上海某办公楼THIC空调系统节能效果分析

张智文，张启林，康丽艳，王彦禹

( 上海海事大学,上海 201306 )

上海某办公楼THIC空调系统节能效果分析

张智文，张启林，康丽艳，王彦禹

( 上海海事大学,上海 201306 )

[摘要]本文通过分析上海某办公楼THIC空调系统(温湿度独立控制空调系统)的能耗比例，指出对于THIC空调系统中处理显热的系统，因冷水机组随蒸发温度的提高使COP值提高而节能;对于THIC空调系统中处理潜热的系统，因溶液再生能耗有可能抵消甚至超过处理显热系统节约的能耗,从而会造成THIC系统相比于常规系统不节能的后果。

[关键词]THIC空调系统；新风处理；节能

1引言

THIC空调系统中，采用温度与湿度两套独立的空调控制系统，分别控制、调节室内的温度与湿度，从而避免了常规空调系统中热湿联合处理所带来的损失。由于温度、湿度采用独立的控制系统，可以满足不同房间热湿比不断变化的要求，克服了常规空调系统中难以同时满足温、湿度参数的要求，避免了室内湿度过高(或过低)的现象。

THIC空调系统的基本组成为：处理显热的系统与处理潜热的系统，两个系统独立调节分别控制室内的温度与湿度，参见图1。处理显热的系统包括：高温冷源、余热消除末端装置，采用水作为输送媒介。由于除湿的任务由处理潜热的系统承担，因而显热系统的冷水供水温度不再是常规冷凝除湿空调系统中的7℃，而是提高到18℃左右，从而为天然冷源的使用提供了条件，即使采用机械制冷方式，制冷机的性能系数也有大幅度的提高。余热消除末端装置可以采用辐射板、干式风机盘管等多种形式。此系统由新风处理机组、送风末端装置组成，采用新风作为能量输送的媒介。但THIC空调系统与目前常用的用冷冻除湿的风机盘管加新风系统或全空气系统相比就一定节能吗?本文就此问题进行探讨。

图1　THIC空调系统

2空调系统末端部分能耗分析

以上海地区某办公楼为例进行分析。该建筑标准层面积为2000m2，层高3.6m，标准层共20层,总面积为40000m2。每层有2个新风系统,各负担1000m2。室内设计温度为25℃,相对湿度为60%,且围护结构冷负荷指标为20W/m2，照明设备的冷负荷指标为31W/m2,人员密度为0.125人/m2。

其中1个空调系统承担的总热湿负荷如下:

围护结构冷负荷：20W/m2×1000m2=20kW；

照明冷负荷：31W/m2×1000m2=31kW；

人员冷负荷：0.125人/m2×1000m2×108W/人=13.5kW；

总冷负荷：64.5kW。

余湿为人员散湿量:

图2　风机盘管加新风处理过程

0.125人/m2×1000m2×61g/(人·h)=7.625 kg/h。

按每人不小于30m3/h的标准计算的最小新风量为:30m3/(人·h)×0.125人/m2×1000 m2=3750m3/h;按保持正压的要求计算的最小新风量为:1h-1×1 000m2×3.6m=3600m3/h。取二者大值,最小新风量为3750m3/h。

常规的风机盘管加新风系统的新风一般处理到室内设计点等焓线上(见图2,图2各状态点参数见表1),新风处理机组只负担新风的全部冷负荷和部分湿负荷,由风机盘管负担房间全部的余热余湿和部分新风湿负荷。由于风机盘管负担湿负荷,因此此空气处理过程称为湿式风机盘管处理过程(过程1c)，此时冷水供水温度为7℃。

新风耗冷量为:1.2 kg/m3×3750m3/h×(90.80 kJ/kg-55.54kJ/kg)/(3600s/h)=44.07 kW。

空调系统的总设计冷量为:

64.5kW+44.07kW=108.57kW。

按THIC空调系统功能的划分，新风处理机组负担新风自身和房间的全部湿负荷，同时也负担了部分房间显热负荷，末端负担剩余的房间显热负荷。图3中给出新风的3个处理过程(各状态点参数见表1)。

表1各状态点参数

温度/℃相对湿度/%比焓/(kJ/kg)含湿量/(g/kg)露点温度/℃室内点N25.060.0055.5411.9016.54室外点W34.090.8022.0026.40O1点34.030.6060.5010.2114.20O2点22.961.8748.1610.2114.20O3点16.090.0041.9810.2114.20O4点20.690.0055.5413.6918.80

表2各处理过程负荷分配

总冷量/kW新风耗冷量/kW新风耗冷量比例/%末端耗冷量/kW末端耗冷量比例/%W→O1108.5737.8734.770.7065.3W→O2108.5753.3048.955.2752.1W→O3108.5761.0256.047.5544.0W→O4108.5744.0740.464.5059.6

图3　除湿的3个处理过程

过程1：W→O1:等温溶液除湿过程,用冷却水带走空气中水蒸气凝结散出的热量；

过程2：W→O2:降温溶液除湿过程,用较高温度的冷水(17℃)；

过程3：W→O3:冷冻除湿过程,冷水温度7℃。

各处理过程负荷分配见表2。

显然过程1、2的新风耗冷量均小于过程3,但这并不说明过程1和2的系统总耗冷量就低于过程3。由于室内外设计参数都是相等的,因而系统总耗冷量是相等的。从表2中可以看出新风处理点不同,改变的只是新风系统和末端空调系统各自负担的耗冷量比例。

图4　干式风机盘管空气处理过程

3个过程的末端均采用干式风机盘管(干式风机盘管空气处理过程见图3),冷水供水温度为17℃。选型资料表明,电压缩冷水机组蒸发器出口的冷水温度变化1℃,冷水机组COP值变化3%。上例标准层总建筑面积40000m2,总冷量为97.8kW×2×20=3912 kW。按《公共建筑节能设计标准》(GB 50189-2005)规定,容量大于1163kW的离心式冷水机组在额定工况下的COP值不应低于5.1,当冷水供水温度为17℃时,其COP值增加为:5.1+5.1×3%×10=6.63,在冷量相同、其他条件都不变情况下,能耗增加比例为:5.1/6.63-1=-23.1%。

与风机盘管的冷水供水温度为7℃相比，末端部分因冷水机组COP值提高而能耗增加的比例见表3。显然过程1的能耗减少比例最高。

表3末端部分能耗增加比例

末端耗冷量/kW末端耗冷量比例/%末端耗冷量增加比例/%W→O170.7065.3-15.1W→O255.2752.1-12.0W→O347.5544.0-10.2

3空调系统新风部分能耗分析

温度相同时,盐水表面饱和空气层的水蒸气分压力低于水表面饱和空气层的水蒸气分压力,当空气中的水蒸气分压力大于盐水表面饱和空气层的水蒸气分压力时,空气中的水蒸气分子将向盐水转移,或者说被盐水吸收,这是盐水溶液吸湿的原理。

当溶液温度一定时，溶液浓度越高,盐水表面饱和空气层的水蒸气分压力越低,吸湿能力越强;当溶液浓度一定时,溶液温度越低,盐水表面饱和空气层的水蒸气分压力越低,吸湿能力越强;当盐水表面饱和空气层的水蒸气分压力一定时,溶液温度越低,溶液浓度越低。盐水溶液的每条浓度线都相当于h-d图上某一条相对湿度曲线。因此,要保证浓溶液的吸湿能力必须要保证溶液的温度变化在允许的范围内。

对于过程1来说,空气中的水蒸气向盐水转移过程中放出汽化潜热,这部分潜热必然使空气温度和溶液温度升高,溶液温度升高和溶液浓度降低使盐水表面饱和空气层的水蒸气分压力增大,溶液的吸湿能力减弱,因此利用冷却水排热以保持空气进出口温度不变和溶液温度上升在容许的范围内。由于冷却水供水温度一般在32℃左右,因此新风送风温度较高,新风部分负担的总耗冷量比例较少。过程1新风状态只有潜热变化没有显热变化,潜热完全由冷却水带走,不用电制冷机组提供任何冷量来处理新风,因此溶液除湿过程使能耗增加-34.7%,等于新风耗冷量占全部耗冷量的比例,再与末端部分的相加,总能耗增加-34.7%-16.5%=-18.2%。又由于溶液再生过程的也要消耗能源，溶液吸收了空气中的水蒸气,浓度下降,吸湿能力减弱,只有通过加热的方法,除去吸收的水分才能使吸湿能力恢复。过程1全部汽化潜热被冷却水带走了,还需要给溶液补充至少等量的热量才能使溶液中的水分蒸发。因此,过程1的加热量至少应等于新风耗冷量37.87 kW(见表2)。

如果溶液再生过程的加热和冷水机组所用的电力直接采用燃煤或燃气锅炉制备的蒸汽或热水所得,假设热电转换率按35%计算。每得到1 kW热量的燃料消耗量为1 kW热量除以燃料的发热值;而每得到1 kW冷量的燃料消耗量为1 kW冷量除以离心式冷水机组的COP值得到耗电量,再除以热电转换率和燃料的发热值的乘积,本例的离心式冷水机组在额定工况下的COP值为5.1,因此可以得出每得到1 kW冷量的燃料消耗是每得到1kW热量的56%(1/5.1/35%=56%),也就是说本例溶液再生过程每得到1kW热量要比冷水机组提供1kW冷量多消耗78.6%(1/56%-1=78.6%)的燃料,因此过程1的新风部分的能耗增加比例应为:-34.7%+34.7 %×78.6%=-7.43%,总能耗增加比例(见表4)为-7.43%-15.1%=-22.53%。这里忽略了溶液再生过程中锅炉的热效率比较,一般情况下发电厂锅炉的效率应高于普通热水锅炉。显然只有当冷水机组COP值低于2.86(1/35%=2.86)时,或者溶液再生过程使用的热源是发电以外65%的余热或工厂废热等其他廉价热源,溶液再生过程才节能。

由于过程2的汽化潜热与过程1相等,因此溶液再生过程能耗增加比例为34.7%×78.6%=27.27%。与过程1不同的是,溶液除湿过程中采用与末端部分供水温度相同的17℃冷水来排热，过程2的总能耗增加比例应为(见表4):14.17%-12.0%=2.17%,这种情况下，溶液再生能耗已超过冷水机组节约的能量。虽然过程2可以用一部分冷却水代替冷水，但由于送风温度比过程1低，冷却水排热的比例不会很大,节能比例的提高幅度也就不会很大。

表4空调系统各部分能耗增加比例

新风部分能耗增加比例/%末端部分能耗增加比例/%总能耗增加比例/%W→O1-7.43-15.1-22.53W→O214.17-12.02.17W→O30-11.211.2

过程3新风部分采用7℃的冷水除湿,这部分没有节能，只有末端部分节能11.2%。上面例子说明，THIC空调系统中的溶液除湿过程节能是有条件的。过程1与过程2相比，使用溶液等温或降温除湿,新风部分和末端部分的节能比例都比较高。

4空调系统末端部分能耗再分析

末端部分通过提高冷水机组的供水温度达到节能的目的似乎是没有争议的。但当将过程1与过程3相比,过程1c与过程3相比，比较风机盘管的风量和处理的冷量(见表5)，有如下结果。

表5各处理过程负荷分配

能耗增加比例/%风机盘管耗冷量/kW风机盘管耗冷量比风机盘管总风量/(m3/h)风机盘管总风量比W→O1-22.5370.701.487514801.487W→O3-11.247.551346241W→O4064.501.356240370.694

过程1与过程3相比,虽然能耗增加比例为:[(1-22.53%)/(1-11.2%)-1]×100%=-22.37%，但风机盘管处理的冷量增加了48.7%。由于均采用干式风机盘管，当送风温度相同时，风机盘管的总风量也增加了48.7%，使过程1比过程3风机盘管的数量增加了48.7%,也就是说制造风机盘管的金属铜和钢材的用量增加48.7%。这不只是设备数量和投资的增加,而是冶炼这些金属和制造风机盘管过程中能耗增加。

过程1c与过程3相比，过程1c不是THIC空调系统，其空调总耗冷量增加为:[1/(1-11.2%)-1]×100%=12.6%，风机盘管的总风量却比过程3减少了30.6%。过程1c的风机盘管表冷器平均换热温差大于过程3，在相同换热量情况下的表冷器的换热面积相应减少，也就是说单位换热量金属用量也相应减少了，在考虑综合能耗时，应将其纳入进去。

5结语

(1)单独就THIC系统运行能耗而言，当新风经等温溶液除湿时，系统最为节能，其次为降温溶液除湿、冷冻除湿。

(2)对于THIC空调系统处理湿度的系统而言，由于溶液再生的能耗有可能抵消甚至超过处理显热的系统节约的能量,从而造成THIC系统不节能的后果。

(3)THIC空调系统处理显热的系统,因冷水机组随蒸发温度的提高使COP值提高而节能,但是应综合比较单位换热量金属用量指标和设备用量指标。

6参考文献

[1] 中国建筑科学研究院,中国建筑业协会建筑节能专业委员会.GB 50189-2005 公共建筑节能设计标准[S].北京:中国建筑工业出版社,2005

[2] 北京市建筑设计研究院.DBJ 01-621-2005 公共建筑节能设计标准[S].北京:北京市建筑设计标准化办公室,2005

[3] 中国有色工程设计研究总院.GB 50019-2003 采暖通风与空气调节设计规范[S].北京:中国计划出版社,2003

[4] 刘晓华,江亿,等.THIC空调系统[M].北京:中国建筑工业出版社,2006

Analysis of Energy Saving Effect of THIC Air Conditioning

System in an Office Building in Shanghai

ZHANG Zhiwen,ZHANG Qilin,KANG Liyan,WANG Yanyu

( Shanghai Maritime University，Shanghai 201306 )

Abstract：Paper through analysis Shanghai a Office THIC air conditioning system(temperature humidity independent control air conditioning system) of energy proportions, pointed out that for THIC air conditioning system in the processing explicit hot of system,due to cold water unit with evaporation temperature of improve makes COP value improve and energy;for THIC air conditioning system in the processing latent heat of system,due to solution regeneration energy has may offset even over processing explicit hot system save of energy,thus will caused the THIC system compared to the general system not energy.

Key words:THIC air-conditioning system；Air handling；Energy-saving

[中图分类号]TU831[文献标示码]B

doi:10.3696/J.ISSN.1005-9180.2015.01.017

文章编号：ISSN1005-9180(2015)01-085-05

作者简介：张智文(1990-)，男，硕士研究生，研究方向:空调节能与自动控制。Email：mzzwen@126.com

收稿日期：2014-11-19