风机盘管加新风系统运行节能分析

朱培根,何轶敏,刘长俊,宋 桦,孔维同

1 前言

目前我国既有建筑中，仅有5%能够达到建筑节能标准，其余95%均属于高能耗建筑［1］，新建建筑也仅有不到20%的满足节能要求［2］。我国空调高峰负荷早已超过4500万kW，这些能耗相当于三峡电站满负荷运作时发电量的2.5倍［3］。我国大型公共建筑占总建筑面积的1.25%，但每年的耗电量约1000亿度，其单位面积耗电量为住宅建筑单位面积耗电量的10~20倍［4］，大约50%~60% 的能耗消耗于空调系统［5，6］。因此，公共建筑高能耗是高耗能的空调系统导致的［7~10］。本文将以南京某机关办公楼（该办公楼采用风机盘管加新风系统的空调形式）为研究对象，对其空调系统多工况分区，并在此基础上对空调系统在用电高峰时段的调峰措施进行分析探讨，为空调系统用电高峰时段的运行控制提供可靠的调峰方案，为风机盘管加新风系统的设计和工程实际提供理论支持，有利于减少空调系统的建设成本和系统的运行及维护成本［11］。

2 风机盘管加新风系统多工况分区运行方案

根据室内温湿度设计参数以及室外新风所承担的室内负荷情况确定该空调系统的新风处理方案—新风终状态的含湿量等于室内空气含湿量［12-13］。该新风处理方案下空调系统的新风处理过程如图1所示。从图1可以看出，该新风终状态与室内含湿量相等且温度低于室内，故新风将承担部分室内显热负荷。

图1 新风处理过程

新风通过冷却除湿被处理到与室内空气含湿量相同的状态，此时新风带入室内的湿负荷为零，新风终状态温度低于室内空气温度，故新风承担部分室内显热负荷，风机盘管承担室内全部湿负荷及其余显热负荷，该新风处理方案下空调系统的空气处理过程如图2所示。

图2 空气处理过程

根据室内温湿度要求以及新风处理方案，将室外新风进行分区，如图3所示。

图3 室外气象参数分区

R1，R2，R3，R4组成的区间为室内参数允许范围，其中 R1（t=28 ℃，φ=70%），R3（t=18 ℃，φ=30%）。S1，S2是室内状态参数为 R1，R3时，且不考虑新风带入负荷时对应的送风状态点。

根据图1~3可知，各分区的室外气象参数范围为：

Ⅰ区：t>26 ℃，d ≤ 17.90 g/kg；Ⅱ区：10 ℃ ≤t≤ 26 ℃，d<17.90 g/kg；Ⅲ区：t<10 ℃，d ≤ 2.73 g/kg；Ⅳ区：t<10 ℃，2.73 g/kg 17.90 g/kg。

3 运行控制方案模拟

利用DEST能耗模拟软件对多工况分区运行方案和初始运行方案（空调运行不根据室外气象参数分区多工况运行）分别进行模拟，将这2种方案分别称为优化方案和原始方案［14］。原始方案空调系统全年运行时间远大于优化方案的空调系统全年运行时间，在室外新风直接送入室内即可满足室内温湿度要求的情况下原始运行方案依旧开启空调系统，对新风和室内空气进行了不必要的处理，造成空调系统运行时间增加和不必要的能源浪费。对2种不同运行方案进行比较，其2种运行工况的空调全年耗电量比较和空调系统满意度比较如图4，5所示。

图4 原始方案与优化方案空调系统全年能耗比较

图5 原始方案与优化方案空调系统满意度比较

从图4，5可以看出，优化方案的空调系统各项耗电量均小于原始方案对应的耗电量，且优化方案空调系统所对应的全年满意小时数较高。分析能耗模拟得到的数据发现，风机盘管加新风系统多工况分区运行方案全年可节省的空调耗电量为171807.9 kW·h，其节能效率为30.21%。

4 运行控制方案调峰效果研究

已知在优化运行方案中设置的部分参数为：办公室的人均新风量为30 m3/h；室内空调允许温度范围为18~28 ℃；空调系统的送风允许温度范围为10~26 ℃。考虑到室内人员对舒适度的要求有一定的波动范围，调峰方案有以下4种：

方案1：控制其他参数不变，调整办公室人均新风量。

方案2：控制其他参数不变，调整室内空调允许温度范围。

方案3：控制其他参数不变，调整空调系统的送风允许温度范围。

方案4：以上3个方案相互叠加、共同作用。

4.1 调峰方案1

随着新风量的减小新风负荷会随之降低，模拟结果仅取高峰时间段内的数据进行分析。其高峰时段不同人均新风量对应的空调能耗和在优化方案基础上的调峰百分比如图6，7所示。从图6，7可以看出，在空调系统用电高峰时间段内，减少办公室人均新风量能明显的降低空调系统高峰能耗。在26~28 m3/h之间图中曲线出现非线性变化是因为随着人均新风量的增大，空调系统处理新风的负荷增大，冷却水塔的冷却水量需要开启补水泵补水才能满足要求。

图6 不同人均新风量对应的空调耗电量

图7 不同人均新风量对应的调峰百分比

空调系统的相关规范中规定，空调系统的人均新风量不得小于20 m3/h，因此该调峰方案中人均新风量为20 m3/h时其调峰效果最佳，对应的高峰时段耗电量为32022.06 kW，相比于优化方案其节能百分比为14.94%。

4.2 调峰方案2

用电高峰时段出现在夏季，办公室空调允许温度最大值大小对空调能耗的影响大于空调温度最小值大小，其高峰时段办公室空调温度最大值不同取值对应的空调能耗和在优化方案基础上的调峰百分比如图8，9所示。从图8，9可以看出，在空调系统高峰用电时间段内，将办公室空调温度范围的最大值增大可以降低空调系统高峰能耗，故高峰时段空调系统的室内空调温度范围的最大值越大，其节能及调峰效果越明显。但考虑到室内人员的舒适性，空调温度最大值不宜超过30 ℃。其对应的高峰时段能耗为35215.99 kW，相比于优化方案其节能百分比为6.46%，节能效果和调峰能力有限。

图8 空调温度最大值不同取值对应的空调能耗

图9 空调温度最大值不同取值对应的调峰百分比

4.3 调峰方案3

由于用电高峰时段出现在夏季，空调系统送风温度的最大值的大小对空调能耗的影响小于送风温度最小值的大小，且夏季送风温度范围的最小值越大空调系统越节能。高峰时段空调送风温度最小值不同取值对应的空调能耗和在优化方案基础上的调峰百分比如图10，11所示。

图10 空调送风温度最小值对应的空调能耗

图11 空调送风温度最小值对应的节能百分比

从图10，11可以看出，在空调系统高峰用电时间段内，将空调送风温度范围的最小值增大可以降低空调系统高峰能耗，故高峰时段空调系统的室内空调送风温度范围的最小值越大，其节能及调峰效果越明显。但从空气处理的满意度来看，当送风温度范围的最小值大于18 ℃以后，直接影响人员热舒适性，故该调峰方案中空调送风温度范围的最小值为18 ℃时空调系统最节能。其对应的高峰时段能耗为30678.34 kW，相比于优化方案其节能百分比为10.17%。

4.4 调峰方案4

在优化方案的模型基础上，将人均新风量、办公室空调温度范围、空调送风温度范围均考虑在内，分析其三者在高峰时段对空调系统能耗的共同作用。以方案1、方案2和方案3已确定的最优调峰工况点为基础，取其自身及附近的2个工况点为研究对象，模拟工况减少为27个，其高峰时段不同参数条件对应的空调能耗和在优化方案基础上的调峰百分比如图12，13所示。

图12 各工况对应的空调能耗

图13 各工况对应的调峰百分比

从图12，13可以看出，通过对比各工况的空调能耗和调峰百分比，可知在满足夏季空调室内人均新风量不应小于20 m3/h，且室内环境在人体舒适度范围内（即空调温度不高于30 ℃、送风温度不高于18 ℃），其高峰时刻空调能耗最小（调峰百分比最大）的工况为工况14，即人均新风量为20 m3/h、办公室空调允许温度范围为18~30 ℃、空调送风温度范围为18~26 ℃，其对应的高峰时段空调能耗为27855 kW，调峰百分比为18.44%。

综上所述，本文提出的4种调峰方案中各方案对应最大的调峰百分比如图14所示。

图14 各方案调峰百分比

从图14可以看出，调峰方案四可以使该办公楼的空调系统在高峰用电时段内能耗在优化方案的基础上降低18.44%，具有较好的调峰能力，因此该方案可作为空调系统高峰用电时段的调峰策略，以便最大程度的降低高峰能耗。

5 结论

（1）本文以南京某办公楼的风机盘管加新风形式空调系统为研究对象，确定出满足空调系统设计要求的新风处理方案—新风处理的终状态点在室内设计参数等湿度线上；并将室外气象参数分为5个区。

（2）在确定空调系统分区运行的方案后，对其两种方案的能耗模拟结果进行对比分析，得到结论，优化运行方案比原始运行方案全年节约能耗30.21%。

（3）在优化运行方案基础上，对用电高峰时段的调峰措施进行了研究，用电高峰时段将室内人均新风量降低到20 m3/h时，空调能耗节省14.94%；用电高峰时段空调温度范围最大值增大到30℃时，空调可以保证室内人员舒适性，且空调节能能耗6.46%；用电高峰时段空调系统送风温度范围最小值增大到18 ℃时，空调能耗节省10.17%；用电高峰时段同时调节人均新风量、空调温度、送风温度时，在保证室内舒适性的前提下，空调系统能耗最大可节省18.44%。

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