地下工程空调系统的能效评价方法

子杰

(陆军工程大学国防工程学院 南京 210007)

随着城镇化进程的加快，人们越来越重视地下空间的开发与利用，其内部功能不断完善，导致工程内部空气环境保障难度和空调系统能耗日益增大。据统计，地下工程中空调系统的运行能耗占工程总能耗的比例高达50%～60%，因此开展地下工程空调系统的节能研究意义重大[1]。

空调系统的能效评价作为技术人员进行系统设计、设备运行管理的依据，对空调系统的节能降耗具有不可忽视的作用。目前国内外常用的有关空调系统能效评价指标主要有：COP、综合部分负荷性能系数(IPLV)、综合部分能效指标(IEER)、空调能量消费系数(CEC)、季节能效比(SEER)、全年性能效率(APF)等。这些评价指标有些侧重于单台设备或机组的能效评价，有些侧重工程“静态”负荷条件下的能效评价。作为一个评价指标，它应具有概念上的科学性、分析中的可比性及实施中的可操作性等特点。现有的评价指标用来评价空调系统的运行能效均具有较大的局限性[29]，原因在于现有评价方法主要考虑的是供给侧的能效，即计算系统所供给的冷量(或热量)与消耗能量的比值，其值越高代表能效越高，但对供给的冷量(或热量)是否超出工程所需的冷量(或热量)并没有予以考虑。

空调系统是一个典型的具有动态性、时变性、多扰性和不确定性等随机特性的非线性系统，其总能耗与工程实际负荷、室内外气象参数、设备运行状况等因素密切相关[10]。本文提出了一种能够反映地下工程空调系统动态运行能效的能效评价指标——运行需求能效比ODEER(operation demand energy efficiency ratio)，该评价指标以工程实际负荷为依据，通过分析提供这部分冷量的系统效能评价整个空调系统的节能效果，为地下工程空调系统的能效评价、节能设计和运行管理提供参考。

1 空调系统运行需求能效比

1.1 能效指标的建立

地下工程空调系统通常有两种运行模式，分别为满负荷运行模式和部分负荷运行模式。为了准确评价空调系统在不同运行状态下的能效，定义空调系统的运行需求能效比(ODEER)为在计算时间内，工程所需制冷量与空调系统所有设备耗电量的比值：

(1)

式中：T为某一评价时间，h；∑QT为在T时间内工程所需制冷量，kW·h；∑N为系统中所有设备的总耗电量，kW·h，工程所需制冷量和设备的耗电量均可通过模拟或实际测量。

由式(1)可知，空调系统运行需求能效比越高系统运行情况越好。该评价指标的计算方法简便易行、可操作性强，不仅能反映空调系统的制冷量和绝对能耗水平，还能反映满足一定制冷量条件下的空调系统的能耗水平，为空调系统的设计选型和节能改造提供依据。

1.2 子系统能效指标的建立

为了更加全面地分析空调系统的能效水平，建立各子系统的能效评价模型。地下工程空调系统一般由除湿机、风系统、冷却水系统、末端设备4个部分组成，如图1所示。

图1 地下工程集中式空调系统Fig.1 Centralized air-conditioning system for underground engineering

各部分的运行需求能效比定义如下：

1)除湿机的运行需求能效比ODEERATD：

(2)

式中：∑NATD为除湿机总耗电量，kW·h。

2)风系统的运行需求能效比ODEERFAN:

(3)

式中：∑NFAN为系统中所有风机的耗电量，kW·h。

3)冷却水系统的运行需求能效比ODEERCWS:

(4)

式中：∑NCW为系统中所有冷却塔配套的冷却水泵的耗电量，kW·h；∑NTW为系统中所有冷却塔的耗电量，kW·h。

4)地下工程空调系统的末端设备主要包括风机盘管、水环热泵机组等设备，定义末端设备的运行需求能效比ODEERTER:

(5)

式中：∑NTER为系统中所有末端设备的耗电量，kW·h。

因此，整个空调系统与子系统的运行需求能效比：

ODEER总=

(6)

1.3 能效评价方法

地下工程空调系统能效评价可以采取从整体到局部的分析策略，主要分为3个步骤：运行能效比的计算、能效判断及节能改造。流程如图2所示。

图2 地下工程空调系统能效评价流程Fig.2 Flow of energy efficiency evaluation for air-conditioning system in underground engineering

运行能效比的计算通常有两种方法：能耗模拟和实际测量。当工程的设计资料、产品信息较为完备时可以采取能耗模拟的方法：1)根据围护结构的热物性参数等建筑基本信息和气象参数计算工程负荷；2)结合空调系统形式推算出空调系统的送风状态、冷却水流量等信息；3)根据空调系统的能耗模型计算整个系统的能耗；4)将系统的初投资、设备使用寿命、维护管理费用等经济因素与系统能耗代入经济模块中，对系统进行经济性评价，能耗模拟方法的计算流程如图3所示[11-13]。

图3 能耗模拟方法的计算流程Fig.3 Calculation process of energy consumption simulation method

对于一些较难建模、基本信息部分缺失的工程，可以采取典型工况下实际测量的方法进行空调系统的能效评价，即在一段评价时间T内，将系统运行状态分为n个典型工况及对应时间Ti；然后针对每种典型工况进行设备的历史运行数据分析和现场测量，获得典型工况下的空调系统制冷量Qi和设备运行能耗Ni，则整个空调系统运行能效比为：

(7)

计算出空调系统的运行需求能效比后，将其与同类型空调系统的能效参考限值进行对比，如果其能效比大于限值，则可判定该系统能效达到标准，否则判定为未达标，进一步对子系统的运行需求能效比进行判断，为系统的下一步节能改造提供依据。

子系统的运行需求能效比的判断通式：

(8)

式中：三个分式依次代表能效高、能效正常、能效低；ODEERz为子系统的运行需求能效比；ODEERc为子系统或空调设备的运行需求能效比参考限值。

2 能效指标限值

2.1 除湿机的指标限值

根据人防工程节能规范，除湿机的制冷性能系数标准，如表1所示。

表1 除湿机制冷性能系数标准Tab.1 Standard of refrigerating coefficient of performance for dehumidification mechanism

结合式(2)可得除湿机的运行需求能效比ODEERATD参考限值，如表2所示。

表2 除湿机运行需求能效比参考限值Tab.2 Reference limit of operating-demand energy efficiency ratio of dehumidifier

2.2 风系统的指标限值

根据人防工程节能规范可知风机单位风量功率WS，如表3所示。

(9)

式中：P为风机的功率，W;G为风机的风量，m3/h。由式(3)和(9)联立可得风系统运行需求能效比参考限值，如表4所示。

表3 单位风量功率的参考限值Tab.3 Reference limit value of unit air volume power consumption

表4 风系统运行需求能效比参考限值Tab.4 Reference limit of operating-demand energy efficiency ratio of wind system

2.3 冷却水系统的指标限值

由标准[14]可知，冷却水输送系数(WTFCW)全年累计工况的限值为25，典型工况的限值为30：

(10)

式中：QCW为冷却水输送的热量，kW·h；Ncp为冷却水泵的耗电量，kW·h。参考标准[15]可知，冷却塔的风机耗电比α≤0.035 kW/(m3/h)：

(11)

式中：cw为水的比热容，kJ/(kg·℃)；ρw为水的密度，kg/m3；Δtw为冷却水的供回水温差，℃，典型工况时取5 ℃，全年累计工况时取4 ℃。

由于冷却水系统输送的热量QCW为空调系统在Δτ时间内的总制冷量加上系统中所有除湿机的耗电量，联立式(10)和式(11)可得冷却水系统的运行需求能效比：

(12)

计算得到冷却水系统的运行需求能效比参考限值，如表5所示。

2.4 末端设备的指标限值

由标准[14]和文献[16]可知末端设备运行需求能效比参考限值，如表6所示。

表5 冷却水系统运行需求能效比参考限值Tab.5 Reference limit of operating-demand energy efficiency ratio of cooling water system

表6 末端设备运行需求能效比参考限值Tab.6 Reference limit of operating-demand energy efficiency ratio of terminal equipment

3 实例分析

3.1 工程概况

该工程为夏热冬冷地区某小型深埋地下工程，空调区域的长l=52.2 m，宽b=10.8 m，高h=5.5 m，拱高f=3.2 m，其它热物性参数如表7所示。

表7 热物性参数Tab.7 Thermal physical parameters

夏季室外设计参数为干球温度为35 ℃，相对湿度为60.1%；室内设计温度为26 ℃，相对湿度为60%；设计人数为50人，每人新风量标准为30 m3/h，照明功率密度为15 W/m2，设备功率密度为20 W/m2。空调系统采用双管制定风量全空气系统，主要设备参数如表8所示。

3.2 系统能效分析

对该工程空调系统6、7、8三个月份的总运行能耗和除湿机、风系统及冷却水系统的能耗进行分项统计，结果如表9所示。其中7月份在工程内部进行了测试，期间空调系统处于满负荷运行模式，而6、8月份为日常维护期，空调系统处于部分负荷运行模式。

表8 系统主要设备参数Tab.8 Main equipment parameters of the system

表9 某小型地下工程空调系统的累计运行能耗Tab.9 Cumulative operating energy consumption of air-conditioning system

图4 某小型地下工程空调系统逐时冷负荷模拟值Fig.4 Hourly cooling load simulation of air-conditioning system

为计算该系统的运行需求能效比，采用正演模拟法模拟出该工程6～8月的逐时冷负荷，结果如图4所示。

由图4计算可知，该工程6～8月的总冷负荷为20 053.9 kW·h，其中7月份工程总冷负荷为17 025.4 kW·h，而6、8月份总冷负荷为3 028.5 kW·h。结合表9系统的运行能耗即可计算出该空调系统及各子系统的运行需求能效比，如表10所示。

表10 空调系统及各子系统的运行需求能效比Tab.10 Operating-demand energy efficiency ratio of air-conditioning system and subsystems

由表10可知，该工程空调系统夏季运行能效处于正常水平，但不同运行时期的能效差别较大，满负荷运行时期的能效比超出参考值21.1%，属于高能效范围；而部分负荷运行时期的能效比仅为参考限值的53.7%，处于较低的能效水平，因此需要对该空调系统进行节能改造。同样的系统，处于不同的运行模式时其能效水平差别很大，产生这一现象的原因在于此空调系统是针对工程满负荷运行时期的负荷进行设计的，当工程处于部分负荷运行时期时，其内部负荷仅约为满负荷时的10%，导致系统设备工作在能效较低的低负荷区。

计算出空调系统及其子系统的逐日能效比如图5所示。由图5可知，6月中上旬，空调系统及其子系统的运行需求能效比始终处于较低水平；在整个计算周期内风系统和冷却水系统的能效水平波动幅度较大，具有很大的节能改造空间。

图5 空调系统及其子系统逐日运行需求能效比Fig.5 Daily operating-demand energy efficiency ratio of air-conditioning system and its subsystems

3.3 系统改造方案

分析空调系统及其子系统的运行能效可知，该系统的除湿机组能效基本满足参考限值的要求，而风系统和冷却水系统的能效在部分负荷运行期始终处于较低水平，因此对系统的节能改造主要针对这两方面。改造措施为：对风机采取变频控制方式，根据人员数量和工程负荷来调节新风机和送风机风量，降低风系统能耗；对管网较复杂且输送距离较远的风系统，采用分布式动力系统[17]或风机串联的方式，使风机处于高效运行区；对冷却水系统则要进行水泵的更换，采取变频控制方式，并保证冷却塔周围良好的通风环境。

3.4 改造后运行能效对比

改造后工程在第二年6～8月期间的能耗如表11所示。

表11 改造后空调系统的运行能耗Tab.11 Operating energy consumption of air-conditioning system after retrofit

通过模拟计算得工程冷负荷为22 206.9 kW·h，其中7月份工程总冷负荷为19 002.6 kW·h，6、8月份工程总冷负荷为3 204.3 kW·h。结合表11中系统能耗可计算出改造后空调系统及其子系统的运行需求能效比，如表12所示。

表12 改造后空调系统及子系统运行需求能效比Tab.12 Operating-demand energy efficiency ratio of air-conditioning system and subsystems after retrofit

对比改造前后空调系统的能效比可以发现空调系统能效提高了18.9%，超过参考限值21.2%，达到了高能效的水平；对于风系统和冷却水系统而言，其能效比虽有所提高，但始终没有达到限定值，尤其冷却水系统，其能效比仅为限定值的30.6%～56.2%，因此需要更改空调系统形式或采取其他措施进一步提高空调系统的能效。

4 结论

1)对空调系统的能效评价是进行空调系统设计和节能运行管理的基础，本文针对地下工程的特点，提出运行需求能效比这一评价指标，给出定义和计算方法，建立了地下工程空调系统从整体到局部的能效评价方法，用以评价不同空调系统和运行模式的优劣。

2)选取夏热冬冷地区某小型地下工程为实例，对空调系统6、7、8三个月份的能效进行评价。结果表明：该系统能效在整个夏季处于正常水平，但不同运行模式的能效差别较大，部分负荷运行期空调系统的能效仅为满负荷运行时的44.3%，因此需要对该系统进行节能改造。改造后系统总能效提高了18.9%，但风系统和冷却水系统的能效始终未达到限定值，尤其冷却水系统，其能效比仅为限定值的30.6%～56.2%，需要进行设备的更换和空调系统形式的调整。

3)从理论分析和实例应用两方面验证了空调系统运行需求能效比这一评价指标的可行性和合理性，表明该评价指标能够为空调系统的设计提供有效指导，对既有工程空调系统的节能改造提供科学依据。