基于熱濕分區的全空氣空調系統變新風量節能分析

谷 偉 彭章娥

上海應用技術大學城市建設與安全工程學院

0 引言

近年來，隨著公共建筑的大量增加，全空氣空調系統[1]的使用越來越廣泛，建筑能耗也不斷增加。國內外學者對現有公共建筑全空氣空調系統的能耗和運行管理進行了大量的統計分析，并提出了許多節能措施，例如：空調冷熱源處對冷（熱）負荷的確定，冷熱水機組的選擇、匹配方面進行節能分析，建筑墻體、造型對負荷的影響及對“水系統”與“風系統”的運行節能。本文基于對全空氣系統中定（變）新風量運行的系統能耗進行分析，提出一種有效的節能方案。

1 當前全空氣空調系統存在的能耗問題分析

1.1 冷熱源設備的選用

冷熱源設備的選擇由于沒有充分考慮房間負荷的特性和設備的運行特性，目前，較多建筑物的冷/熱源設備無法滿負荷運轉，即使在極端天氣時，仍有機組不運轉的情況發生。其主要原因為設計人員使用較大估算的冷（熱）負荷作為空調負荷，從而使總的降溫負荷過大，導致設備、管道直徑以及泵和風機的選擇設計負載過小，室溫無法滿足設計需要。需要添加單元式空調以滿足所需室溫，由此導致能量浪費。

1.2 全空氣系統中的風系統分析

當前，國內全空氣空調系統[2]的形式主要有風機盤管+新風系統及全空氣空調系統兩種形式。全空氣空調系統可利用在非空調區空氣焓值低于室內設計焓值時，充分利用非空調區新風冷源進行節能運行。

在實際運行中因未考慮對全空氣空調系統的全年節能運行調節，致使新風管截面積過小，以及新風與風機盤管未采用連鎖控制，導致在風機盤管關閉時新風系統仍處于運行狀態，造成能量浪費。風量的不平衡是系統在運行調試時未進行合適的新風分配，由此使房間氣流組織不合理、溫度場不平衡率較大等。

1.3 全空氣系統中水系統的分析

水系統大多使用定水量[3]系統，該系統是按照最大冷負荷設計，供回水溫差一般在5℃。對于全年運行而言，出現最大負荷的時間極少即：全空氣空調系統長期在部分負荷下運行，伴隨小溫差大流量[4]的問題。

近年來許多研究表明，加大供-回水溫差能較大地改良系統的節能率，但由此導致傳熱效率下降，帶來了附加能耗。因此，需要對具體的過程措施進行有針對性的經濟技術分析確定最終的實施方案。

1.4 全空氣系統運行管理

目前的空調自動控制系統在全空氣空調系統中使用較少。其中，大多數仍為手動操作，從而導致操作參數的滯后和能量的浪費。

同時，機組水側的結垢對全空氣空調系統也有很大影響，如增加了能耗。

2 全空氣系統中變新風量節能系統的研究

非空調區空氣處于溫度、太陽輻射強度、濕度等不確定的狀態。對于全空氣空調系統，非空調區的新風有降溫、干燥和改良室內的空氣品質的能力，在全空氣空調系統運行時應充分利用這些能力以節約能量[5]。

2.1 變新風量節能原理

在全空氣空調系統全年運行過程中有兩個節能途徑：一是在過渡季節運用非空調區低溫的新風作為系統的“冷源”為熱區提供冷量，從而節約能源；二是當非空調區新風的絕對濕度低于室內濕度需要的絕對濕度時，利用調節新風量的方法使新回風混合后的送風絕對濕度滿足需要，這種方式不需要通過換熱器進行降溫除濕達到室內濕度，降低了冷凍水供水溫度與流量，具有較高的節能意義。

本文推薦的主要設計方案如下：

1）在制冷機組制冷模式運行時，當室內空氣的焓值大于非空調區空氣焓值且送風絕對濕度小于非空調區空氣絕對濕度時，利用全新風運行。

2）當新風絕對濕度低于送風絕對濕度時，對新回風比例進行調節，使送風的相對濕度達到允許的范圍，然后將混風直接降溫至送風狀態點。既節約了換熱器將非空調區空氣降溫至露點的冷量，又節約了再熱量，避免了冷熱抵消情況，降低了系統能耗。

3）當新風焓值高于送風焓值時，通過調節新回風比將新風作為部分熱源提供再熱量。在運行時按照最低新風量混合的方法，先調節至空氣的機器露點再與非空調區新風混合繼而調節至送風狀態進行送風。

2.2 全年運行分區

在全空氣空調系統運行過程中，室內冷熱負荷與非空調區空氣狀態不同，為使全空氣空調系統全年的熱濕調節工況處于最佳狀態，便于分析調節，需要對全空氣空調系統運行過程進行多工況分區[6]。

2.2.1 分區依據

1）在滿足用戶需求的前提下，避免冷熱抵消情況。

2）在冬、夏季，使用用戶區回風，且需要保證最低新風需要。

3）在冷熱調節過程中利用非空調區自然能源。

4）在過渡季節，利用非空調區新風。少開啟制冷機組，通過其他方式如加濕區調節空氣。

2.2.2 分區方案

在2-1圖上，全年可能出現非空調區空氣狀態在某一曲線與相對濕度為100%飽和線所包含的范圍內，除個別工藝性空調外，夏季與冬季的室內溫濕度需要是不同的。例如，夏季Tn=27℃，冬季Tn=20℃，相對濕度允許在45%～65%范圍內。因此全年允許的室內狀態點也為特定范圍，如圖2-1中N1-N2范圍。

圖2-1

圖2-1中，O1、O2分別為冬夏季送風狀態點，M點在N1O1的延長線上，且N1O1/N1M為最低新風比，iM、iO1、iO2、iN2與氣象包絡線交匯于a、b、c、d 點；iN2、dO2、do1、dM線與相對濕度Ф=100%交匯于f、g、h、i點；dO2與iN2線交匯于K點，這些等焓線與等絕對濕度線以及O1、O2、O1M把非空調區氣象范圍劃分為八個范圍，見表2-1，各分區空氣調節方式見表2-2。

表2-1全年運行工況分區范圍

表2-2各分區空氣調節方式

空調調節分析：

1）非空調區空氣狀態點W預熱至W1，再與室內回風N1按最低新風比混合至，再絕熱加濕至送風狀態點。

2）調節新回風混合比，使混合點落在io1線上，然后絕熱加濕至送風狀態。

3）調節新回風混合比，使混合點落在do1線上，然后加熱至送風狀態。

IV、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ．使用全新風，直接調節至送風狀態點。

Ⅷ．按最低新風比使新回風混合至C點，然后降溫至送風狀態點。

由于室內空氣狀態是不確定的[7]，因而實際的分區圖也不確定。為了對比分析定新風量與變新風量的能耗，建立了一個房間模型并對其進行負荷模擬，得出全年的送風參數，根據不同的送風狀態點找對應的分區圖2-1，根據各分區的最佳運行工況，進行能耗模擬計算，分析節能效果。

3 房間模型的建立

3.1 房間結構

所選房間位于南京的一個4 m×4 m×3．5 m的臥室，該模型房間的平面圖見圖3-1。

圖3-1 房間示意圖

3.2 圍護結構

外墻：24磚墻_1、重砂漿黏土240mm、石灰砂漿20 mm。導熱熱阻0．324 kW/（m2·k）、熱惰性指標3．085。

屋頂：玻璃棉氈保溫屋面、水泥砂漿25 mm、多孔混凝土195 mm、鋼筋混凝土125、水泥砂漿20 mm；傳熱系數0．834 kW（m2·k）。

窗戶：普通6mm單層玻璃，窗墻比默認0．5、無內遮陽。

門：單層實體木制外門24．3 mm、導熱系數0．340 kW（m2·k）。

3.3 人員、設備和燈光負荷

燈光、設備和人員的熱負荷均按系統默認值。

3.4 作息模式

工作時間為8：00-20:00。但考慮到開機運行時間，需提前一個小時開機；則平均每天運行14 h，全年運行5 110 h。

3.5 房間空調參數

夏季室內空調溫度25℃，相對濕度55%。冬季為20℃，相對濕度為40%。

3.6 空調模式

按照全空氣定風量系統，選用組合式空調機組，最低新風量取15%。

4 負荷模擬

4.1 非空調區氣象參數

由Open-Studio模擬生成的南京地區全年非空調區氣象參數，具體數據如圖4-1和圖4-2所示。

圖4-1 非空調區空氣干球溫度

圖4-2 非空調區空氣絕對濕度

4.2 負荷模擬

根據建立的房間模型，利用Open-Studio能耗模擬軟件計算出全年熱濕負荷。其變化如圖4-3和圖4-4所示。

圖4-3 冷熱負荷

圖4-4 濕負荷

分析圖4-3和圖4-4可知，冷負荷出現在5月的中上旬，結束于11月上旬，并在7月和8月份達到最大值；濕負荷主要集中出現在10月初至次年6月底，在6月中旬至十月初沒有濕負荷。

4.3 空調能耗分析

根據Open-Studio模擬得出定風量固定新風比全空氣空調機組的能耗，如圖4-5、4-6所示。

圖4-5 定新風量全空氣空調系統冷熱負荷

圖4-6 定風量全空氣空調系統濕負荷

4.4 變新風比負荷計算

對本房間按照上述分區按照變新風比進行空調負荷模擬，并與定風量系統進行對比。

4.4.1 新風比變化

根據定風量全空氣空調系統的房間計算出逐時送風狀態點，查出其在圖2-1中所屬范圍，根據表2-2的各區最佳運行工況進行計算，得出新風比。

1）送風狀態點的計算

由于定風量系統的總風量不變，在房間負荷變化時主要靠控制送風溫度承擔房間負荷，根據室內逐時熱濕負荷和室內焓值、絕對濕度根據公式4-1、4-2計算得出送風狀態點的焓值與絕對濕度，再查出圖1-1中送風狀態點的位置。

圖4-7 全年送風狀態點

2）根據圖4-7查出各送風狀態點所在的范圍，再根據表2-2的最佳運行工況，計算相應的新風比，如圖4-8所示。

圖4-8 變新風量系統新風比

4.4.2 變新風比全新風全空氣空調系統的能耗計算

利用Open-Studio對變新風比全空氣空調系統能耗進行模擬計算，計算結果如圖4-9、4-10所示。

圖4-9 變新風量系統冷熱負荷

圖4-10 變新風量系統濕負荷

4.5 調節新風比對系統節能性影響

根據圖4-11，并對比圖4-5與4-9、圖4-6與4-10，可知當新風比可調時，不盡全空氣空調系統熱 負 荷 從 4 625．11 降 至 2 981．13，冷 負 荷 從4 109．50 kW降至3 611．39 kW，系統的濕負荷也從223．05 kg降至91．34 kg也有明顯的降幅。因此，變新風比對于該定風量系統的節能效果十分明顯。

圖4-11 能耗對比

5 小結

本文分析了變新風比的節能性。并利用Open-Studio軟件模擬分析了位于南京的一個定風量系統的房間模型。通過模擬得出，4月中上旬至6月上旬、10月下旬至11月上旬是新風量利用潛力最高的時段，且在1月初至7月中旬、11月上旬至12月底時加濕量都明顯降低。當新風比可調時，全年的濕負荷、熱負荷、冷負荷均減少59．05%、35．54%和12．12%。可見，全空氣空調系統在變新風比運行時節能效果十分明顯。