空调新技术耦合应用的节能分析

程 浩，刘秋新

(武汉科技大学 城市建设学院，湖北 武汉 430070)

0 引言

当可持续发展成为我国发展战略，减少温室气体排放成为环保新热点后，节能作为最经济的减排措施，发挥着越来越大的作用［1］。随着城市化进程的不断加快和现代服务业的日趋发达，建筑能耗在全国总能耗中所占的比重就越大，而空调又是能耗大户，约占建筑能耗的65%左右［2］，因此，大力发展空调新技术对节能降耗起着积极的推动作用。

由于不同的空调技术其节能效果也随之不同，为了探讨这个问题，选取了武汉市六个实际工程，分别计算了其全年空调负荷、全年空调能耗以及部分空调系统能耗系数，利用计算结果对各空调工程在采用空调新技术和常规空调系统时的耗能量进行对比分析。

1 各空调工程性质及系统形式

对所选六个空调工程的性质、系统形式等基本情况列表如下。

表1 各空调工程性质及系统形式Tab.1 Properties and system forms of each air conditioning engineering

2 各工程空调系统能耗量

2.1 计算方法与过程

空调系统作为用户层面的用能终端有其特殊性，即受室外干球温度的影响，因此，要想将能耗和需求切实降下来就必须从源头——负荷计算开始，下面以工程1为例给出了空调系统能耗量的计算方法和过程。

图1 武汉市全年日干球温度Fig.1 Outdoor dry bulb temperature on each day of the whole year in wuhan

2.1.1 全年空调负荷

采用温频法模拟计算该建筑的全年空调负荷［3］，所用武汉地区逐时气象数据来自张晴原根据美国政府数据整理的CTYW(Chinese Typical Year Weather)。将武汉地区典型年气象数据按月划分，以2℃为温频段，每天24 h分为6个时段每个时段4 h，分别统计各温频段的小时数。图1为武汉市全年的日干球温度，图2为武汉地区全年温频数，表2为一班制的全年温频数(8∶00～18∶00)。

表2 武汉地区全年(8∶00～18∶00)BIN参数Tab.2 Annual BIN parameters for the single shift system(8∶00 －18∶00)in wuhan

图2 武汉地区全年温频数Fig.2 Annual temperature frequency in wuhan

文献［4］表明冷负荷、热负荷与室外干球温度T的关系式可归纳为

式中 CL——单位面积空调冷负荷/W·m－2;

HL——单位面积空调热负荷/W·m－2;

T——室外空气干球温度/℃。

设武汉地区在室外温度低于10℃时开始供暖，室外温度高于23℃时开始供冷，以供暖负荷为例用BIN参数进行计算，结果见表3。

表3 用BIN参数进行年供暖负荷计算表Tab.3 Calculation sheet of the annual heating load using the BIN parameters

同理可得年供冷负荷为81.16 kWh/m2，则空调年总负荷为126.79 kWh/m2，转化为一次能形式为14.97 TJ(1 TJ=1012J)。

2.1.2 空调系统年能耗

以热泵机组的制冷年能耗量为例进行计算，结果见表4。

同理可得热泵机组年供热耗电量为282 027 kWh，则热泵机组年总耗电量为768 834 kWh。结合文献［5］的计算方法，根据工程中辅助设备及空调末端设备的情况，并设空调机组累计运行时间为2 750 h/a，可以得到辅助设备年耗电量为338 710 kWh，空调末端设备年耗电量为424 476 kWh。则该工程中央空调系统的年总耗电量为1 532 020 kWh，由于我国目前实际条件的限制，如发电站效率低等，我国每千瓦时电实际耗费一次能较大。我国火电厂供电标煤耗量为414 g/kWh，即电能转化为一次能的换算率为12 131 kJ/kWh，故该办公楼中央空调系统的年总耗电量转化为一次能形式为18.58 TJ。

表4 热泵机组制冷年能耗量计算表Tab.4 Calculation sheet of the annual cooling energy consumption of the heat pump units

2.1.3 空调系统能耗系数CEC

2.2 不同空调技术时各工程耗能量

同理上述方法可以对其它各个工程的耗能量进行计算，同时，也将每个工程的冷热源与应用常规空调系统(电制冷冷水机组+锅炉)时的耗能量进行对比，液态输送系统的变频与定频对比，风系统的变风量与定风量对比，热回收技术与电加热对比，结果见表5。

表5 各工程耗能量对比汇总(单位:MWh/a)Tab.5 Summaries and comparisons of energy consumption for each engineering(MWh/a)

3 计算结果分析

3.1 空调新技术与常规空调冷热源能耗量对比分析

从以上计算结果可以得到各空调工程冷热源与应用常规空调时冷热源能耗量的对比分析柱状图，见图3、图4、图5。

图3 冷源能耗量对比图Fig.3 Comparisons of energy consumption for cold sources

图4 热源能耗量对比图Fig.4 Comparisons of energy consumption for heat sources

从图3可以看到除工程4和工程5的原有冷源与常规冷源相同而导致能耗相等外，工程1和工程3的能耗较常规空调时的分别减少了9.3%和13.8%，说明采用水源热泵加冰蓄冷作为冷源时能有效降低能耗，其平均降幅为11.6%。工程2和工程6的冷源能耗较常规时有所增加，其平均增幅为10.6%。原因在于单独采用地源热泵作为冷源时，能耗量较常规冷源平均减少2.0%，增加蓄冰后，由于系统运行时间的增加，夜间制冷机运行的COP值下降，能耗量较单独采用地源热泵时平均增加12.7%，由此可见冰蓄冷系统运行时本身并不节能，但其移峰填谷作用能使电网供电平衡，缓解电力工业减排压力［6］，减少了系统的年运行费用，同时也为国家“十二五”小火电关停工作做出了积极的贡献［7］，因此蓄冰技术的应用意义更远大些。图4显示出空调新技术所用热源较常规热源的能耗明显减少，其最大减幅为48.4%，最小减幅为30.4%，平均减幅为41.2%。从图5可以看出由于工程4所用冷源即为常规冷源，无热源，故其能耗相等，其它各工程冷热源全年能耗较常规空调冷热源时明显减少，最大减幅为28%，最小减幅8.5%，平均减幅为19.4%。充分说明采用空调新技术的冷热源能有效降低能耗。

3.2 输送系统能耗量对比分析

将各工程中液态输送系统的变频与定频，风输送系统的变风量与定风量对能耗的影响进行对比分析，见图 6、图7。

图6 液态输送系统能耗量对比图Fig.6 Comparisons of energy consumption for liquid delivery system

图7 风输送系统能耗量对比图Fig.7 Comparisons of energy consumption for air delivery system

由图6和图7可知液态输送系统和风输送系统分别采用变频和变风量均能降低能耗，对于液态输送系统，最大降幅为38.9%，最小降幅为21.3%，平均降幅为27.4%;对于风输送系统，最大降幅为44.6%，最小降幅为22.3%，平均降幅为32.4%。说明风输送系统采用变风量较液态输送系统采用变频对能耗量的影响更为显著。结合图6和图7，可知各工程输送系统总体节能量的最大平均幅值为31.6%。这正是充分利用变频技术三大节能原理，发挥其强大的节能作用的体现［8－9］。下面就各工程实际输送系统的综合能耗量与在假设条件下(均采用变频和变风量)的综合能耗量进行对比分析，见图8。

图8 输送系统综合能耗量对比图Fig.8 Comparisons of comprehensive energy consumption for delivery systems

从图8可以看出，由于工程1和工程4实际采用的就是变频和变风量技术，与假设条件相符，故其能耗量与假设条件下的相等。工程2和工程3的实际能耗量均比假设条件下的高，这是由于工程2采用的是定风量系统，工程3采用的是定频和定风量系统，由此，可以分析出工程2和工程3降低输送系统综合能耗量的潜力分别为26.3%和26.5%。

3.3 空调系统综合能耗量对比分析

将各空调工程子系统(冷热源、液态输送系统，风输送系统)均采用新技术时的综合能耗量与常规空调系统的综合能耗量进行对比分析，见图9。将各空调工程实际综合能耗量与采用新技术改良后的假设综合能耗量进行对比分析，见图10。

图9 空调新技术与常规技术综合能耗量对比图Fig.9 Comparisons of comprehensive energy consumption for new air conditioning technology and conventional technology

图10 空调系统改良前后综合能耗量对比图Fig.10 Comparisons of comprehensive energy consumption for air conditioning system before and after improvement

图9所示，空调新技术较常规空调系统的综合能耗量明显减少，最大减幅为32.5%，最小减幅为13.7%，平均减幅为26.3%，这也反映了应用空调新技术较常规空调系统的最大节能能力。由图10可以计算出工程2和工程3的节能潜力分别为18.4%和17.8%。

3.4 蓄能和热回收技术的节能效果

该六项空调工程中均用到了冰蓄冷或水蓄冷技术，一方面，利用当地的分时电价政策，其移峰填谷作用能为用户带来直接的经济效益，此六项工程平均每年可节约电费23万元;另一方面，蓄冷技术减少了电力系统的高峰负荷，按建设火力发电厂每千瓦容量4 000元计算，如能移峰10 000 kW，即可减少电厂投资4 000万元［10］，少建火力发电厂也就意味着节约一次能源。热回收技术通过回收冷凝热免费为卫生热水系统提供热量，就上述应用热回收技术的工程平均每年比使用电加热节能9 019 MWh。

4 经验关系式及降低空调系统能耗的措施

由工程1～4及文献［3］中工程的CEC和单位空调面积能耗量的计算，用最小二乘法求出其线性拟合方程，拟合直线如图11所示。

图11 单位空调面积能耗量与空调系统能耗系数的相关性Fig.11 The correlation of the energy consumption of unit air conditioning area and the coefficient of energy consumption

由拟合方程

可以看出要降低单位空调面积的能耗，就必须减小空调系统能耗系数CEC。在此，提出几条减小CEC的措施:

(1)从设计源头开始，做好空调负荷计算及负荷预测，选择合理的空调系统，充分利用各种空调新技术;

(2)在设备采购、施工、系统调试等方面执行严格的节能标准，优化输配管网和设备配置;

(3)建立科学的管理机制，优化运行策略和运行控制;

(4)每个人自身建立起科学、理性和负责任的能源消费观念。

只有落实好以上几点，才能真正的实现绿色空调，从而降低空调系统的能耗量。

5 结论

就全年能耗而言，与常规空调相比，冷热源采用热泵技术和蓄能技术可减少约19.4%的能耗，输送系统采用变频技术可减少约32%的能耗，整个空调系统应用新技术后节能平均幅值可达26.3%，若按武汉市每年新建公共建筑约160万m2计算，则每年可节能32 163 MWh。由单位空调面积能耗量与空调系统能耗系数的拟合方程可知，从设计、施工、调试、管理、充分利用空调新技术等方面着手可达到良好的节能目的。

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