷卻水泵的耗電量，kW·h；∑NTW為系統中所有冷卻塔的耗電量，kW·h。

4)地下工程空調系統的末端設備主要包括風機盤管、水環熱泵機組等設備，定義末端設備的運行需求能效比ODEERTER:

(5)

式中：∑NTER為系統中所有末端設備的耗電量，kW·h。

因此，整個空調系統與子系統的運行需求能效比：

ODEER總=

(6)

1.3 能效評價方法

地下工程空調系統能效評價可以采取從整體到局部的分析策略，主要分為3個步驟：運行能效比的計算、能效判斷及節能改造。流程如圖2所示。

圖2 地下工程空調系統能效評價流程Fig.2 Flow of energy efficiency evaluation for air-conditioning system in underground engineering

運行能效比的計算通常有兩種方法：能耗模擬和實際測量。當工程的設計資料、產品信息較為完備時可以采取能耗模擬的方法：1)根據圍護結構的熱物性參數等建筑基本信息和氣象參數計算工程負荷；2)結合空調系統形式推算出空調系統的送風狀態、冷卻水流量等信息；3)根據空調系統的能耗模型計算整個系統的能耗；4)將系統的初投資、設備使用壽命、維護管理費用等經濟因素與系統能耗代入經濟模塊中，對系統進行經濟性評價，能耗模擬方法的計算流程如圖3所示[11-13]。

圖3 能耗模擬方法的計算流程Fig.3 Calculation process of energy consumption simulation method

對于一些較難建模、基本信息部分缺失的工程，可以采取典型工況下實際測量的方法進行空調系統的能效評價，即在一段評價時間T內，將系統運行狀態分為n個典型工況及對應時間Ti；然后針對每種典型工況進行設備的歷史運行數據分析和現場測量，獲得典型工況下的空調系統制冷量Qi和設備運行能耗Ni，則整個空調系統運行能效比為：

(7)

計算出空調系統的運行需求能效比后，將其與同類型空調系統的能效參考限值進行對比，如果其能效比大于限值，則可判定該系統能效達到標準，否則判定為未達標，進一步對子系統的運行需求能效比進行判斷，為系統的下一步節能改造提供依據。

子系統的運行需求能效比的判斷通式：

(8)

式中：三個分式依次代表能效高、能效正常、能效低；ODEERz為子系統的運行需求能效比；ODEERc為子系統或空調設備的運行需求能效比參考限值。

2 能效指標限值

2.1 除濕機的指標限值

根據人防工程節能規范，除濕機的制冷性能系數標準，如表1所示。

表1 除濕機制冷性能系數標準Tab.1 Standard of refrigerating coefficient of performance for dehumidification mechanism

結合式(2)可得除濕機的運行需求能效比ODEERATD參考限值，如表2所示。

表2 除濕機運行需求能效比參考限值Tab.2 Reference limit of operating-demand energy efficiency ratio of dehumidifier

2.2 風系統的指標限值

根據人防工程節能規范可知風機單位風量功率WS，如表3所示。

(9)

式中：P為風機的功率，W;G為風機的風量，m3/h。由式(3)和(9)聯立可得風系統運行需求能效比參考限值，如表4所示。

表3 單位風量功率的參考限值Tab.3 Reference limit value of unit air volume power consumption

表4 風系統運行需求能效比參考限值Tab.4 Reference limit of operating-demand energy efficiency ratio of wind system

2.3 冷卻水系統的指標限值

由標準[14]可知，冷卻水輸送系數(WTFCW)全年累計工況的限值為25，典型工況的限值為30：

(10)

式中：QCW為冷卻水輸送的熱量，kW·h；Ncp為冷卻水泵的耗電量，kW·h。參考標準[15]可知，冷卻塔的風機耗電比α≤0.035 kW/(m3/h)：

(11)

式中：cw為水的比熱容，kJ/(kg·℃)；ρw為水的密度，kg/m3；Δtw為冷卻水的供回水溫差，℃，典型工況時取5 ℃，全年累計工況時取4 ℃。

由于冷卻水系統輸送的熱量QCW為空調系統在Δτ時間內的總制冷量加上系統中所有除濕機的耗電量，聯立式(10)和式(11)可得冷卻水系統的運行需求能效比：

(12)

計算得到冷卻水系統的運行需求能效比參考限值，如表5所示。

2.4 末端設備的指標限值

由標準[14]和文獻[16]可知末端設備運行需求能效比參考限值，如表6所示。

表5 冷卻水系統運行需求能效比參考限值Tab.5 Reference limit of operating-demand energy efficiency ratio of cooling water system

表6 末端設備運行需求能效比參考限值Tab.6 Reference limit of operating-demand energy efficiency ratio of terminal equipment

3 實例分析

3.1 工程概況

該工程為夏熱冬冷地區某小型深埋地下工程，空調區域的長l=52.2 m，寬b=10.8 m，高h=5.5 m，拱高f=3.2 m，其它熱物性參數如表7所示。

表7 熱物性參數Tab.7 Thermal physical parameters

夏季室外設計參數為干球溫度為35 ℃，相對濕度為60.1%；室內設計溫度為26 ℃，相對濕度為60%；設計人數為50人，每人新風量標準為30 m3/h，照明功率密度為15 W/m2，設備功率密度為20 W/m2?？照{系統采用雙管制定風量全空氣系統，主要設備參數如表8所示。

3.2 系統能效分析

對該工程空調系統6、7、8三個月份的總運行能耗和除濕機、風系統及冷卻水系統的能耗進行分項統計，結果如表9所示。其中7月份在工程內部進行了測試，期間空調系統處于滿負荷運行模式，而6、8月份為日常維護期，空調系統處于部分負荷運行模式。

表8 系統主要設備參數Tab.8 Main equipment parameters of the system

表9 某小型地下工程空調系統的累計運行能耗Tab.9 Cumulative operating energy consumption of air-conditioning system

圖4 某小型地下工程空調系統逐時冷負荷模擬值Fig.4 Hourly cooling load simulation of air-conditioning system

為計算該系統的運行需求能效比，采用正演模擬法模擬出該工程6～8月的逐時冷負荷，結果如圖4所示。

由圖4計算可知，該工程6～8月的總冷負荷為20 053.9 kW·h，其中7月份工程總冷負荷為17 025.4 kW·h，而6、8月份總冷負荷為3 028.5 kW·h。結合表9系統的運行能耗即可計算出該空調系統及各子系統的運行需求能效比，如表10所示。

表10 空調系統及各子系統的運行需求能效比Tab.10 Operating-demand energy efficiency ratio of air-conditioning system and subsystems

由表10可知，該工程空調系統夏季運行能效處于正常水平，但不同運行時期的能效差別較大，滿負荷運行時期的能效比超出參考值21.1%，屬于高能效范圍；而部分負荷運行時期的能效比僅為參考限值的53.7%，處于較低的能效水平，因此需要對該空調系統進行節能改造。同樣的系統，處于不同的運行模式時其能效水平差別很大，產生這一現象的原因在于此空調系統是針對工程滿負荷運行時期的負荷進行設計的，當工程處于部分負荷運行時期時，其內部負荷僅約為滿負荷時的10%，導致系統設備工作在能效較低的低負荷區。

計算出空調系統及其子系統的逐日能效比如圖5所示。由圖5可知，6月中上旬，空調系統及其子系統的運行需求能效比始終處于較低水平；在整個計算周期內風系統和冷卻水系統的能效水平波動幅度較大，具有很大的節能改造空間。

圖5 空調系統及其子系統逐日運行需求能效比Fig.5 Daily operating-demand energy efficiency ratio of air-conditioning system and its subsystems

3.3 系統改造方案

分析空調系統及其子系統的運行能效可知，該系統的除濕機組能效基本滿足參考限值的要求，而風系統和冷卻水系統的能效在部分負荷運行期始終處于較低水平，因此對系統的節能改造主要針對這兩方面。改造措施為：對風機采取變頻控制方式，根據人員數量和工程負荷來調節新風機和送風機風量，降低風系統能耗；對管網較復雜且輸送距離較遠的風系統，采用分布式動力系統[17]或風機串聯的方式，使風機處于高效運行區；對冷卻水系統則要進行水泵的更換，采取變頻控制方式，并保證冷卻塔周圍良好的通風環境。

3.4 改造后運行能效對比

改造后工程在第二年6～8月期間的能耗如表11所示。

表11 改造后空調系統的運行能耗Tab.11 Operating energy consumption of air-conditioning system after retrofit

通過模擬計算得工程冷負荷為22 206.9 kW·h，其中7月份工程總冷負荷為19 002.6 kW·h，6、8月份工程總冷負荷為3 204.3 kW·h。結合表11中系統能耗可計算出改造后空調系統及其子系統的運行需求能效比，如表12所示。

表12 改造后空調系統及子系統運行需求能效比Tab.12 Operating-demand energy efficiency ratio of air-conditioning system and subsystems after retrofit

對比改造前后空調系統的能效比可以發現空調系統能效提高了18.9%，超過參考限值21.2%，達到了高能效的水平；對于風系統和冷卻水系統而言，其能效比雖有所提高，但始終沒有達到限定值，尤其冷卻水系統，其能效比僅為限定值的30.6%～56.2%，因此需要更改空調系統形式或采取其他措施進一步提高空調系統的能效。

4 結論

1)對空調系統的能效評價是進行空調系統設計和節能運行管理的基礎，本文針對地下工程的特點，提出運行需求能效比這一評價指標，給出定義和計算方法，建立了地下工程空調系統從整體到局部的能效評價方法，用以評價不同空調系統和運行模式的優劣。

2)選取夏熱冬冷地區某小型地下工程為實例，對空調系統6、7、8三個月份的能效進行評價。結果表明：該系統能效在整個夏季處于正常水平，但不同運行模式的能效差別較大，部分負荷運行期空調系統的能效僅為滿負荷運行時的44.3%，因此需要對該系統進行節能改造。改造后系統總能效提高了18.9%，但風系統和冷卻水系統的能效始終未達到限定值，尤其冷卻水系統，其能效比僅為限定值的30.6%～56.2%，需要進行設備的更換和空調系統形式的調整。

3)從理論分析和實例應用兩方面驗證了空調系統運行需求能效比這一評價指標的可行性和合理性，表明該評價指標能夠為空調系統的設計提供有效指導，對既有工程空調系統的節能改造提供科學依據。