辐射供冷系统的节能性分析

彭鹏

(天津大学建筑设计规划研究总院，天津 300073）

1 引言

辐射供冷+独立新风系统是一种节能、舒适的空调方式。这种空调系统中，独立新风和冷却顶板是两个平行的子系统，独立新风系统用来解决通风换气问题，承担新风负荷、湿负荷及部分显热负荷，剩余的显热负荷则由冷却顶板来承担。这两种技术系统的结合也是温湿度分离控制技术的一个具体体现，相关的工程热力学分析已经说明了它们的节能效果[1]。

本文结合中国华北地区典型气候特点，采用温频法，以某一办公建筑为例，计算讨论辐射供冷+独立新风系统空调期间能耗量，通过与常规空调系统（风机盘管+.新风）能耗的比对，定量分析辐射供冷系统在中国华北地区应用的节能效果。

2 能耗计算方法

温频法（B I N方法）是一种简化的建筑能耗计算方法，其首先根据某地气象数据，统计出一定温度间隔的温度段各自出现的小时数。然后分别计算在不同温度频段下的建筑能耗，并将计算结果乘以各频段的小时数，相加便可得到全年的能耗量。

B I N方法假设围护结构负荷（包括日射及温差负荷）可变换成室外气温的线性关系。取温度段的中间温度（平均温度）作为代表温度，该温度段内温度出现的小时数就是代表温度出现的小时数，用代表温度计算出负荷乘以频数是该温度段的能耗。

B I N方法中，新风的潜热负荷与室外空气含湿量存在线性关系，含湿量取决于该频段的中点温度和平均湿球温度（对应的各小时湿球温度的平均值）。

辐射供冷+独立新风系统实现了温湿度的独立控制，总的能耗应分两部分进行计算，包括冷却顶板系统和独立新风系统。系统的这种特点决定了温频法的适用性，原因如下：

（1）温频法中室内负荷的计算对应于冷却顶板系统所承担的显热负荷。而且由于能耗是分频段进行计算的，所以考虑了空调系统设备的部分负荷性能。

（2）新风负荷计算对应于独立新风系统能耗。

但是由于独立新风系统承担室内潜热负荷，在室内人员变动不大的情况下，可以认为室内潜热负荷和新风量是一定的。这样，送风状态点是一定的。因此，新风负荷只取决于室外空气的逐时气象参数，与室外温度无关。而且B I N方法中某一频段含湿量的计算，是依据该频段中点的干球温度及对应的湿球温度的平均值得出的，它没有体现出负荷受温、湿度同时作用的变化。因此，用温频法计算的新风能耗结果会偏离实际情况的结果。

3 天津市B I N气象参数分析

根据天津地区典型气象年的逐时参数报表，以2℃温差作为一个温频段，得到天津地区空调期B I N气象参数[2-4]。空调机组冬夏季8:00-18:00运行，其B I N气象参数见表1。

4 辐射供冷系统能耗计算

4.1 建筑模型

本文以天津地区某一虚拟办公建筑（20×15×3m）为研究对象，取夏季室内温度27℃，相对湿度50%，冬季温度20℃，相对湿度50%。在此办公楼内每层平均35人，四层共140人工作。每人新风量30m3/h。总建筑面积1200m2。工作时间8：00—18：00，空调期内室内保持正压，可不计算渗透负荷。照明设备负荷按18W/m2，工作时间使用，同时使用系数0.5。

图2 辐射供冷系统的系统形式

4.2 辐射供冷系统模型建立

辐射供冷系统的系统形式见图2

该系统的特点是新风机组冷冻水供水与冷却吊顶冷冻水供水由独立运行的两个冷水机组分别供给。冷却吊顶要求的供水温度较高，一般在16℃左右，如果制冷机直接制备这样较高温度的冷冻水，相应地可提高制冷机组的蒸发温度，改善制冷机的性能系数，进而降低其能耗。冷却顶板冷冻水大水流量通常采用二级泵系统来实现。在过渡季节使用深井水作为冷源是可行的。

图3 辐射供冷系统的新风处理过程

图3为辐射供冷系统的新风处理过程，新风应承担室内的全部的湿负荷，部分或全部的显热负荷。独立新风系统通常可以由全热交换器、深冷盘管、显热交换器和送回风机等组成。

4.3 能耗计算

空调制冷系统能耗的计算包括制冷机组、新风机组、水泵和风机、末端设备等。求出不同温频段设备能耗量，乘以该温频段的时间，就可以大致求出设备的总能耗量。所有的设备耗能量应统一归为耗电量。

4.3.1 新风机组能耗计算

图3中N点和W点已知，利用公式（9），可以确定新风机组的机器露点d o，与90%相对湿度线相交，就可确定L点。

式中：dN-室内空气含湿量，k g/k g

do-新风机组的机器露点含湿量k g/k g

Qq-室内潜热负荷，kW

Gx-新风量，k g/s

tn-室内温度，℃

（2500-2.3468t n）-室内温度t n下水蒸气的汽化潜热，k J/k g这样新风机组能耗为Q新=G x（tW-tL）

用温频法进行新风机组能耗计算的过程见表2。

4.3.2 冷却吊顶能耗计算

新风承担的室内显热量Qxx=1.01Gx（tN-tL）

冷却顶板的显热量Q l x=Q x-Q x x

然后分别计算在不同温度频段下的能耗量及总能耗量。

由负荷计算结果得：

夏季室内显热负荷为2.561t-12.754；

冬季室内显热负荷为2.561t-39.35。

冷却吊顶的能耗计算过程见表3。

4.3.3 设备选型及耗电量计算

设备的选型应根据天津室外干湿球计算温度进行计算，干球温度33.4℃，湿球温度26.9℃，分别计算得出冷却吊顶和新风机组的制冷量，选择新风机组、冷水机组、冷却塔、水泵和风机等设备，获得各设备的输入功率。

设备能耗计算如下：

风机、水泵的电机功率

图4 各分项设备耗电量饼图

式中E—冷水机组全年总能耗，kW;

Q—冷水机组年制冷量，kW；冷水机组年制冷量Q用空调假想负荷乘以1.2得到；

COP—冷水机组性能系数，kW/kW。

其他设备的功率可以根据其电功率乘以时间进行计算。

具体计算见表4。

5 常规空调系统能耗计算

5.1 常规空调系统模型

新风与风机盘管的空气处理过程及送风 (风机盘管送风和新风）在室内的状态变化过程在h-d图上的表示，如图4所示。新风处理到室内空气的焓值，而风机盘管承担室内人员、设备冷负荷和建筑围护结构冷负荷。

式中：N-电机功率，kW

K-富裕值

P-全压，Pa

Q-风量、水量，m 3/s

m-效率

空调设备中冷水机组全年总能耗计算公式如下:

图5 风机盘管+新风系统空气处理过程

5.2 能耗计算

（1）能耗计算

如图4中，室内状态点N，L点和室内状态点N焓值相同，O点为送风状态点，按室外温度33℃时计算室内余热量、余湿量、热湿比线，选定送风温差8℃，可以确定O点，连接LO，与90%相对湿度线交于F点，所有状态点就可以确定下来。

同样可计算出各温频段风机盘管的能耗量及总能耗量。

冷水机组的能耗计算见表5。

由逐时法计算得新风机组的能耗量为11175.33kWh

（2）设备选型及耗电量计算

同理，风机盘管+新风系统的设备选型也应该根据室外干湿球温度进行。

由式（2）和（3）分别计算新风机组、冷却水泵、冷冻水泵、风机盘管冷水机组和冷却塔等设备的耗电量，相加即得总耗电量。

耗电量计算见表6。

经计算，此系统的总耗电量Q 1=27241.1K Wh

6 能耗结果比较与分析

根据以上计算结果，冷却顶板+独立新风系统比风机盘管+新风系统节能，节能率为10.8%

同时，由饼示图4及图6得，辐射供冷系统与常规空调系统相比，风机水泵能耗所占的比例较大，而冷水机组所占比例较小。这主要是因为，冷却顶板的冷冻水供回水温差一般为2-3℃，比常规空调供回水温差（5℃）小，导致冷冻水流量较大；而由于冷却顶板冷冻水供水温度高，提高了冷水机组的性能系数，从而使机组能耗降低。

图6 各分项设备耗电饼图

7 结论

根据以上计算过程，可以得出以下结论：

（1）通过两种方法对新风负荷的计算，温频法的计算结果比逐时法偏小，原因是温频法对湿球温度进行了平均，使得湿球温度偏小，但是这种方法简化了建筑负荷的计算过程，可以对部分负荷进行模拟，对我们研究建筑能耗及节能工作很有帮助。

（2）辐射供冷系统比常规空调系统（风机盘管+新风）节能

（3）辐射供冷系统比常规空调系统（风机盘管+新风）空调季节耗电量节省10.8%。虽然只是对空调季节的节能效果进行了比较，不过对于华北地区来说，冷负荷相对于热负荷较大，节省冷负荷就可以实现节能的目的。

[1]江亿等.温湿度独立控制.中国建筑工业出版社.2004.

[2]龙惟定.用B I N参数作建筑物能耗分析[J].建筑技术通讯.1992，(2）:6-9.

[3]苏芬仙.苏华.B I N法能耗计算中频数间隔分析及选用[J].低温建筑技术.2001，(3）:56-58.

[4]龙惟定.上海地区的B I N气象参数[J].制冷技术.1990，(4）:1-3.

无能源日