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建筑维护结构与冷负荷计算关系
建筑维护结构与冷负荷计算关系
来源:中制冷设备网    2009-6-3
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从许多节能分析的文章可以看出,目前,我国的很多建筑中的空调系统都具有节能的潜力。而且节能也逐渐地引起了各个设计、施工和管理单位的注意。但是仍然存在着许多浪费能源的现象。要想做到空调系统的节能,也只有设计、施工到运行管理各个部门的通力合作,才能真正的实现。
关键词:空调节能 围护结构 保温


1 空调系统节能评价
通常供给空调系统的能量由热源和冷源、经水系统传递给风系统,再由风系统将能量传递给被调节的房间,以达到所要求的室内温、湿度参数。在能量输送过程中,水系统输送能源所耗的能量,为泵的电能EP;风系统输送能源所耗的能量,为风机的电能Ef。这三部分能量之和,就是空调系统总耗能量Er。节能就是在满足目标负荷的要求下,合理有效地利用能量,使Er尽量减小。

能量有效利用的评价指数可由单位能耗指数、空调耗能系数(CEC)来评定。

单位能耗指数=(1)

CEC=(2)

 

1.1 空调系统节能评价准则

空调系统节能评价,首先,分析空调系统能量传递过程,从而对系统进行节能评价。

冷热源供给水系统的冷(热)量

—水系统的冷(热)量损失系数,由下列因素确定:

输入水损失能量:管道保温损失;供冷时泵的发热;过剩水量的输送损失;蓄热损失;空气-水系统等的管道损失;混合损失。

输送水获得的能量:供热时泵的发热。

─供给风系统的热(冷)量(kW)。

水输送给风系统的冷(热)量

—风系统的冷(热)量损失系数,由下列因素确定:

输送风损失能量:管道保温损失;管道泄漏损失;供冷时风机发热;过剩空气输送损失;全空气系统的再热损失和管道混合损失;新风的新风过剩损失。

输送风获得的能量:供暖时风机发热;新风用全(显)热交换器回收的冷(热)量;新风供冷节能。

─供给水系统的热(冷)量(kW);

风系统供给空调房间的冷(热)量

—室内冷(热)量损失系数,由下列因素确定:

室内损失能量:过冷、过热损失;同时供冷、供热的室内混合损失。

室内获得能量:供热时,照明和其他设备发热;供冷时,照明等发热的排除效率。

房间的空调负荷=室内负荷 新风负荷;

其中的热(冷)量系数为输入能量与实际利用输出能量之比。日本建筑省规定: <1.08;<1.05;<1.03。

空气输送系数ATF*,一般在4~10之间。

ATF*=

式中─整个空调系统中输送空气所消耗的动力(即包括送风机、回风机、新风风机、排风机所耗动力之和)(kW);

─供给风系统的热(冷)量(kW)。

若仅对显热计算,则空气输送系数为ATF:

ATF=

式中─供给风系统的显热热(冷)量(kW);

水输送系数WTF,开式系统在20左右;闭式系统在35左右。

WTF=

式中─供给水系统的热(冷)量(kW);

─整个空调系统中输送水所耗的动力(kW)。

 

1.2 建筑物热特性评价指数

建筑物围护结构的保温性能直接决定了空调房间的冷(热)负荷,若要节约空调系统的能耗,就必须改善围护结构的保温性能。现在许多国家提出了各种改善建筑保温性能的措施,并规定了围护结构最大传热系数。一些国家采用限制年负荷系数(PAL)

PAL=

就办公楼建筑而言,日本建筑省能法规定PAL值小于335MJ/㎡·a。

 

1.3 空调耗能系数(CEC)

由(2)可知,CEC即为全年系统冷、热源耗能量与全年系统泵与风机耗能量之和,除以全年系统供热负荷、供冷负荷、新风冷负荷、新风热负荷之和。当采取节能措施,降低系统能耗时,CEC的值可判断空调系统的节能性。对不同规模(大、中、小)、不同地区(寒、温、热)的标准办公楼所做的设计以及利用计算机模拟求得CEC数值表明:基准型空调系统的CEC约在1.6左右;节能型空调系统的CEC可接近1.1。

 

2 空调系统节能措施
空调系统的节能是一个系统工程,要求在能源利用的各个环节和系统从规划到运转的全过程中贯彻节能的观点,才可能达到节能的效果,如果在某个环节上造成了能源的浪费,整个系统也不能说是节能的。

 

2.1 改善围护结构的保温性能

建筑物冬季的热负荷和夏季的冷负荷有一部分来自建筑物的外围护结构。从建筑体形来说,同样面积的建筑物,接近立方体的外表面积最小,可以节能。对于长方形的建筑物,朝向对空调负荷有相当的大的影响,长边(主要面)朝向西或东的比朝向南或北的大,最大设计冷负荷约大25%左右。

围护结构保温性能在建筑的节能中起着很重要的作用。一些研究表明,增大围护结构的保温性能,年空调冷负荷反而有所增加,其原因是在室外气温高的月份和时刻,保温性能好,可以节省空调冷量,但在非最热月或一天中的夜间,气温低时,不利于建筑散热,反而增加了冷负荷。当然,围护结构保温性能好,空调的设计冷负荷会小些。

在围护结构中,外窗对空调冷负荷有明显的影响。透过玻璃的日射得热冷负荷约占空调冷负荷的20%~30%,所以减少窗墙比——窗户面积与墙面积(包括窗面积)之比——可以减少热负荷和冷负荷,但减少到一定值时,会增加照明负荷,而反过来又增加了冷负荷。有些国家规定窗墙比<0.4,以及空调房间采用镀膜反射玻璃,可反射约30%的太阳辐射热,或采用中空玻璃,晚间采用保温窗帘。玻璃的品种的选择还应取决于地区和节能的主要目标。

 

2.2 合理确定室内温、湿度

假设空调室外计算参数为定值时,夏季空调室内空气计算温度和湿度越低,房间的计算冷负荷就越大,系统耗能也越大。通过研究证明,在不降低室内舒适度标准的前提下,合理组合室内空气设计参数可以收到明显的节能效果。

2.2.1 温湿度变化对热舒适度的影响。

假定人所从事的是极轻劳动(例如宾馆、商场中),穿着一般的夏季服装,空气流动速度取0.25m/s,壁面温度和空气温度相同。在相对湿度为50%的条件下,仅使室内空气温度变化时,统计不同室内温度下的PPD值和不同相对湿度下的PPD值。经分析以上数据可以看出,室内空气温度改变对室内热舒适度的影响非常大,而相对湿度的变化对人的热舒适感几乎没有影响。

2.2.2 室内设计温度改变对空调能耗的影响。

以北京某4层办公楼为例进行的分析,采用冷负荷系数法计算出在不同室内设计温度tn下的设计空调冷负荷、湿负荷、制冷量以及以室内设计温度25℃为基准的节能率。由结果的变化规律可以看出随室内温度的变化,节能率呈线性规律变化,室内设计温度每提高1℃,空调系统将减少能耗约6%。

2.2.3 相对湿度的改变对空调能耗的影响。

仍对前述北京的4层办公楼为例,当设定室内温度为定值,仅改变室内相对湿度,计算不同相对湿度下的节能率,可以得出:当相对湿度大于50%时,节能率随相对湿度呈线性规律变化。由于夏季室内设计相对湿度一般不会低于50%,所以以50%为基准,相对湿度每增加5%,节能10%。

2.2.4 室内设计参数的优化组合。

通过以上分析可以很清楚地看到:室内空气温度对人的热舒适感影响很大,但对空调能耗的影响则比较小。而相对湿度对人的热舒适感影响很小,但是对空调的能耗影响很大。

综上所述,在确定室内设计参数时,为了保证较高的热舒适度,室内设计温度应取低一点,而在一定温度范围内,通过提高室内设计相对湿度的途径减少空调能耗。

 

2.3 采用合理的空调系统及冷源方案

空调系统的能耗是由风系统和水系统的能耗组成的。在风系统中,风机的能耗占相当大的比例;而水系统中,节约水泵与冷水机组的能耗才是节能中最关键的部分。

2.3.1 变风量空调系统节能分析

在空调系统中风机能耗占相当大的比例,因变风量(VAV)系统能随时跟踪建筑负荷的变化,及时调节送风量,从而可减少风机能耗,达到节能的目的;而且变风量系统便于分区调节,可满足不同房间的空调要求,因此,在商务楼宇的的设计中很适合采用。风机送风量调节方式很多,不同的控制方式节能效果也各不相同,有的方式节能效果高达49.7%。参见文献[1]。

利用能耗模拟软件HT B2/BECON对香港地区两栋办公大楼能耗进行定量的分析,比较了VAV系统和CAV系统的风机能耗与总能耗,预测了两个系统全年的能耗与VAV系统的节能情况。由模拟结果可知,一栋建筑在夏季VAV与CAV系统总能耗相近,仅减少6.4%,但早晚负荷偏低时,送风量仍有调节余量,所以VAV系统仍有优势;而在冬季由于负荷远低于设计负荷,所以两个系统能耗悬殊,相差25.9%;至于风机的节能效果则更明显,冬季高达62.2%,即使在冷负荷最大的夏季也可节能39.2%。而另一栋建筑冬季节能高达86%,夏季在60%以上,机组总节能效果24.8%~36.8%。

从以上两个系统能耗模拟数据可以看出,不论采用何种制冷方式,VAV系统的节能是不言而喻的,同时也是显著的。

2.3.2 冷水机组的节能分析

在空调系统中,一般来说冷水机组的能耗最大,因此降低冷水机组的能耗便成为空调系统节能降耗的最大问题。然而,一年之中,由于空调系统在部分负荷下运行的时间比较多,所以,全年耗能与制冷机部分负荷下的工作特性有关。通常根据最大负荷选择冷水机组。而实际使用条件通常都偏离设计条件,因此很难保证机组高效运行。因此,改进和提高机组部分负荷运行时的效率就成为空调系统节能的重要途径。而且在选择冷热源的方案时,也应考虑部分负荷时效率的问题。与此同时,还要加强控制,并根据具体情况制定出节能的运行方案。

 

2.4 减少输送系统的能耗

空调系统中,空气与水通常是冷量载体。输送过程能耗包括:通过传热的冷量损失和输送过程的流动阻力损失。对于输送冷量的水系统或空气的管路系统,克服流动阻力的能量又转变为热量导致冷量损失。减少输送过程的能耗主要可以从以下方面着手:

做好输送冷量的水管、风管的保温。
精心设计、正确计算系统阻力,选择合适的泵与风机的型号与规格,切忌选择流量、扬程或全压过大的泵与风机,避免不必要的能量损失。
在满足工艺和舒适条件下,应尽可能地增大送风温差和供回水温差。常规空调的冷冻水和冷却水温差为5℃,大温差系统冷冻水温度可增加到8~10℃,冷却水温差增加到8℃。常规的空调系统送风温差一般在6~10℃,最大不超过15℃,大温差系统的送风温差在14~20℃。大温差不仅可以减少输送过程的能耗,同时减少了管路的断面,从而降低了管路系统的初投资。但是大温差也会影响空调设备的性能。如冷冻水大温差会导致风机盘管、表冷器冷却能力和除湿能力的下降,为弥补这不利的影响,可以降低冷冻水的供水温度,这样又使冷水机组的性能系数降低和能耗增加。因此确定温差时必须对利弊充分估计。也就是说,应综合考虑系统总能耗(包括输送能耗和冷水机组能耗)、经济性、环境控制质量等多方面来选择合理的温差。


2.5 对系统加强管理,适当调节提高节能效益

2.5.1 加强日常管理

日常管理是建筑节能是否实际有效的关键。一个设计再好的节能系统,如果管理不善,一样达不到节能的目的。日常管理的节能措施有:

加强日常和定期的对设备和系统地维护。例如阀门、构件等的维护,防止冷、热水和冷、热风的跑、冒、滴、漏;冷凝器等换热设备传热表面的定期除垢或除灰;过滤器、除污器等设备定期清洗;经常检查自控设备和仪表,保证其正常工作等。
对系统的运行参数进行监测,从不正常的运行参数中发现系统的问题,进行合理的改造。经常出现的问题有设备选择过大,运行能耗高等。
不连续工作的空调通风系统,尽可能的缩短预冷的时间。并且在预冷时采用循环风,不引入新风。
人员数量变化比较大的系统,最热月和最冷月的新风量应该根据室内的CO2浓度检测器,自动控制新风入口阀门,调节新风量。例如商场,往往在刚开店或闭店前、或非节假日人数比较少,这时可减少新风量,从而节省冷量。
当过渡季节中室内有冷负荷时,应尽量采用室外新风的自然冷却能力,节省人工冷源的冷量。
根据季节的变换,合理设置被控制房间的温度,避免夏季室内过冷,冬季室内过热的现象。过冷或过热不仅使人感到不舒适,而且额外消耗能量。
2.5.2 合理的对设备进行调节

2.5.2.1 水泵的节能调节

水泵是水系统的动力来源,其能耗也是组成总能耗的重要部分。调查表明,空调水系统运行时普遍存在大流量小温差的问题。夏季冷水系统的供回水温差,较好地为3℃左右,差的只有1~1.5℃。而循环水量一般为设计水量的1.5倍。高层建筑供冷系统一般规模较大,能耗很大,节约潜力也很大。一个节能的制冷系统,不仅要求选择的设备性能和台数能与空调系统负荷的变化相适应,而且要求在运行中整个系统在各种负荷下能够保持能耗最小。

空调水系统在应用变频调速装置进行变流量运行时,可以不改变管路特性,而靠变化水泵工作点使之沿管路特性曲线移动,保持水泵在最高效率点运行,达到最大节能效果。对于闭式系统来说,在变频调速运行时,流量变化比与功率变化比的三次方成正比,当流量减少时,其实耗功率相当按三次方的比例降低。这对于目前空调水系统的设计水量与实际水量差别很大的情况来说,具有非常明显的节能意义。

2.5.2.2 冷水机组的节能调节与运行方案

在空调系统中,冷水机组的能耗是最大的。实际测试表明,冷水机组的COP随部分负荷的大小和机型的不同而变化。存在冷水机组在部分负荷下运行COP值不高这个问题的原因是多方面的。如对部分负荷时的节能优化运行认识不足,受传统调节控制模式的制约,制冷系统配件(如热力膨胀阀)存在缺陷,机组运行的安全要求(回油)得不到满足等等。因此为了使机组具备调节能力,常常由多台压缩机组成一台冷水机组,每个压缩机构成一个独立的制冷回路。运行时保持机组的冷凝压力恒定(或在一个较小的范围内变化)。众所周知,机组实际运行性能系数COP是由机组内部(制冷循环,压缩机效率、传热效果等)因素和外部条件共同影响的,而通常在部分负荷下运行时,其外部条件较满负荷时优越,环境温度相对较低。在不考虑传热性能变化影响的情况下,可充分利用环境温度的降低来降低冷凝温度、缩小压缩机的高低压力差以改善系统性能系数,COP最大能提高20%。许多研究者针对水冷冷水机组,从冷却水和冷水调节控制策略入手,获得了一些有效的优化运行的方法。

 

3 结语
从许多节能分析的文章可以看出,目前,我国的很多建筑中的空调系统都具有节能的潜力。而且节能也逐渐地引起了各个设计、施工和管理单位的注意。但是仍然存在着许多浪费能源的现象。要想做到空调系统的节能,也只有设计、施工到运行管理各个部门的通力合作,才能真正的实现。
 

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