利用免費供冷滿足非供冷季室內熱舒適性需求

王文靜

奧雅納工程咨詢（上海）有限公司

隨著人們對舒適性空調需求的增加，建筑空調能耗的用量大幅度增加，為提高能源的利用率，在負荷集中的地方有較多在建的能源中心。基于上海某商業項目的地理位置及用能條件，需按限定要求就近利用能源中心供能，并對自建及備用冷熱源有一定的限制條件。在建能源站預計供能運行工況為兩管制供能，每年進行兩次冷熱切換。由于商業項目在非供冷季節（包括供熱季、切換期）往往存在內區供冷的需求，為保證在此期間內商業的基本舒適性要求，對非供冷季節室內熱舒適狀況進行分析，并提出解決方案。

1 研究背景

1.1 建筑概況及基本信息

該項目位于上海的某區域的核心地帶，是商墅形式的商業建筑，總建筑面積50,367 m2，地上五層，地上部分建筑面積為28,693.1 m2。地下2 層，建筑面積為21,674 m2，地下一層為商業及后勤、設備用房，地下二層為車庫及設備用房。計劃采用區域能源中心集中供能，能源中心兩管制，運行的工況及供能時間具體如表1 所示：

表1 能源站運行工況

1.2 空調冷熱負荷及熱舒適

表2 負荷計算參數條件

表3 商業區逐月空調冷負荷

圖1 建筑模擬所搭建的三維圖

2 非供冷季的免費冷源的選擇及分析

2.1 免費冷源的選取

在能源中心非供冷季節，根據項目對自建冷熱源的限制，優先考慮不增加額外冷源的方案，因此可考慮免費供冷的方式來獲得冷源：

1）設置冷卻塔在冬季實施免費供冷，其優點是初投資較低，對建筑內部布局影響小。缺點是供冷效果受外界氣候條件影響，通常要在室外空氣濕球溫度降至5 ℃以下[1]，才能充分發揮其使用效果。以上海的氣象參數看，只能在12 月～2 月間適合的氣候下使用，此外在這個時間段內運行時，容易在冷卻塔排風處形成白霧，對建筑美觀性和環境造成不良影響。根據本項目建筑造型情況，本方案不適用。

2）利用室外低溫新風來抵消室內冷負荷，其優點是直接將冷風送入空調區，沒有中間過程，節能效果明顯，初投資少，實施簡單。缺點是需要增大外墻新風百葉和室內風管井面積，對建筑立面和室內使用面積有一定影響，所以需要在加大新風量與建筑布局限制之間權衡比較。此外，還需要考慮下述問題：①較低的室外新風直接引入室內，如果溫度太低，舒適感較差，且容易引起結露問題。②新風溫度較低的情況下，難以滿足室內濕度的需求。③新風溫度隨室外條件變化，如新風溫度過高，則不足負擔室內冷負荷。

因此，需要結合上述問題，研究在保證舒適性的情況下新風量的選取和計算。

2.2 非供冷期室內舒適區

關于熱舒適的探討主要基于Fanger 的PMV-PPD模型，依據為《ASHRAE Standard 55 (2007),Thermal Environmental Conditions for Human Occupancy》和《GB 50736-2012 民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》。PMV 是預計平均熱感覺指標，PPD 是預計不滿意率。GB 50736-2012 標準將熱舒適等級劃分為兩級，I 級 為-0.5 ≤PMV ≤0.5、PPD ≤10%。II 級 為-1 ≤PMV＜-0.5 或0.5＜PMV≤1、PPD≤20%。本章節的討論，也是基于熱舒適等級I 級計算展開的。

表4 非供冷期各業態的舒適區間

根據能源中心的運行時間，非供冷期主要是冬季和過渡季節，經計算在此期間圍護結構熱負荷≤20 W/m2，而室內燈光，設備及人員的內冷負荷為40～95 W/m2，即散熱量小于發熱量，所以在此期間主要考慮的是室內余熱的消除問題。考慮到冬季內外分區，外區供熱需達到20 ℃，內區需消除余熱。為了減少新風承擔的內熱負荷和新風量，考率在保證熱舒適的條件下，適當提高內區的溫度。在保證室內人員I 級舒適度的前提下，即控制-0.5≤PMV≤0.5,PPD≤10%時，反推內區可以接受的最高溫度。由表4 可知，商鋪和餐飲的內區不必與外區保持同樣的設計溫度，可以適當提高室內溫度及室內外焓差。基于表4 的推算參數，進行新風供冷量及新風量的計算。

2.3 新風供冷的基本原理和供冷量計算

當室外新風焓值低于室內設計工況的焓值時，可利用新風與室內空氣狀態點的差值，提供冷量。工程中也有只考慮室內的顯熱冷負荷，當室外新風溫度低于室內溫度即可利用室外溫度供冷[2]。本文采用焓差進行新風供冷計算。

為方便討論，將新風折算到單位面積的新風量。在非供冷期間，圍護結構負荷較小，因此僅考慮采用新風處理建筑內區的內熱負荷。新風可消除的余熱量計算方法如下：

“海豚運動”，顧名思義，大致就是指像海豚那樣一上一下、左右搖擺的游泳方式。專業解釋則是指艦艇在靜水中航行時，隨著速度的增加，自身可能出現的一種周期性的、有界的、垂直平面內的運動，是一種垂蕩和縱搖的耦合運動。即便是輕微的“海豚運動”，都有可能造成災難性的后果。

式中：Q1為圍護結構負荷，W/m2；Q2為內熱，包括燈光、設備、人員，W/m2；Q3為新風可抵消的室內余熱，W/m2；V1為單位面積的設計新風量，m3/(m2·h)；P 為人員密度，m2/p；V2為設計新風量，m3/(p·h)；ΔH 為非供冷季節室內外空氣焓差，kJ/kg；R 為新風抵消圍護結構負荷后可滿足面積的比例。

R 值越大，表示新風冷量可以滿足的面積越大。因商業全年運行，因此商業應滿足R 值大于100%。

2.4 冬季熱舒適狀況分析

根據《上海市公共建筑節能設計標準》4.3.4 要求：除塔樓外，全空氣系統的最大總新風比應不低于50%。服務于人員密集的大空間和全年具有供冷需求的區域的全空氣定風量或變風量空調系統，可達到的最大新風比宜不低于70%。

本方案中不考慮采用PAU 作為加大新風量的一部分，是因為不同商戶共用一臺PAU，加大新風量供應無法滿足不同商戶的內熱變化率。此外，由于一臺PAU 同時服務內外區，直接將低溫新風送入內外區難以同時滿足負荷需求。因此，在考慮加大新風量的時候，就不將大系統新風加入分析計算中。

綜合以上考慮，取加大新風量為設計新風量的5～7 倍。冬季外區需要供熱，因此采用新風量降溫時主要考慮的是消除內區余熱。表4 的內區設計參數，商鋪和餐飲的室內設計焓值分別為40.9 kJ/kg 和43 kJ/kg。根據上海典型年氣象參數，為保證在空調運行期間當室內保證小時率不低于90%時，室外焓值要求小于36.6 kJ/kg，此時所需的新風量可由Q=ΔH·m計算得到，如表5。

表5 單位面積業態下的計算結果

2.5 切換期熱舒適狀況分析

室外氣象文件采用TMY（典型氣象年）文件，其月平均干球溫度最接近該時間段內當月平均干球溫度，因此對上海的長期氣候特征具有一定的代表性。根據表5 內的計算冬季所需的新風量，核算該加大風量是否能滿足過渡季節商鋪及餐飲所需的風量，故商鋪取6.4 倍設計新風量、餐飲取3.7 倍。由式（1）～（3）可得圖2、圖3：

圖2 冷熱源切換期新風可滿足商鋪制冷要求的面積比例

由圖2～3 可知，11 月商鋪和餐飲可以保證用戶的舒適性要求。但在4 月26 日-4 月30 日期間，切換期室外新風的焓值接近甚至大于室內焓值，則新風無法起到降溫的作用，無法滿足舒適度的需求室外焓值較高。因為商鋪及餐飲無其它冷源，因此可考慮采取以下策略：提前切換期，在室內外焓差較大、室外新風可抵消室內預熱的時間進行切換。根據圖2～3 可知，11月份的免費新風量遠大于實際所需的供冷量。根據表5 的計算方法，反算11 月商鋪和餐飲于切換期所需的新風量分別為18.75 m3/(m2·h)、24 m3/(m2·h)，即新風量的放大倍數分別為2.5 倍、2 倍。

圖3 冷熱源切換期新風可滿足餐飲制冷要求的面積比例

圖4 4 月15 日～4 月30 日使用新風可以滿足制冷要求的面積比例

從圖4 可知，若將切換日期提前到21～25 日，則大部分時間內新風均可抵消室內余熱，保證用戶的基本舒適性要求。因此建議適當提前冷熱源切換時間，這也是和天氣狀況吻合的。

本次分析所選氣象參數是典型年氣象數據，建議能源中心根據當年氣象情況調整切換期時間。

3 結論

1）在4 月份的冷熱源切換期，由于室外新風的焓值接近甚至大于室內焓值，采用加大新風量的方法難以達到理想的制冷效果。因此建議4 月份冷熱源切換時間提前到25 日前，并根據當年氣象情況調整切換期時間。

2）在11 月份的冷熱源切換期，辦公區域按設計新風量4 m3/(m2·h)，商鋪和餐飲新風量分別為18.75 m3/(m2·h)、24 m3/(m2·h)，可以保證用戶基本舒適性要求。

3）為保證商鋪和餐飲在切換期和非供冷季節進/排風所需的新風量，建議商鋪百葉（風井）面積為0.026 m2/m2（0.004 m2/m2），餐飲百葉（風井）面積為0.024 m2/m2（0.004 m2/m2）。

4）新風免費供冷于商業項目中的應用，對于建筑為商墅形式的布局特別適用。特別在目前疫情爆發及未來常態化的格局下，商業內加大新風量的系統考慮可能會成為未來的主要發展方向。