城市辦公建筑空調(diào)制冷系統(tǒng)大氣排熱實測分析

城市辦公建筑空調(diào)制冷系統(tǒng)大氣排熱實測分析城市辦公建筑空調(diào)制冷系統(tǒng)大氣排熱實測分析

中圖分類號：TU119文獻標識碼：A

文章編號：1674-2974〔2022〕11-0125-08

目前中國每年城鎮(zhèn)新建公共建筑約3～4億m2，既有公共建筑約40億m2.根據(jù)現(xiàn)有的一些大城市的能耗實測資料，城市建筑中大型公共建筑的建筑總面積雖缺乏民用建筑總面積的5%，但特大型高檔公共建筑的單位面積能耗約為城鎮(zhèn)普通居住建筑能耗的10～15倍，一般公共建筑的能耗也是普通居住建筑能耗的5倍之多，公共建筑能耗巨大約占民用建筑總能耗的12%～14%[1].值得引起關(guān)注的是，公共建筑的全年能耗中大約有50%～60%耗費于空調(diào)制冷與采暖系統(tǒng)，因此與之對應的公共建筑空調(diào)制冷系統(tǒng)排熱量亦不容小覷[2].來自建筑空調(diào)制冷系統(tǒng)的大量排熱在城市大氣空間進行直接排放，勢必會改變建筑范圍甚至城市范圍內(nèi)熱濕環(huán)境，加劇城市熱島效應；同時，城市熱島效應的加重使得城市高溫出現(xiàn)頻率加大甚至造成高溫災害，為維持室內(nèi)舒適度，空調(diào)系統(tǒng)運行時間更長并且承當負荷更大，使空調(diào)設(shè)備運行狀況惡化而導致能效比降低及空調(diào)能耗增加，此時空調(diào)制冷設(shè)備需要從室內(nèi)抽取更多熱量并直接排放更多的冷凝熱至室外大氣環(huán)境，造成建筑周圍熱環(huán)境進一步惡化，如此形成惡性循環(huán)，降低人體日?；顒臃秶鷥?nèi)的熱、濕舒適度，最終違背了人們對工作和生活水平提高的意愿[3-5].

針對建筑空調(diào)排熱的研究在近年逐漸引起了各國學者的關(guān)注，并已發(fā)展了一系列研究.國外，Masson[6]提出城鎮(zhèn)能源收支模型TEB〔TownEnergyBalance〕是對城市環(huán)境中建筑人為排熱進行模擬的早期嘗試，該模型對目標建筑的負荷計算過于簡化；Kondo等人[7]研究了城市冠層內(nèi)人為排熱和大氣溫度兩者之間的關(guān)系，對空調(diào)設(shè)備顯熱和潛熱排熱比例作出1∶1的簡單若；Bueno等人[8]運用熱阻熱容網(wǎng)絡(luò)模型RC〔Resistance-CapacitanceNetworkModel〕建立建筑與城市環(huán)境間的能量流動關(guān)系并對圖盧茲市排熱與氣溫進行計算，研究發(fā)現(xiàn)夏季商業(yè)區(qū)熱排放平均值為220W/m2而導致氣溫升高1℃左右；Salamanca等人[9]應用氣象研究預測模型WRF〔WeatherResearch&ForecastingModel〕與多層建筑能耗模型的耦合模型對城市區(qū)域夏季連續(xù)10天的高溫氣候下空調(diào)系統(tǒng)排熱對大氣溫度的影響，研究發(fā)現(xiàn)空調(diào)排熱使城市局部區(qū)域近地2m內(nèi)的平均氣溫升高大于1℃.國內(nèi)，張弛等人[10]進行夏季空調(diào)排熱對上海市溫度影響的定性研究，通過若空調(diào)密度與樓層高度相對應而發(fā)現(xiàn)溫度上下與空調(diào)排熱分布的一致性良好，表明空調(diào)排熱是造成上海城市高溫的主要因素之一；樂地[11]、杜國付[12]、呂楠[13]等人應用CFD模擬技術(shù)對復雜城市區(qū)域建筑熱環(huán)境進行數(shù)值模擬，并分析冷卻塔周圍的氣流分布和溫度分布，以及冷卻塔冷凝排熱對周邊環(huán)境的影響.以上已有的國內(nèi)外研究工作大多屬于建筑人為排熱對城市熱氣候影響的數(shù)值模擬研究，一方面不足充足的現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)作為撐持，另一方面對建筑人為排熱從建筑類型和排熱方式、熱量類型不足細致的定量研究，因此很難更準確地把握建筑人為排熱和城市局地熱濕氣候形成之間的互動關(guān)系.

本文分別選取具備典型南、北方城市氣候特點的深圳市和北京市市區(qū)的4座大型辦公建筑作為具體研究對象，采用現(xiàn)場實測的研究辦法，對上述建筑的空調(diào)制冷系統(tǒng)各設(shè)備的運行參數(shù)進行持續(xù)動態(tài)的實測測試，實現(xiàn)了對建筑空調(diào)制冷系統(tǒng)排熱的定量分析，使得城市區(qū)域范圍內(nèi)建筑人為排熱與城市熱環(huán)境互動關(guān)系的研究具有實際意義.

1城市區(qū)域內(nèi)典型辦公建筑空調(diào)制冷系統(tǒng)

排熱實測

1.1深圳實測建筑及空調(diào)制冷系統(tǒng)概況

本實測研究當選取位于深圳市福田中心區(qū)西側(cè)的某國家機關(guān)業(yè)務綜合樓作為實測辦公建筑1，對該建筑空調(diào)制冷系統(tǒng)排熱特性進行連續(xù)實測.選取連續(xù)實測時間為2022年8月5日〔周一〕至8月11日〔周日〕整一周的時間，在此實測期間，深圳處于典型夏季高溫天氣以晴天為主，但受海洋氣候影響，個別測試日為暴雨天氣，測試期間室外最高溫度持續(xù)35℃以上.

該建筑為典型辦公建筑，由主樓和附樓兩個局部組成.其中主樓為辦公大樓，建筑層高4.5m，共22層；附樓為集會議廳、報告廳及娛樂室為一體的多功能建筑，建筑層高5m，共4層.空調(diào)制冷機房位于主樓負二層，冷源系統(tǒng)為3臺離心式中央空調(diào)冷水機組，其中2臺額定制冷量為3686kW的機組于工作日運行，另1臺額定制冷量為1230kW的機組用于周末備用運行.冷卻水系統(tǒng)共有5臺玻璃纖維機械通風橫流式冷卻塔，安裝于附樓樓頂，冷卻塔具體安裝位置的俯視圖如圖1中①～⑤位置所示，其中②～⑤號冷卻塔水流量為500m3/h，對應于2臺額定制冷量較大的冷水機組，①號冷卻塔的水流量為350m3/h，對應于另外1臺額定制冷量較小的冷水機組.為滿足建筑各局部不同功能要求，整個建筑的空調(diào)系統(tǒng)分為下列兩個系統(tǒng)：集中空調(diào)系統(tǒng)，主樓1～4層以及附樓1，2層為定風量系統(tǒng)，5～19層〔除12層〕為變風量系統(tǒng)；VRV空調(diào)系統(tǒng)：主樓12層、20～22層以及附樓3，4層采用VRV空調(diào)系統(tǒng).1.2北京市實測建筑及空調(diào)制冷系統(tǒng)概況

本研究還選取了位于北京市區(qū)內(nèi)采用不同空調(diào)制冷方式的3座辦公建筑2～4作為研究對象.每座辦公建筑均選取某一個典型工作日進行連續(xù)動態(tài)實測，在此實測期間，北京處于典型夏季高溫晴天天氣，測試期間室外最高溫度持續(xù)30℃以上.

各實測建筑根本情況及相應空調(diào)制冷系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)如表1所示.

1.3實測內(nèi)容及儀器

為研究建筑空調(diào)制冷系統(tǒng)的排熱規(guī)律以及對建筑周圍大氣熱濕環(huán)境所產(chǎn)生的影響，對所有與空調(diào)制冷系統(tǒng)排熱有關(guān)的參數(shù)進行實測，深圳和北京的測試參數(shù)和內(nèi)容辦法相同，主要包括大氣溫濕度、冷卻塔進、出風口溫濕度及風速、制冷機組冷卻水及冷凍水的供、回水逐時溫度及流量.在室外露天測試空氣溫度時，為避免太陽輻射影響而采取了相應遮陽措施.其中，大氣溫、濕度由溫濕度自計儀測得，以實測辦公建筑1為例，實測測點選取距冷卻塔邊緣30m、附樓樓面以上1.5m處，如圖1中⑦點位置所示；冷卻塔進風口空氣溫、濕度由溫濕度自計儀測得，測點選取每臺冷卻塔進風口前2m處；冷卻塔出風口風速由熱線風速儀測得，冷卻塔出風口空氣溫、濕度由溫濕度自計儀測得，測點均布置在每臺冷卻塔風機吸入側(cè)的收縮段喉部斷面上并按等面積環(huán)分布，如圖2中所示；冷卻水及冷凍水的進、出口溫度由熱電偶溫度采集自計儀測得；冷凍水及冷卻水流量采用超聲波流量計測量.

以實測辦公建筑1為例，測試參數(shù)及儀器如表2所示.實測建筑1的俯視圖以及空調(diào)系統(tǒng)測點布置圖如圖1～圖2所示.

2實測結(jié)果與分析

2.1冷卻塔進出風口空氣溫、濕度實測結(jié)果

對于實測辦公建筑1，在整一周的實測期間內(nèi)，室外大氣以及冷卻塔每個進、出風口測點空氣的溫度和相對濕度實時測試值均可通過相應測點處的溫濕度自計儀直接獲取，對于工作日期間多臺冷卻塔同時運行的情況，此處冷卻塔的進、出口空氣溫濕度值是指所有冷卻塔進出口空氣溫濕度的平均值，溫濕度值隨時間變化曲線如圖3～圖4所示.

從圖3中的空氣溫度變化曲線看到，在連續(xù)一周空調(diào)制冷系統(tǒng)運行的白天時間段內(nèi)，大氣溫度平均值33.51℃，冷卻塔入口和出口空氣溫度平均值分別為32.21℃及32.63℃，環(huán)境大氣溫度高于冷卻塔進、出口空氣溫度，而冷卻塔的出口空氣溫度較進口空氣溫度升高幅度較小僅為0.42℃.其中工作日12：00-16：00期間，冷卻塔排出口空氣對周邊大氣產(chǎn)生較為明顯的排冷降溫作用.根據(jù)大氣溫度及冷卻水溫度的實測值，在此期間大氣溫度較高，使得入塔空氣溫度與入塔冷卻水溫兩者溫差值較小，甚至出現(xiàn)入塔水溫低于入塔空氣溫度的情況，最終導致冷卻塔出口空氣溫度低于入塔空氣溫度.

圖4為空氣相對濕度變化曲線，由于冷卻塔式室外機主要以潛熱方式向外排熱，進出塔空氣的相對濕度值變化很大.在白天空調(diào)系統(tǒng)運行期間，冷卻塔入口空氣相對濕度平均值為67.7%，經(jīng)過與塔內(nèi)冷卻水進行熱質(zhì)交換后，冷卻塔出塔口空氣的相對濕度平均值根本穩(wěn)定在94.4%，以接近飽和的狀態(tài)排出塔外；而在空調(diào)系統(tǒng)關(guān)閉期間，冷卻塔進、出口空氣的相對濕度大體一致.室外大氣的相對濕度在白天時間段的平均值為40.5%，明顯低于冷卻塔排出口空氣幾近飽和的相對濕度平均值，因此冷卻塔排出的濕空氣對塔周圍濕環(huán)境的改變很明顯.

2.2空調(diào)制冷系統(tǒng)排熱的實測結(jié)果

根據(jù)如表2所示的各實測參數(shù)的測試數(shù)據(jù)，按公式〔1〕～〔3〕中所列冷卻塔全熱排熱、顯熱排熱及潛熱排熱計算公式對冷卻塔每個出風口的排熱量進行計算，最后經(jīng)匯總可得到整一周實測期間內(nèi)辦公建筑1的空調(diào)制冷系統(tǒng)單位建筑面積總?cè)珶帷⒖傦@熱及總潛熱排熱量隨時間變化曲線，如圖5所示.

如圖5中所示，在工作日，該辦公建筑1的空調(diào)系統(tǒng)運行時間為8：00-17：00，在2臺額定制冷量為3868kW離心式冷水機組先后開啟初期，空調(diào)制冷系統(tǒng)的單位建筑面積排熱量存在較大波動而峰值到達138W/m2，運行穩(wěn)定后，空調(diào)制冷系統(tǒng)單位建筑面積全熱排熱量變化也趨于穩(wěn)定在82.75W/m2高低波動，其中潛熱排熱的變化規(guī)律與全熱排熱大致相同，其單位建筑面積的實測平均值到達81.8W/m2；而單位建筑面積的顯熱排熱平均值很小僅為0.95W/m2，并在某些時刻因為冷卻水入塔溫度低于空氣入塔溫度而出現(xiàn)顯熱值負值的情況.在測試期間，空調(diào)制冷系統(tǒng)的潛熱排熱總值占總排熱量的98.85%，而空調(diào)顯熱排熱僅占總排熱量的1.15%.

在周末日，該辦公建筑中僅剩少量辦公室及局部娛樂空間需要開啟空調(diào)，此時僅開啟一臺額定制冷量為1230kW的小型離心式制冷機組及對應一臺水流量為350m3/h的冷卻塔，如圖5所示，空調(diào)排熱值較穩(wěn)定，單位建筑面積全熱排熱的日平均實測值保持在20.24W/m2，大約相當于工作日的22.2%，其中單位建筑面積潛熱排熱日均實測值為19.62W/m2，所占全熱排熱的比例為96.94%，而單位建筑面積顯熱排熱日均實測值為0.62W/m2，僅占全熱排熱的比例為3.04%.

2.3建筑空調(diào)制冷系統(tǒng)排熱與大氣溫濕度關(guān)系的實測分析

為分析顯熱和潛熱排熱分別隨主要影響因素大氣溫度和相對濕度變化規(guī)律，根據(jù)4座辦公建筑空調(diào)制冷系統(tǒng)在實測期間運行時的大氣溫濕度實測數(shù)據(jù)，并利用如表2所示實測參數(shù)的測試數(shù)據(jù)按公式〔1〕～〔3〕計算得到各辦公建筑在對應時間的單位建筑面積顯熱和潛熱排熱量隨時間變化值，變化規(guī)律分別如圖6～圖7所示.

圖6～圖7中，雖然各建筑實測期間對應的室外氣候條件各異，同時各建筑設(shè)計冷負荷指標及空調(diào)制冷系統(tǒng)型式也不盡相同，但4座實測辦公建筑的空調(diào)制冷系統(tǒng)單位建筑面積顯熱排熱量和潛熱排熱量都呈現(xiàn)隨室外大氣溫度和相對濕度升高而降低的一致趨勢.這是由于隨著室外大氣溫度及相對濕度值升高，入塔空氣干、濕球溫度與入塔水溫的溫差值減小，空氣水界面的水蒸氣分壓力差值減小使冷卻塔內(nèi)部熱濕交換驅(qū)動力下降，導致冷卻塔熱質(zhì)交換效率降低，顯熱及潛熱換熱量減小.圖6中建筑1，2，4空調(diào)制冷系統(tǒng)單位建筑面積的顯熱排熱值在-15～15W/m2范圍內(nèi)，而建筑3空調(diào)制冷系統(tǒng)單位建筑面積顯熱排熱值出現(xiàn)負值且數(shù)值較大約為-30～-70W/m2.分析原因是建筑3實測當日空調(diào)運行期間內(nèi)室外大氣溫度平均值偏高為34.5℃左右，入塔空氣溫度和室外大氣溫度接近為33.9℃，同一時間段內(nèi)冷卻水進塔水溫的實測平均值僅為31.4℃而明顯低于入塔空氣溫度.根據(jù)熱質(zhì)交換原理，濕式冷卻塔的散熱方式主要是接觸傳熱和蒸發(fā)散熱，此時塔內(nèi)水和空氣產(chǎn)生的接觸換熱使得空氣向水傳熱，因此空氣溫度下降明顯，而蒸發(fā)散熱主要表現(xiàn)在空氣側(cè)水蒸氣含量的增加，由此所引起的空氣溫度變化卻很小，因此，經(jīng)過塔內(nèi)熱質(zhì)交換過程，該建筑的出塔空氣溫度實測平均值為27.2℃反而低于入塔空氣溫度，并且進出口空氣溫差較大為7.3℃，因此建筑3的單位建筑面積顯熱排熱呈現(xiàn)較大負值.

圖7中建筑1，3，4空調(diào)制冷系統(tǒng)單位建筑面積的潛熱排熱平均值在75～130W/m2范圍內(nèi)，而建筑2空調(diào)制冷系統(tǒng)單位建筑面積潛熱排熱值為160W/m2較大于其他建筑.分析其原因是該建筑除常規(guī)的辦公房間外還包括多個潔凈實驗室，其空調(diào)冷負荷值大于其他一般辦公建筑，因此相應該建筑空調(diào)制冷系統(tǒng)全熱排熱量及占全熱排熱量絕大比例的潛熱排熱量也偏大于其他建筑.

2.4建筑空調(diào)制冷系統(tǒng)全熱排熱及制冷量與大氣溫濕度關(guān)系的實測分析

為分析辦公建筑空調(diào)系統(tǒng)全熱排熱、制冷量在室外大氣溫度和相對濕度兩個參數(shù)共同影響下的分布規(guī)律，根據(jù)4座辦公建筑空調(diào)制冷系統(tǒng)在實測期間運行時的大氣溫濕度實測數(shù)據(jù)，以及利用如表2所示的實測參數(shù)的測試數(shù)據(jù)按公式〔1〕和〔5〕計算得到的各辦公建筑相應時間內(nèi)單位建筑面積全熱排熱量及制冷量隨時間變化值，變化規(guī)律的三維分布圖如圖8～圖9所示.

從整體分布規(guī)律來看，當室外氣候條件從低溫低濕到高溫高濕變化時，冷卻塔傳熱傳質(zhì)性能下降，冷卻塔出水溫度進而偏高，從而導致建筑空調(diào)制冷系統(tǒng)的冷凝效果減低，最終使得實測辦公建筑空調(diào)制冷系統(tǒng)的單位建筑面積制冷量及全熱排熱量也隨之下降.

從具體數(shù)值來看，正如前面所分析，由于辦公建筑2的空調(diào)冷負荷值較其他辦公建筑偏大，因此辦公建筑2的空調(diào)制冷系統(tǒng)單位建筑面積全熱排熱量及制冷量均大于其他辦公建筑1，3，4.另外，各辦公建筑空調(diào)制冷系統(tǒng)的單位建筑面積全熱排熱量均大于對應的單位建筑面積制冷量，并且由于各實測辦公建筑的空調(diào)制冷機組實際運行性能參數(shù)不同，這4座辦公建筑實測期間單位建筑面積全熱排熱量與制冷量平均值的比值也不同，大致在1.29～1.56范圍內(nèi)，為體現(xiàn)建筑空調(diào)制冷系統(tǒng)向大氣排熱效率，此處提出建筑空調(diào)制冷系統(tǒng)大氣排熱效率比HRER〔heatrejectionefficiencyratio〕的概念，并可按如下公式進行描述：

HRER=Q.T/Q.E.〔6〕

式中：Q.T為空調(diào)制冷系統(tǒng)單位建筑面積全熱排熱量，W/m2；Q.E為空調(diào)制冷系統(tǒng)單位建筑面積制冷量，W/m2.由公式〔6〕可知，大氣排熱效率比HRER的數(shù)值越大，那么說明建筑空調(diào)制冷機組制取單位制冷量時向室外排放的熱量越多，反映了該建筑為維持建筑內(nèi)部熱舒適環(huán)境要求所需向外界的排熱對大氣熱濕氣候帶來的影響越大.

3結(jié)論

1〕在連續(xù)一