亞熱帶地區(qū)校園建筑空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用分析doc

1、亞熱帶地區(qū)校園建筑空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用分析廣東省冶金建筑設(shè)計(jì)研究院 呂琪銘1，華南理工大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院 黃璞潔2，廣東工業(yè)大學(xué)材料與能源學(xué)院能源工程系 王長宏3摘要：在分析校園建筑功能和使用規(guī)律以及校園建筑空調(diào)系統(tǒng)的性能特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，以南方某高校新校區(qū)校園建筑空調(diào)系統(tǒng)為研究案例，探討亞熱帶地區(qū)校園建筑空調(diào)系統(tǒng)中的節(jié)能環(huán)保技術(shù)與方法。研究表明：針對(duì)校園建筑的用途和結(jié)構(gòu)規(guī)模不同，采用不同的空調(diào)機(jī)組可有效節(jié)能。針對(duì)校園建筑使用的時(shí)效性特點(diǎn)，采用變頻技術(shù)合理調(diào)節(jié)新風(fēng)量、冷凍水流量或冷凝水流量，可有效降低空調(diào)系統(tǒng)耗電量。對(duì)于校園建筑中有可能回收的熱量都可以通過相關(guān)輔助設(shè)備進(jìn)行回收，以達(dá)到熱量再利用的

2、目的。關(guān)鍵詞：空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能；校園建筑；廢熱回收；vrv；vav1 概述我國的建筑能耗約占總能耗的1/4，居能耗之首，而采暖和空調(diào)系統(tǒng)一直以來是建筑內(nèi)部的能耗大戶，相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，空調(diào)系統(tǒng)能耗占建筑內(nèi)部能耗的50%以上【1，2】，有很大的節(jié)能潛力，所以采暖空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能問題已經(jīng)迫在眉睫。與一般的公共建筑相比，校園建筑冷、熱負(fù)荷有其自身的特點(diǎn)，它與建筑規(guī)模、使用功能、使用時(shí)段有密切關(guān)系。它的特點(diǎn)包括：(1) 教學(xué)樓、體育館、圖書館以及宿舍等功能建筑存在明顯地不同時(shí)使用的關(guān)系，這就要求空調(diào)系統(tǒng)需分區(qū)或單獨(dú)設(shè)置。(2) 教學(xué)樓、圖書館等場(chǎng)所人員密集，因此空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不僅要求滿足室內(nèi)溫濕度要求，還要滿足

3、室內(nèi)新風(fēng)量的要求。由于該校園地處南方，過渡季節(jié)時(shí)間持續(xù)較長，因此還要求過渡季節(jié)可以長時(shí)間運(yùn)行。(3) 最不利氣象條件基本出現(xiàn)在假期，但仍有少數(shù)學(xué)生會(huì)留校學(xué)習(xí)，故應(yīng)考慮空調(diào)的變頻設(shè)置。采暖通風(fēng)與空調(diào)系統(tǒng)的用能過程主要由三大部分組成：冷源和熱源的能量轉(zhuǎn)換，冷、熱源載體（水和空氣）的輸送以及房間的供冷、供熱過程【3】。因此，只有選用合適的冷熱源，合適的系統(tǒng)形式，才能滿足校園建筑的功能要求，最大限度地降低建筑能耗。以下將以南方某高校新校區(qū)校園建筑的空調(diào)系統(tǒng)為研究對(duì)象，探討目前較為先進(jìn)的節(jié)能環(huán)保技術(shù)在校園建筑空調(diào)系統(tǒng)中的節(jié)能方法。2 空調(diào)冷熱源目前，校園建筑中最常用的空調(diào)制冷設(shè)備是中央冷水機(jī)組和變制冷劑

4、流量多聯(lián)分體式空調(diào)機(jī)組。其中，中央冷水機(jī)組分為水冷、風(fēng)冷或蒸發(fā)冷卻，它們的主要區(qū)別在于冷水機(jī)組的冷凝器形式不同。2.1 水冷冷水機(jī)組水冷冷水機(jī)組的冷凝器是以水作冷卻介質(zhì)，靠水的溫升帶走冷凝熱量。冷卻水可以采用自來水、江河水、湖水等。冷卻水可以一次使用，也可以循環(huán)使用。當(dāng)冷卻水循環(huán)使用時(shí)，系統(tǒng)中需設(shè)有冷卻塔或涼水池。在規(guī)模較大，使用時(shí)段較集中的建筑物，如圖書館、文化交流中心和體育場(chǎng)館等，本設(shè)計(jì)主要采用螺桿式和離心式冷水機(jī)組。一般來說，螺桿式冷水機(jī)組適用于中等冷量空調(diào)系統(tǒng)，在3501163kw的容量范圍效率較高，調(diào)節(jié)性能優(yōu)越；離心式冷水機(jī)組適用于冷量需求較大的場(chǎng)所，通常容量范圍大于1163kw，單

5、機(jī)制冷能力大、性能系數(shù)高，能效比（cop值）可達(dá)到5.17.0【3-4】。根據(jù)冷負(fù)荷大小，本設(shè)計(jì)基本上采用機(jī)組大小搭配方案，設(shè)備配置見表1。數(shù)據(jù)顯示，單機(jī)容量越大，制冷機(jī)組效率越高。此外，部分負(fù)荷率較低時(shí)，能效比（cop值）越低，螺桿式制冷機(jī)組的30%部分負(fù)荷性能系數(shù)（cop值）優(yōu)于離心機(jī)組。因此在設(shè)備配置時(shí)，應(yīng)根據(jù)負(fù)荷變化，大小搭配，使主機(jī)能適應(yīng)負(fù)荷的變化高效運(yùn)行，降低能耗。2.2 風(fēng)冷熱泵的應(yīng)用風(fēng)冷式冷凝器是以空氣作為冷卻介質(zhì)，靠空氣的溫升帶走冷凝熱量。風(fēng)冷式冷凝器的傳熱系數(shù)小，一般約為2325w/(m2·k)。由于傳熱系數(shù)小，所以取較大的平均溫差（t=1015），以減少傳熱面積

6、。這種冷凝器的冷凝溫度受環(huán)境溫度影響很大。夏季的冷凝溫度可高達(dá)50左右，而冬季的冷凝溫度就很低。風(fēng)冷式冷凝器完全不需要用冷卻水，因此它適宜于缺水地區(qū)或不適合用水的場(chǎng)所。一般情況下，它不受污染空氣的影響，即一般不會(huì)產(chǎn)生腐蝕。而水冷式冷凝器用冷卻塔的循環(huán)水時(shí)，則水有被污染的可能，進(jìn)而腐蝕設(shè)備。由于空氣的熱容遠(yuǎn)小于水的熱容，所以風(fēng)冷熱泵制冷的能效比（cop值）明顯小于水冷冷水機(jī)組，cop值一般為3.2左右【4】。但對(duì)于冬季需要供暖的建筑，因其需求熱量小和供熱時(shí)間短，可以根據(jù)需熱量選擇空氣源熱泵冬季供熱，夏季不足的冷量可采用效率高的水冷冷水機(jī)組補(bǔ)足，既可省去鍋爐供熱設(shè)備，避免燃燒燃料產(chǎn)生污染廢氣，又可

7、節(jié)約投資、節(jié)約能源和運(yùn)行費(fèi)用。所以，冬季要求供暖的建筑，如圖書館、文化交流中心，則可采用風(fēng)冷熱泵機(jī)組，設(shè)備配置及相關(guān)參數(shù)可見表1所示。表1 圖書館、文化交流中心和體育場(chǎng)館設(shè)備配置參數(shù) 空調(diào)場(chǎng)所圖書館文化交流中心體育場(chǎng)館機(jī)組類型離心機(jī)螺桿機(jī)螺桿機(jī)螺桿機(jī)離心機(jī)離心機(jī)冷量配置（rt）450×2225×2300×2150×21000×2500×1耗電量（kw）274×2245×2200×2165×2585×2300能效比（cop值）5.753.215.323.206.245.85綜合部分負(fù)荷性

8、能系數(shù)（iplv）6.443.65.963.586.986.5530%部分負(fù)荷性能系數(shù)（cop值）4.22.354.002.354.604.25備注熱泵型熱泵型2.3 熱泵式變?nèi)萘慷嗦?lián)分體機(jī)機(jī)組的應(yīng)用vrv(variable refrigerant volume，變制冷劑流量)空調(diào)系統(tǒng)采用了變頻控制技術(shù)，按室內(nèi)機(jī)開啟的數(shù)量控制室外機(jī)的渦旋式壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速，變頻控制范圍可從25100%進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而控制制冷劑的流量。vrv熱泵機(jī)組是一種有效利用低溫?zé)崮艿墓?jié)能技術(shù)，既可在夏季供冷，又可在冬季供熱。熱泵在冬季供熱，就是制冷系統(tǒng)以消耗少量的功由低溫?zé)嵩慈?，向需熱?duì)象供應(yīng)更多的熱量的過程。熱泵的低溫?zé)嵩纯?/p>

9、以是室外空氣、室內(nèi)排氣、地面或地下水以及廢棄不用的其他余熱【5-6】。在實(shí)際使用中，熱泵的性能系數(shù)cop都能達(dá)到34。也就是說，用熱泵得到的熱能是消耗電能熱當(dāng)量的34倍?？梢姡┩瑯拥臒崃?，熱泵比電熱器省電。全年用電量/kw·h機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷率/ %圖1 空調(diào)機(jī)組在不同運(yùn)行負(fù)荷率情況下的耗電量比較中央教學(xué)樓、學(xué)院樓群、科研實(shí)驗(yàn)基地、中央行政樓、生活及商業(yè)社區(qū)、學(xué)生活動(dòng)中心和演奏中心等樓宇，因?yàn)榭照{(diào)系統(tǒng)的使用時(shí)段和負(fù)荷分散，存在低負(fù)荷率運(yùn)行工況時(shí)間長的情況，所以設(shè)計(jì)者擬在這些建筑中采用變?nèi)萘慷嗦?lián)分體機(jī)空調(diào)系統(tǒng)（vrv）。vrv系統(tǒng)可以根據(jù)室內(nèi)機(jī)開啟的數(shù)量，利用變頻技術(shù)控制渦旋式壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速

10、，從而改變制冷劑的流量。熱泵式vrv系統(tǒng)的優(yōu)越性在于它既能制冷又能制熱（cop能達(dá)到34），尤其在部分負(fù)荷率較低的情況下，cop能達(dá)到較高的水平。用水冷機(jī)組和vrv機(jī)組的能耗作比較，圖1顯示vrv系統(tǒng)更適合以低負(fù)荷率運(yùn)行為主的校園建筑，其在寒暑假（負(fù)荷率10%）及平時(shí)（負(fù)荷率60%）的能耗都遠(yuǎn)小于水冷機(jī)組。圖2顯示在各建筑中vrv的全年能耗均小于水冷機(jī)組能耗，可降低20%的能耗。由此可見，采用熱泵式變?nèi)萘慷嗦?lián)分體機(jī)組空調(diào)（vrv）系統(tǒng)，不但省去鍋爐供熱設(shè)備的投資運(yùn)行費(fèi)用、避免燃燒燃料產(chǎn)生污染廢氣，而且系統(tǒng)在不同負(fù)荷率下始終高效運(yùn)行，節(jié)約能耗。全年用電量/kw·h建筑名稱圖2 校園建筑

11、采用vrv機(jī)組與水冷機(jī)組的能耗比較 3 廢(余)熱回收再利用 校園建筑中有可能回收的熱量包括排風(fēng)熱量、內(nèi)區(qū)熱量、冷凝器排出熱量等，這些熱量品味比較低，都可以通過特殊設(shè)備進(jìn)行回收，以達(dá)到熱量再利用的目的。3.1 排風(fēng)系統(tǒng)的余熱再利用新風(fēng)能耗在空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)中占有較大的比例。例如，圖書館、教學(xué)樓等建筑中新風(fēng)能耗大約可占到空調(diào)總能耗的30%左右。為了保證房間室內(nèi)空氣品質(zhì)，設(shè)計(jì)中采用空氣-空氣熱交換器將排風(fēng)中的冷（熱）量傳遞給送風(fēng)的熱轉(zhuǎn)移設(shè)備，從而減小制冷機(jī)組的裝機(jī)容量，同時(shí)減少全年的能源消耗量和溫室氣體的排放。雖然初投資費(fèi)用有所增加，但系統(tǒng)運(yùn)行后可達(dá)到降低能耗和節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用的效果。以圖書館為例，不使用

12、任何全熱回收裝置時(shí)新風(fēng)負(fù)荷約為1000kw，如果使用轉(zhuǎn)輪式全熱回收裝置，新風(fēng)負(fù)荷只需約300kw，節(jié)省電能70%。3.2 空調(diào)冷凝熱的回收空調(diào)熱回收技術(shù)是根據(jù)能量守衡原理，把室內(nèi)的熱量轉(zhuǎn)移到水中，進(jìn)行能源的二次有效利用，既避免了廢熱對(duì)大氣環(huán)境的污染，減少了熱島效應(yīng)的現(xiàn)象，又免費(fèi)提供了生活熱水，有效節(jié)能【6】。冷凝熱回收的過程是，在機(jī)組壓縮機(jī)出口處與冷凝器之間安裝一個(gè)熱回收裝置，該裝置使高溫的氣體冷媒與待加熱的20自來水進(jìn)行熱交換，將冷媒溫度降下來；同時(shí)使水溫提高到50左右。把排到大氣中去的廢熱變?yōu)橛杏玫臒嵩?，替代燃油與電加熱生活熱水。同時(shí)，冷凝熱被吸收后降低冷卻水和冷卻塔的負(fù)荷，也有節(jié)電效果。

13、目前，空調(diào)系統(tǒng)產(chǎn)生的冷凝水大部分是直接排放，空調(diào)冷凝水的再利用問題很少引起關(guān)注。如果將冷凝水加以利用，實(shí)際上是很好的節(jié)能手段。若假定該校新校區(qū)的空調(diào)設(shè)備裝機(jī)容量超過110mw?？照{(diào)系統(tǒng)運(yùn)行過程中，空氣處理機(jī)組、新風(fēng)處理機(jī)組、風(fēng)機(jī)盤管和空調(diào)室內(nèi)機(jī)組等設(shè)備均產(chǎn)生一定數(shù)量的溫度較低的凝結(jié)水。初步計(jì)算，1kw的冷量可產(chǎn)生約0.8kg/h的冷凝水，整個(gè)校園可回收80m3/h的冷凝水。由于冷凝水溫度較低，一般只有15，如果將冷凝水回收，對(duì)空調(diào)室外機(jī)組的冷凝器噴霧處理，即可降低冷凝器表面溫度，提高制冷機(jī)的效率。溫度每降低1即可達(dá)到節(jié)約耗電量1.5%的效果。此外，冷凝水也可用作冷卻水的補(bǔ)水來源。3.3 內(nèi)區(qū)、

14、不同朝向空調(diào)區(qū)域的余熱回收在許多大建筑面積的建筑物中，存在較大面積的內(nèi)區(qū)。對(duì)于這種建筑，一般在有的房間需要制熱的同時(shí)，另外一些房間需要制冷，而傳統(tǒng)的空調(diào)形式都是只能同時(shí)制冷或者同時(shí)制熱，室內(nèi)的冷量和熱量沒有充分的利用，不僅使空調(diào)器容量大大增加，還造成能源的巨大浪費(fèi)。理論分析和實(shí)測(cè)表明，在有內(nèi)區(qū)的建筑物未按內(nèi)外分區(qū)設(shè)置空調(diào)系統(tǒng)將無法滿足環(huán)境舒適度的要求，而且會(huì)造成冷熱量混合損失嚴(yán)重【7-9】。在該新校區(qū)校園建筑中，也可能存在較大面積的內(nèi)區(qū)或不同朝向的房間，在某些季節(jié)一些房間需要制熱而另一些房間需要制冷的情況。但傳統(tǒng)的空調(diào)形式不能充分利用室內(nèi)的冷量和熱量，造成冷熱量混合損失嚴(yán)重。為了解決這一問題，

15、本設(shè)計(jì)擬考慮采用帶熱回收裝置的vrv空調(diào)系統(tǒng)。它在同時(shí)制冷和制熱運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下，通過全熱量的回收操作來達(dá)到低負(fù)荷運(yùn)行，并且使冷媒從負(fù)載較低處向負(fù)載較高處傳遞熱量。對(duì)于內(nèi)區(qū)發(fā)熱量較大（在過渡季節(jié)或冬季也需供冷）的建筑物，這種運(yùn)行方式比單獨(dú)制冷加制熱的運(yùn)行方式節(jié)約1520%的能量。4 變頻技術(shù)的應(yīng)用節(jié)能4.1 風(fēng)機(jī)變頻控制的空調(diào)系統(tǒng)目前，公共建筑空調(diào)系統(tǒng)一般采用三種方式：風(fēng)機(jī)盤管加新風(fēng)系統(tǒng)，定風(fēng)量系統(tǒng)和變風(fēng)量系統(tǒng)，前兩種系統(tǒng)比較常用。變風(fēng)量系統(tǒng)雖然存在初投資大、控制較復(fù)雜等問題，但節(jié)能效果最顯著。根據(jù)風(fēng)機(jī)特性曲線和管路阻力特性曲線間的關(guān)系表明，采用風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速變頻，風(fēng)機(jī)在流量減小過程的功率降低的速率比流量

16、降低的速率要大得多，且這種調(diào)節(jié)沒有節(jié)流損失10。圖3 不同情況下定頻風(fēng)機(jī)和變頻風(fēng)機(jī)的耗電量設(shè)計(jì)者擬在該校區(qū)圖書館、文化交流中心體育館等面積較大的空調(diào)場(chǎng)所采用風(fēng)機(jī)變頻控制的空調(diào)系統(tǒng)，節(jié)省風(fēng)機(jī)能耗。圖3對(duì)變風(fēng)量和定風(fēng)量系統(tǒng)進(jìn)行能耗比較，結(jié)果顯示采用定風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)，送風(fēng)量并不能根據(jù)室內(nèi)負(fù)荷的變化而變化，造成風(fēng)機(jī)能耗的浪費(fèi)。而使用風(fēng)機(jī)變頻技術(shù)即可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)改變送風(fēng)量，風(fēng)機(jī)耗電量低于定風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)耗電量。4.2 變流量水系統(tǒng)空調(diào)冷凍水系統(tǒng)主要擔(dān)負(fù)兩大任務(wù)：（1）根據(jù)負(fù)荷變化，在大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)末端裝置的流量，以保證室內(nèi)的空氣參數(shù)符合要求；（2）保證冷水機(jī)組的流量不能低于最小值，以防止機(jī)內(nèi)凍結(jié)，一般冷水機(jī)

17、組所允許的流量波動(dòng)范圍較小。由于空調(diào)水系統(tǒng)的輸送動(dòng)力消耗量大，而且空調(diào)負(fù)荷絕大部分時(shí)間里處于低負(fù)荷狀態(tài)，因此空調(diào)水系統(tǒng)的節(jié)能潛力很大11-12。目前變流量節(jié)能是較普遍采用的措施，它包括一次泵變水量系統(tǒng)和二次泵變水量系統(tǒng)和三次泵變水量系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)擬采用一次泵變水量系統(tǒng)。從圖4可見，如果采用一般的水泵，水泵的起停數(shù)量不能根據(jù)室內(nèi)負(fù)荷的變化及時(shí)變化，從而造成能耗的浪費(fèi)。而使用變頻水泵就可以根據(jù)建筑負(fù)荷的變化實(shí)時(shí)控制冷凍水流量，系統(tǒng)耗電量低于定流量系統(tǒng)的耗電量。圖4 不同情況下定頻水泵和變頻水泵的耗電量5 結(jié)論本文在分析校園建筑結(jié)構(gòu)和分布規(guī)律以及校園建筑空調(diào)系統(tǒng)的性能特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，以某高校新校區(qū)校園建

18、筑空調(diào)系統(tǒng)為研究對(duì)象，針對(duì)空調(diào)冷熱源組合方式的多樣性以及熱源變化的時(shí)效性，采用廢熱（余）回收技術(shù)和變頻技術(shù)，探討了亞熱帶地區(qū)校園建筑空調(diào)系統(tǒng)中的節(jié)能環(huán)保技術(shù)與方法。研究結(jié)果表明，針對(duì)各種校園建筑的特點(diǎn)合理使用節(jié)能方法，可以有效降低空調(diào)系統(tǒng)耗電量，達(dá)到節(jié)能的目的。參考文獻(xiàn)1 王靜偉，李念平建筑環(huán)境與空調(diào)節(jié)能j現(xiàn)代節(jié)能，2002,11:28-292 劉東，陳沛霖，張?jiān)评そㄖh(huán)境與暖通空調(diào)節(jié)能j節(jié)能技術(shù)，2001,2:17-193 陸耀慶實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)（第二版）m北京：中國建筑工業(yè)出版社，20084 電子工業(yè)部第十設(shè)計(jì)研究院空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)手冊(cè)（第二版）m北京：中國建筑工業(yè)出版社，20025 陸亞俊，馬最良，姚楊空調(diào)工程中的制冷技術(shù)m哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社，20016 邵雙全，石文星，李先庭等多元vrv空調(diào)系統(tǒng)性能研究j制冷與空調(diào)，2001, 1(6):12-167 張強(qiáng)，李德英，張建東v