基于热湿分区的全空气空调系统变新风量节能分析

谷 伟 彭章娥

上海应用技术大学城市建设与安全工程学院

0 引言

近年来，随着公共建筑的大量增加，全空气空调系统[1]的使用越来越广泛，建筑能耗也不断增加。国内外学者对现有公共建筑全空气空调系统的能耗和运行管理进行了大量的统计分析，并提出了许多节能措施，例如：空调冷热源处对冷（热）负荷的确定，冷热水机组的选择、匹配方面进行节能分析，建筑墙体、造型对负荷的影响及对“水系统”与“风系统”的运行节能。本文基于对全空气系统中定（变）新风量运行的系统能耗进行分析，提出一种有效的节能方案。

1 当前全空气空调系统存在的能耗问题分析

1.1 冷热源设备的选用

冷热源设备的选择由于没有充分考虑房间负荷的特性和设备的运行特性，目前，较多建筑物的冷/热源设备无法满负荷运转，即使在极端天气时，仍有机组不运转的情况发生。其主要原因为设计人员使用较大估算的冷（热）负荷作为空调负荷，从而使总的降温负荷过大，导致设备、管道直径以及泵和风机的选择设计负载过小，室温无法满足设计需要。需要添加单元式空调以满足所需室温，由此导致能量浪费。

1.2 全空气系统中的风系统分析

当前，国内全空气空调系统[2]的形式主要有风机盘管+新风系统及全空气空调系统两种形式。全空气空调系统可利用在非空调区空气焓值低于室内设计焓值时，充分利用非空调区新风冷源进行节能运行。

在实际运行中因未考虑对全空气空调系统的全年节能运行调节，致使新风管截面积过小，以及新风与风机盘管未采用连锁控制，导致在风机盘管关闭时新风系统仍处于运行状态，造成能量浪费。风量的不平衡是系统在运行调试时未进行合适的新风分配，由此使房间气流组织不合理、温度场不平衡率较大等。

1.3 全空气系统中水系统的分析

水系统大多使用定水量[3]系统，该系统是按照最大冷负荷设计，供回水温差一般在5℃。对于全年运行而言，出现最大负荷的时间极少即：全空气空调系统长期在部分负荷下运行，伴随小温差大流量[4]的问题。

近年来许多研究表明，加大供-回水温差能较大地改良系统的节能率，但由此导致传热效率下降，带来了附加能耗。因此，需要对具体的过程措施进行有针对性的经济技术分析确定最终的实施方案。

1.4 全空气系统运行管理

目前的空调自动控制系统在全空气空调系统中使用较少。其中，大多数仍为手动操作，从而导致操作参数的滞后和能量的浪费。

同时，机组水侧的结垢对全空气空调系统也有很大影响，如增加了能耗。

2 全空气系统中变新风量节能系统的研究

非空调区空气处于温度、太阳辐射强度、湿度等不确定的状态。对于全空气空调系统，非空调区的新风有降温、干燥和改良室内的空气品质的能力，在全空气空调系统运行时应充分利用这些能力以节约能量[5]。

2.1 变新风量节能原理

在全空气空调系统全年运行过程中有两个节能途径：一是在过渡季节运用非空调区低温的新风作为系统的“冷源”为热区提供冷量，从而节约能源；二是当非空调区新风的绝对湿度低于室内湿度需要的绝对湿度时，利用调节新风量的方法使新回风混合后的送风绝对湿度满足需要，这种方式不需要通过换热器进行降温除湿达到室内湿度，降低了冷冻水供水温度与流量，具有较高的节能意义。

本文推荐的主要设计方案如下：

1）在制冷机组制冷模式运行时，当室内空气的焓值大于非空调区空气焓值且送风绝对湿度小于非空调区空气绝对湿度时，利用全新风运行。

2）当新风绝对湿度低于送风绝对湿度时，对新回风比例进行调节，使送风的相对湿度达到允许的范围，然后将混风直接降温至送风状态点。既节约了换热器将非空调区空气降温至露点的冷量，又节约了再热量，避免了冷热抵消情况，降低了系统能耗。

3）当新风焓值高于送风焓值时，通过调节新回风比将新风作为部分热源提供再热量。在运行时按照最低新风量混合的方法，先调节至空气的机器露点再与非空调区新风混合继而调节至送风状态进行送风。

2.2 全年运行分区

在全空气空调系统运行过程中，室内冷热负荷与非空调区空气状态不同，为使全空气空调系统全年的热湿调节工况处于最佳状态，便于分析调节，需要对全空气空调系统运行过程进行多工况分区[6]。

2.2.1 分区依据

1）在满足用户需求的前提下，避免冷热抵消情况。

2）在冬、夏季，使用用户区回风，且需要保证最低新风需要。

3）在冷热调节过程中利用非空调区自然能源。

4）在过渡季节，利用非空调区新风。少开启制冷机组，通过其他方式如加湿区调节空气。

2.2.2 分区方案

在2-1图上，全年可能出现非空调区空气状态在某一曲线与相对湿度为100%饱和线所包含的范围内，除个别工艺性空调外，夏季与冬季的室内温湿度需要是不同的。例如，夏季Tn=27℃，冬季Tn=20℃，相对湿度允许在45%～65%范围内。因此全年允许的室内状态点也为特定范围，如图2-1中N1-N2范围。

图2-1

图2-1中，O1、O2分别为冬夏季送风状态点，M点在N1O1的延长线上，且N1O1/N1M为最低新风比，iM、iO1、iO2、iN2与气象包络线交汇于a、b、c、d 点；iN2、dO2、do1、dM线与相对湿度Ф=100%交汇于f、g、h、i点；dO2与iN2线交汇于K点，这些等焓线与等绝对湿度线以及O1、O2、O1M把非空调区气象范围划分为八个范围，见表2-1，各分区空气调节方式见表2-2。

表2-1全年运行工况分区范围

表2-2各分区空气调节方式

空调调节分析：

1）非空调区空气状态点W预热至W1，再与室内回风N1按最低新风比混合至，再绝热加湿至送风状态点。

2）调节新回风混合比，使混合点落在io1线上，然后绝热加湿至送风状态。

3）调节新回风混合比，使混合点落在do1线上，然后加热至送风状态。

IV、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ．使用全新风，直接调节至送风状态点。

Ⅷ．按最低新风比使新回风混合至C点，然后降温至送风状态点。

由于室内空气状态是不确定的[7]，因而实际的分区图也不确定。为了对比分析定新风量与变新风量的能耗，建立了一个房间模型并对其进行负荷模拟，得出全年的送风参数，根据不同的送风状态点找对应的分区图2-1，根据各分区的最佳运行工况，进行能耗模拟计算，分析节能效果。

3 房间模型的建立

3.1 房间结构

所选房间位于南京的一个4 m×4 m×3．5 m的卧室，该模型房间的平面图见图3-1。

图3-1 房间示意图

3.2 围护结构

外墙：24砖墙_1、重砂浆黏土240mm、石灰砂浆20 mm。导热热阻0．324 kW/（m2·k）、热惰性指标3．085。

屋顶：玻璃棉毡保温屋面、水泥砂浆25 mm、多孔混凝土195 mm、钢筋混凝土125、水泥砂浆20 mm；传热系数0．834 kW（m2·k）。

窗户：普通6mm单层玻璃，窗墙比默认0．5、无内遮阳。

门：单层实体木制外门24．3 mm、导热系数0．340 kW（m2·k）。

3.3 人员、设备和灯光负荷

灯光、设备和人员的热负荷均按系统默认值。

3.4 作息模式

工作时间为8：00-20:00。但考虑到开机运行时间，需提前一个小时开机；则平均每天运行14 h，全年运行5 110 h。

3.5 房间空调参数

夏季室内空调温度25℃，相对湿度55%。冬季为20℃，相对湿度为40%。

3.6 空调模式

按照全空气定风量系统，选用组合式空调机组，最低新风量取15%。

4 负荷模拟

4.1 非空调区气象参数

由Open-Studio模拟生成的南京地区全年非空调区气象参数，具体数据如图4-1和图4-2所示。

图4-1 非空调区空气干球温度

图4-2 非空调区空气绝对湿度

4.2 负荷模拟

根据建立的房间模型，利用Open-Studio能耗模拟软件计算出全年热湿负荷。其变化如图4-3和图4-4所示。

图4-3 冷热负荷

图4-4 湿负荷

分析图4-3和图4-4可知，冷负荷出现在5月的中上旬，结束于11月上旬，并在7月和8月份达到最大值；湿负荷主要集中出现在10月初至次年6月底，在6月中旬至十月初没有湿负荷。

4.3 空调能耗分析

根据Open-Studio模拟得出定风量固定新风比全空气空调机组的能耗，如图4-5、4-6所示。

图4-5 定新风量全空气空调系统冷热负荷

图4-6 定风量全空气空调系统湿负荷

4.4 变新风比负荷计算

对本房间按照上述分区按照变新风比进行空调负荷模拟，并与定风量系统进行对比。

4.4.1 新风比变化

根据定风量全空气空调系统的房间计算出逐时送风状态点，查出其在图2-1中所属范围，根据表2-2的各区最佳运行工况进行计算，得出新风比。

1）送风状态点的计算

由于定风量系统的总风量不变，在房间负荷变化时主要靠控制送风温度承担房间负荷，根据室内逐时热湿负荷和室内焓值、绝对湿度根据公式4-1、4-2计算得出送风状态点的焓值与绝对湿度，再查出图1-1中送风状态点的位置。

图4-7 全年送风状态点

2）根据图4-7查出各送风状态点所在的范围，再根据表2-2的最佳运行工况，计算相应的新风比，如图4-8所示。

图4-8 变新风量系统新风比

4.4.2 变新风比全新风全空气空调系统的能耗计算

利用Open-Studio对变新风比全空气空调系统能耗进行模拟计算，计算结果如图4-9、4-10所示。

图4-9 变新风量系统冷热负荷

图4-10 变新风量系统湿负荷

4.5 调节新风比对系统节能性影响

根据图4-11，并对比图4-5与4-9、图4-6与4-10，可知当新风比可调时，不尽全空气空调系统热 负 荷 从 4 625．11 降 至 2 981．13，冷 负 荷 从4 109．50 kW降至3 611．39 kW，系统的湿负荷也从223．05 kg降至91．34 kg也有明显的降幅。因此，变新风比对于该定风量系统的节能效果十分明显。

图4-11 能耗对比

5 小结

本文分析了变新风比的节能性。并利用Open-Studio软件模拟分析了位于南京的一个定风量系统的房间模型。通过模拟得出，4月中上旬至6月上旬、10月下旬至11月上旬是新风量利用潜力最高的时段，且在1月初至7月中旬、11月上旬至12月底时加湿量都明显降低。当新风比可调时，全年的湿负荷、热负荷、冷负荷均减少59．05%、35．54%和12．12%。可见，全空气空调系统在变新风比运行时节能效果十分明显。