自然冷却节能潜力的修正度时数评价方法

吕伟华, 李先庭，黄 翔，褚俊杰

(1.清华大学 建筑学院，北京 100084；2.中国建筑科学研究院有限公司 建筑环境与能源研究院，北京 100013；3. 西安工程大学 城市规划与市政工程学院，陕西 西安，710048)

0 引 言

为了降低建筑冷却能耗，国内外专家学者探索利用可再生能源构建低能耗绿色建筑的解决方案，在通风空调系统应用中的节能效果非常显著[1-2]。在气候适宜的地区，采用自然冷却技术处理建筑冷负荷，能够显著延长非空调时间，降低建筑负荷和能耗[3]。常见的自然冷却方式包括自然通风[4-5]、机械通风[6-7]、蒸发冷却通风空调技术[8-9]、地道风[10-11]等利用土壤温度自然冷却的土壤新风系统[12-13]，以及近年来发展的利用自然能源的围护结构冷却技术[14-16]等。这些常见的自然冷却方式应用形式多样，可利用自然环境中广泛存在的空气源、地源、水源等各种自然冷源处理建筑负荷，营造室内热舒适环境。但正确评价并选择较为高效的自然冷却方式依然是研究的难点。

为了证明某种自然冷却方式的可行性，现有研究大多采用实验以及模拟仿真的方法对某一种自然冷却形式的节能潜力进行分析，这种通过设计具体算例的分析方法对多种自然冷却形式的适应性进行比较研究的工作量大，难以推广。文献 [17] 基于室内温度和室外环境温度的温差提出在不同气候区采用度时数对自然通风的免费供冷潜力进行研究。度时数作为一种通用评价方法能够较好地对自然通风等无能耗的自然冷却方式在不同地区的适应性进行评价。但是度时数不适合评价其他有能耗的自然冷却方式，这是由于度时数不能考虑不同自然冷却方式的能效差异。例如，当室内外温差很小时，采用机械通风降温的能效会低于传统空调系统，这种情况就不宜采用机械通风，但是度时数却不能反映这种情况。另外，采用度时数评价蒸发冷却系统时，露点蒸发冷却的潜力在任何情况下都一定大于直接蒸发冷却的潜力，但事实上由于露点间接蒸发冷却器的结构相对复杂，使得其能效不一定始终大于直接蒸发冷却器。因此，需要一种能够兼顾温差和能效的通用评价方法对不同自然冷却方式进行公平评价。

为此，本文针对传统度时数方法的不足，引入能够反映不同自然冷却方式耗能情况的能效修正系数对传统的度时数方法进行修正，得到修正度时数的评价方法。进一步采用TRNSYS仿真软件模拟得到的结果对修正度时数方法的合理性进行验证，并得到修正度时数与节能量的关系，对常见自然冷却方式的节能潜力进行评价，为建筑高效自然冷却系统的选择和设计提供指导。

1 修正度时数方法描述

1.1 度时数方法的不足

文献[17]提出采用度时数(degree-hours，DH)评价自然通风在不同气候区的应用潜力。度时数(式中简记为HDH)的表达式为

(1)

式中：tr为室内供冷设计温度，℃；ta,i为室外逐时空气温度，℃；Cs、Ce分别为供冷季开始时间、结束时间。

度时数反映了室外空气温度与室内温度的冷却温差。由于自然通风不耗能，因此度时数能够用来评价自然通风的节能潜力，温差越大，度时数越大，表明自然通风的潜力越大。但度时数不能反映不同自然能源利用方式的能效，不适合评价机械通风等有能耗的自然能源利用方式。图1为度时数评价机械通风和蒸发冷却技术存在的问题。其中DH为度时数，COP为能效，MV为机械通风，DEV和IEV分别为直接蒸发冷却和露点间接蒸发冷却。图1(a)中，假设室内供冷设定温度为26 ℃。当室外通风温度为25 ℃时，机械通风的温差很小，但度时数依然大于0，以至于机械通风的能效远低于采用冷机系统的能效，因此度时数不能反映有能耗的机械通风系统的应用潜力。

图1(b)为采用度时数评价蒸发冷却技术存在的问题。由于露点蒸发冷却效率相对较高，其制取的冷风温度一般低于直接蒸发冷却，因此露点蒸发冷却的度时数总是大于直接蒸发冷却。若采用度时数作为评价指标，会得出露点蒸发冷却的应用潜力始终大于直接蒸发冷却的结论。因为露点蒸发冷却器相比直接蒸发冷却器的结构复杂[18-19]，阻力大，其能效不一定始终大于直接蒸发冷却，因此其节能潜力并不一定总是大于直接蒸发冷却器，度时数不适合评价蒸发冷却。

(a) 机械通风

(b) 蒸发冷却 图 1 度时数评价机械通风和蒸发冷却技术Fig.1 Degree hours evaluation of mechanical ventilation and evaporative cooling technology

1.2 修正度时数方法

为了对各种自然冷却方式的潜力进行公平评价，本文在现有度时数方法的基础上提出修正度时数通用评价方法。该方法首先将各种自然冷却方式的能效与常规机械冷机系统的能效进行比较，大于常规冷机系统的能效认为是节能，以此对度时数进行能效修正，其修正系数反映了不同自然冷却方式相对于常规冷机系统的节能率，表达式如式(2)所示，不同自然冷却方式的能效表达式如式(3)所示。

(2)

(3)

式中：μ为能效修正系数；Qn为自然冷却系统处理的负荷，kW；PCOP,n为自然冷却系统的能效；W为自然能源冷却系统的总功耗，kW；Wg、Wd、Wu分别为自然冷却系统本身的采集、输配以及末端利用的功耗，kW；PCOP,m为常规冷机系统的能效；ηn为自然冷却系统的能量利用系数，是指采用自然冷却后，常规机械冷源系统承担的空调负荷的降低量与自然冷却系统处理的总负荷的比值。对于自然通风、机械通风、蒸发冷却空气处理以及地道风等将自然冷源直接用于室内或者直接用于处理新风的自然冷却形式，ηn=1；对于嵌管式围护结构等将自然冷源直接用于外墙或者外窗时，由于自然冷源处理的负荷一部分来自室内，一部分来自室外，因此ηn<1。

结合度时数能很好地反映换热量的特点，利用上述修正系数对度时数进行修正，得到自然冷却修正度时数HRDH的一般表达式为

(4)

式中：HRDH为自然冷却的修正度时数，℃·h；tb,i为第i时刻自然冷源利用位置的基准温度，℃；tn,i为第i时刻采集到的自然冷源的温度，℃；ηn,i为自然冷却系统的平均能量利用系数。

由于目前常见的自然冷却方式大多是固定水流量或者固定风量运行，因此，定义固定温差Δtd或者固定比焓差Δhd下自然冷却系统的能效COPdn，在任一时刻i，自然冷却系统的能效可以表达为

PCOP,n,i=λi·PCOP,dn

(5)

式中：λi为任一时刻的换热温差与所定义的固定温差的比值，或任一时刻i的比焓差与所定义的固定比焓差的比值，即λi=Δti/Δtd或λ=Δhi/Δhd,Δti为任一时刻i的换热温差，℃；Δhi为任一时刻i的换热比焓差，kJ/kg。

修正度时数的一般表达式(4)可以转化为

(6)

2 修正度时数评价方法的可行性验证

2.1定性分析

以有能耗的机械通风和蒸发冷却技术为例，定性分析利用修正度时数对自然冷却系统的应用潜力进行评价的可行性。

图2为修正度时数评价机械通风的可行性结果。可以看出：从机械通风的修正系数来看，通风温度越高，机械通风能效越低，修正系数越小。当通风温度为25 ℃时，通风温差只有1 ℃时，自然通风(NV)的度时数和机械通风的度时数均为1，但是由于机械通风的修正系数μMV为0，因此对应的机械通风的修正度时数为0。表明与采用冷机系统的能效相比，这种情况下，通风温差太小，不适合采用机械通风。

图 2 修正度时数评价机械通风Fig.2 Evaluation of mechanical ventilation by revised degree hours

图3是直接蒸发冷却(DEV)和露点间接蒸发冷却(IEV)的修正度时数(RDH)对比。

图 3 修正度时数评价蒸发冷却Fig.3 Evaluation of evaporative cooling by revised degree hours

从图3可以看出：湿球温度越低，蒸发冷却的能效越高，修正度时数越大。在该算例中，当湿球温度较小时，露点蒸发冷却和直接蒸发冷却的修正系数都较大，由于露点蒸发冷却度时数较大，因此对应的修正度时数较大；当湿球温度较大时，修正系数是修正度时数的主要影响因素，由于直接蒸发冷却的修正系数大于露点间接蒸发冷却，因此这种情况下直接蒸发冷却的修正度时数有可能会大于露点间接蒸发冷却。综上说明，修正度时数能够很好地反映不同自然冷却方式相对于常规冷机系统的节能潜力。

2.2 修正度时数与节能量的关系

根据自然冷源的利用形式，将常见的自然冷却系统分为自然冷源采集后直接用于室内、围护结构、新风机组以及空调箱。

1) 自然冷源采集后用于室内的利用形式主要包括2种：①利用蒸发冷却冷水机组或地埋管换热器等采集低品位的冷却水，输送到室内末端；②当室外气象条件合适时，采用自然通风或机械通风对室内进行通风降温。

2) 自然冷源采集后用于围护结构的利用形式：现有研究表明主动利用自然冷源的嵌管式围护结构具有较大的节能潜力，该自然冷却方式主要是利用冷却塔或地埋管换热器采集低品位的冷却水拦截围护结构传热。

3) 自然能源采集后用于新风机组或空调箱的利用形式主要包括2种：①利用蒸发冷却冷水机组或地埋管换热器等采集低品位的冷水，输送到新风机组/空调箱的预处理盘管中，对新风进行预冷处理；②采用地道或者蒸发冷却冷风机组生产低品位冷风，然后送入新风机组/空调箱中。

在进行节能量计算时，须明确计算节能量的比较基准。为了分析自然冷源用于处理室内负荷、新风负荷以及围护结构负荷时相对于采用冷机系统进行负荷处理的节能量，选取全年固定最小新风量运行的空调系统作为对比基准，即基准空调系统的室内冷负荷、新风冷负荷以及围护结构传热冷负荷全部由冷机系统承担。因此，任一时刻i采用自然冷源处理冷负荷的节能量ΔEi可以表示为

(7)

以自然冷源采集后用于室内的自然冷却形式：机械通风和室内自然冷却盘管为例，推导修正度时数与节能量的关系。

机械通风系统任一时刻i处理的负荷可以表示为式(8)。将式(8)代入节能量计算式(7)中，并对整个供冷季进行积分可得供冷季的节能量，即建立了节能量与修正度时数的关系，如式(9)所示。

Qr_V,i=Cam′(tr-ta,i)

(8)

(9)

式中：Qr_V,i为任一时刻i通风带走的室内负荷，kW；Ca为空气的比热，kJ/(kg·℃)；m′为增加的通风量，kg/s；ta,i为任一时刻i的室外通风温度，℃；ΔEr_V为通风系统在供冷季的节能量，kW·h；HRDH,r_V为机械通风在供冷季的修正度时数，℃·h。

当采用蒸发冷却冷水机组或地埋管换热器等采集低品位的冷却水，输送到室内末端的自然冷却形式时，任一时刻i地埋管换热器或蒸发冷却冷水机组处理的负荷可以表示为式(10)。

γrKfr(tr-tw,i)

(10)

将式(10)代入节能量的计算式(7)中并对整个供冷季进行积分可得供冷季的节能量，如式(11)所示。

(11)

从上述推导过程可以看出节能量与修正度时数具有直接关系。同理，可以推导得到，自然冷源采集后直接用于围护结构、新风机组以及空调箱的节能量与修正度时数的关系。

2.3 修正度时数表征节能量的验证

以地埋管换热器采集低品位冷却水到可调节风量的空调箱为例，利用修正度时数计算验证该空调系统节能量。首先根据空调箱的运行模式分别计算对应的修正度时数，然后分别代入节能量与修正度时数的关系式中，计算系统全年运行的节能量。另一方面，在TRNSYS平台上搭建利用地埋管换热器采集低品位冷却水到可调节风量的空调箱的空气处理系统，对其供冷季节运行能耗进行动态模拟，通过全年动态模拟获得该系统相对于传统机械制冷空调系统的节能量。最后比较修正度时数计算的节能量与复杂系统供冷季节动态模拟获得的节能量，根据修正度时数计算的节能量与动态模拟得到的节能量的相对误差，验证修正度时数与系统节能量的关系。

验证算例设计：设空调系统的最小新风量m为1×104m3/h，最大新风量(m+m′)为5×104m3/h，即系统的最小新风比为20%。根据空气的迎面风速对空气-水换热器传热系数的影响关系，确定系统运行最小新风量时，地埋管换热器相连接的空气预处理盘管与空气的传热能力为5.4 kW/℃。当运行最大新风量时，与地埋管换热器相连接的空气预处理盘管与空气的传热能力为15.2 kW/℃。新风预处理系统的设计负荷是指将新风从35 ℃处理到25 ℃所需的冷量，以此作为地埋管换热器的设计换热量。

地埋管换热器模型采用TRNSYS中DST模型，该模型广泛应用于土壤换热系统的模拟。新风处理换热盘管即空气-水换热器模型为稳态传热模型。通过模拟获得该空调系统在任一时刻节能量，其计算式如式(12)所示。为简化计算，设传统空调系统的PCOP,m=4，对式(12)进行积分可得采用该种自然冷却方式在整个供冷季节的节能量。

(12)

式中：ΔEa,i为任一时刻i该采用自然冷却的空调系统的模拟节能量，kW·h；QAHX,i为任一时刻i该空调箱的新风预处理盘管的换热量,kW；WP为从地埋管到预处理盘管的循环水泵的功耗，因为水泵是定流量运行，因此认为水泵的功耗在任一时刻相同；WF,i为预处理盘管增加的新风阻力额外消耗的风机功耗，kW。

通过计算分别得到TRNSYS动态模拟和修正度时数方法获得该空调箱在不同地埋管设计容量下的节能量，结果如图4所示。从全年来看，TRNSYS动态模拟与修正度时数方法的相对误差在5%以下。由此得出，修正度时数评价自然冷却系统的节能潜力是可行的。

图 4 修正度时数与动态模拟的节能量比较Fig.4 Comparison of energy saving between revised degree hours and dynamic simulation

3 修正度时数评价自然冷却方式

修正度时数反映了不同自然冷却方式相对于传统冷机系统的节能潜力。利用第2.2节的修正度时数计算式对我国典型气候区代表城市的常见的自然冷却形式的节能潜力进行计算与评价。不同城市供冷的时间节点见表1。

表1 不同城市供冷季的起止时间Tab.1 The start-end time of cooling seasons in different cities

结合现有研究，设计下列几种自然能源利用方式的能效水平，如表2所示。计算得到在表2所示的能耗水平下，每种自然冷却方式的修正度时数如图5所示。

表2 几种自然能源利用形式的设计能效Tab.2 The design energy efficiency of some freecooling forms

(a) 露点蒸发冷却新风

(b) 冷却塔处理嵌管窗负荷

(c) 机械通风图 5 常见自然冷却方式的修正度时数Fig.5 The revised degree hours of some common free cooling forms

从图5(a)可以看出，露点蒸发冷却技术在乌鲁木齐的修正度时数远大于其他几个城市。这主要是由于乌鲁木齐地区的空气干燥，湿球温度较低，干湿球温差大，因此蒸发冷却技术在乌鲁木齐地区能够采集到较低的空气温度，而且采集的能效较高，因此其修正度时数远大于其他地区。图5(b)是采用冷却塔生产低品位冷却水处理嵌管窗负荷时，在全国不同地区的修正度时数。可以看出，这种自然冷却方式在几个典型气候区都有比较高的修正度时数，在乌鲁木齐地区冷却塔能够高效地生产较低温度的冷却水，因此其修正度时数较大；在广州虽然冷却塔生产的水温相对较高，但由于广州地区高温炎热，供冷季时间较长，因此采用冷却塔拦截嵌管窗负荷的方式也能有较大的修正度时数。图5(c)反映的是普遍使用的机械通风在不同地区的应用潜力。机械通风的修正度时数在昆明地区最大，上海和广州最小。

通过对上述3种常见的自然能源利用方式的修正度时数的比较，可以发现，嵌管窗在我国典型气候区都具有较高的应用潜力；蒸发冷却技术在西北干燥地区的节能潜力较大，在南方高湿度地区对新风进行降温的潜力较小；机械通风在温和地区具有较高的应用潜力。

4 结 语

为了充分利用室外冷源降低建筑空调能耗，自然冷却应用形式越来越多，而传统度时数方法只能用于自然通风的潜力评价。本文针对传统度时数方法存在的不足，提出基于自然能源利用能效的修正度时数方法，利用TRNSYS软件对该评价方法的合理性进行验证。结果表明，修正度时数与系统节能量之间存在直接关系，根据修正度时数的大小能够评估自然冷却系统相比传统空调系统的节能潜力，其估算误差在可接受范围内，因此，修正度时数方法可评价不同自然冷却方式的应用潜力。