170亚热带地区校园建筑空调系统节能技术的应用分析

亚热带地区校园建筑空调系统节能技术的应用分析广东省冶金建筑设计研究院吕琪铭1，华南理工大学建筑设计研究院黄璞洁2，广东工业大学材料与能源学院能源工程系王长宏3摘要：在分析校园建筑功能和使用规律以及校园建筑空调系统的性能特点的基础上，以南方某高校新校区校园建筑空调系统为研究案例，探讨亚热带地区校园建筑空调系统中的节能环保技术与方法。研究表明：针对校园建筑的用途和结构规模不同，采用不同的空调机组可有效节能。针对校园建筑使用的时效性特点，采用变频技术合理调节新风量、冷冻水流量或冷凝水流量，可有效降低空调系统耗电量。对于校园建筑中有可能回收的热量都可以通过相关辅助设备进行回收，以达到热量再利用的目的。关键词：空调系统节能；校园建筑；废热回收；VRV；VAV1概述我国的建筑能耗约占总能耗的1/4，居能耗之首，而采暖和空调系统一直以来是建筑内部的能耗大户，相关数据显示，空调系统能耗占建筑内部能耗的50%以上【1，2】，有很大的节能潜力，所以采暖空调系统的节能问题已经迫在眉睫。与一般的公共建筑相比，校园建筑冷、热负荷有其自身的特点，它与建筑规模、使用功能、使用时段有密切关系。它的特点包括：(1)教学楼、体育馆、图书馆以及宿舍等功能建筑存在明显地不同时使用的关系，这就要求空调系统需分区或单独设置。(2)教学楼、图书馆等场所人员密集，因此空调系统的设计不仅要求满足室内温湿度要求，还要满足室内新风量的要求。由于该校园地处南方，过渡季节时间持续较长，因此还要求过渡季节可以长时间运行。(3)最不利气象条件基本出现在假期，但仍有少数学生会留校学习，故应考虑空调的变频设置。采暖通风与空调系统的用能过程主要由三大部分组成：冷源和热源的能量转换，冷、热源载体（水和空气）的输送以及房间的供冷、供热过程【3】。因此，只有选用合适的冷热源，合适的系统形式，才能满足校园建筑的功能要求，最大限度地降低建筑能耗。以下将以南方某高校新校区校园建筑的空调系统为研究对象，探讨目前较为先进的节能环保技术在校园建筑空调系统中的节能方法。2空调冷热源目前，校园建筑中最常用的空调制冷设备是中央冷水机组和变制冷剂流量多联分体式空调机组。其中，中央冷水机组分为水冷、风冷或蒸发冷却，它们的主要区别在于冷水机组的冷凝器形式不同。2.1水冷冷水机组水冷冷水机组的冷凝器是以水作冷却介质，靠水的温升带走冷凝热量。冷却水可以采用自来水、江河水、湖水等。冷却水可以一次使用，也可以循环使用。当冷却水循环使用时，系统中需设有冷却塔或凉水池。在规模较大，使用时段较集中的建筑物，如图书馆、文化交流中心和体育场馆等，本设计主要采用螺杆式和离心式冷水机组。一般来说，螺杆式冷水机组适用于中等冷量空调系统，在350～1163kW的容量范围效率较高，调节性能优越；离心式冷水机组适用于冷量需求较大的场所，通常容量范围大于1163kW，单机制冷能力大、性能系数高，能效比（COP值）可达到5.1～7.0【3-4】。根据冷负荷大小，本设计基本上采用机组大小搭配方案，设备配置见表1。数据显示，单机容量越大，制冷机组效率越高。此外，部分负荷率较低时，能效比（COP值）越低，螺杆式制冷机组的30%部分负荷性能系数（COP值）优于离心机组。因此在设备配置时，应根据负荷变化，大小搭配，使主机能适应负荷的变化高效运行，降低能耗。2.2风冷热泵的应用风冷式冷凝器是以空气作为冷却介质，靠空气的温升带走冷凝热量。风冷式冷凝器的传热系数小，一般约为23~25W/(m2·K)。由于传热系数小，所以取较大的平均温差（△t=10~15℃），以减少传热面积。这种冷凝器的冷凝温度受环境温度影响很大。夏季的冷凝温度可高达50℃左右，而冬季的冷凝温度就很低。风冷式冷凝器完全不需要用冷却水，因此它适宜于缺水地区或不适合用水的场所。一般情况下，它不受污染空气的影响，即一般不会产生腐蚀。而水冷式冷凝器用冷却塔的循环水时，则水有被污染的可能，进而腐蚀设备。由于空气的热容远小于水的热容，所以风冷热泵制冷的能效比（COP值）明显小于水冷冷水机组，COP值一般为3.2左右【4】。但对于冬季需要供暖的建筑，因其需求热量小和供热时间短，可以根据需热量选择空气源热泵冬季供热，夏季不足的冷量可采用效率高的水冷冷水机组补足，既可省去锅炉供热设备，避免燃烧燃料产生污染废气，又可节约投资、节约能源和运行费用。所以，冬季要求供暖的建筑，如图书馆、文化交流中心，则可采用风冷热泵机组，设备配置及相关参数可见表1所示。表1图书馆、文化交流中心和体育场馆设备配置参数空调场所图书馆文化交流中心体育场馆机组类型离心机螺杆机螺杆机螺杆机离心机离心机冷量配置（RT）450×2225×2300×2150×21000×2500×1耗电量（kw）274×2245×2200×2165×2585×2300能效比（COP值）5.753.215.323.206.245.85综合部分负荷性能系数（IPLV）6.443.65.963.586.986.5530%部分负荷性能系数（COP值）4.22.354.002.354.604.25备注热泵型热泵型2.3热泵式变容量多联分体机机组的应用VRV(variablerefrigerantvolume，变制冷剂流量)空调系统采用了变频控制技术，按室内机开启的数量控制室外机的涡旋式压缩机转速，变频控制范围可从25~100%进行调节，从而控制制冷剂的流量。VRV热泵机组是一种有效利用低温热能的节能技术，既可在夏季供冷，又可在冬季供热。热泵在冬季供热，就是制冷系统以消耗少量的功由低温热源取热，向需热对象供应更多的热量的过程。热泵的低温热源可以是室外空气、室内排气、地面或地下水以及废弃不用的其他余热【5-6】。在实际使用中，热泵的性能系数COP都能达到3~4。也就是说，用热泵得到的热能是消耗电能热当量的3~4倍。可见，供同样的热量，热泵比电热器省电。中央教学楼、学院楼群、科研实验基地、中央行政楼、生活及商业社区、学生活动中心和演奏中心等楼宇，因为空调系统的使用时段和负荷分散，存在低负荷率运行工况时间长的情况，所以设计者拟在这些建筑中采用变容量多联分体机空调系统（VRV）。VRV系统可以根据室内机开启的数量，利用变频技术控制涡旋式压缩机转速，从而改变制冷剂的流量。热泵式VRV系统的优越性在于它既能制冷又能制热（COP能达到3～4），尤其在部分负荷率较低的情况下，COP能达到较高的水平。用水冷机组和VRV机组的能耗作比较，图1显示VRV系统更适合以低负荷率运行为主的校园建筑，其在寒暑假（负荷率10%）及平时（负荷率60%）的能耗都远小于水冷机组。图2显示在各建筑中VRV的全年能耗均小于水冷机组能耗，可降低20%的能耗。由此可见，采用热泵式变容量多联分体机组空调（VRV）系统，不但省去锅炉供热设备的投资运行费用、避免燃烧燃料产生污染废气，而且系统在不同负荷率下始终高效运行，节约能耗。0.00E+002.00E+054.00E+056.00E+058.00E+051.00E+061.20E+061.40E+060%20%40%60%80%100%VRV机组水冷机组全年用电量/kW·h机组运行负荷率/%图1空调机组在不同运行负荷率情况下的耗电量比较0.00E+005.00E+051.00E+061.50E+062.00E+062.50E+063.00E+063.50E+064.00E+06中央教学楼生命科学院教育学院VRV机组水冷机组全年用电量/kW·h建筑名称图2校园建筑采用VRV机组与水冷机组的能耗比较3废(余)热回收再利用校园建筑中有可能回收的热量包括排风热量、内区热量、冷凝器排出热量等，这些热量品味比较低，都可以通过特殊设备进行回收，以达到热量再利用的目的。3.1排风系统的余热再利用新风能耗在空调通风系统中占有较大的比例。例如，图书馆、教学楼等建筑中新风能耗大约可占到空调总能耗的30%左右。为了保证房间室内空气品质，设计中采用空气-空气热交换器将排风中的冷（热）量传递给送风的热转移设备，从而减小制冷机组的装机容量，同时减少全年的能源消耗量和温室气体的排放。虽然初投资费用有所增加，但系统运行后可达到降低能耗和节省运行费用的效果。以图书馆为例，不使用任何全热回收装置时新风负荷约为1000kW，如果使用转轮式全热回收装置，新风负荷只需约300kW，节省电能70%。3.2空调冷凝热的回收空调热回收技术是根据能量守衡原理，把室内的热量转移到水中，进行能源的二次有效利用，既避免了废热对大气环境的污染，减少了热岛效应的现象，又免费提供了生活热水，有效节能【6】。冷凝热回收的过程是，在机组压缩机出口处与冷凝器之间安装一个热回收装置，该装置使高温的气体冷媒与待加热的20℃自来水进行热交换，将冷媒温度降下来；同时使水温提高到50℃左右。把排到大气中去的废热变为有用的热源，替代燃油与电加热生活热水。同时，冷凝热被吸收后降低冷却水和冷却塔的负荷，也有节电效果。目前，空调系统产生的冷凝水大部分是直接排放，空调冷凝水的再利用问题很少引起关注。如果将冷凝水加以利用，实际上是很好的节能手段。若假定该校新校区的空调设备装机容量超过110MW。空调系统运行过程中，空气处理机组、新风处理机组、风机盘管和空调室内机组等设备均产生一定数量的温度较低的凝结水。初步计算，1kW的冷量可产生约0.8kg/h的冷凝水，整个校园可回收80m3/h的冷凝水。由于冷凝水温度较低，一般只有15℃，如果将冷凝水回收，对空调室外机组的冷凝器喷雾处理，即可降低冷凝器表面温度，提高制冷机的效率。温度每降低1℃即可达到节约耗电量1.5%的效果。此外，冷凝水也可用作冷却水的补水来源。3.3内区、不同朝向空调区域的余热回收在许多大建筑面积的建筑物中，存在较大面积的内区。对于这种建筑，一般在有的房间需要制热的同时，另外一些房间需要制冷，而传统的空调形式都是只能同时制冷或者同时制热，室内的冷量和热量没有充分的利用，不仅使空调器容量大大增加，还造成能源的巨大浪费。理论分析和实测表明，在有内区的建筑物未按内外分区设置空调系统将无法满足环境舒适度的要求，而且会造成冷热量混合损失严重【7-9】。在该新校区校园建筑中，也可能存在较大面积的内区或不同朝向的房间，在某些季节一些房间需要制热而另一些房间需要制冷的情况。但传统的空调形式不能充分利用室内的冷量和热量，造成冷热量混合损失严重。为了解决这一问题，本设计拟考虑采用带热回收装置的VRV空调系统。它在同时制冷和制热运转状态下，通过全热量的回收操作来达到低负荷运行，并且使冷媒从负载较低处向负载较高处传递热量。对于内区发热量较大（在过渡季节或冬季也需供冷）的建筑物，这种运行方式比单独制冷加制热的运行方式节约15～20%的能量。4变频技术的应用节能4.1风机变频控制的空调系统目前，公共建筑空调系统一般采用三种方式：风机盘管加新风系统，定风量系统和变风量系统，前两种系统比较常用。变风量系统虽然存在初投资大、控制较复杂等问题，但节能效果最显著。根据风机特性曲线和管路阻力特性曲线间的关系表明，采用风机转速变频，风机在流量减小过程的功率降低的速率比流量降低的速率要大得多，且这种调节没有节流损失[10]。设计者拟在该校区图书馆、文化交流中心体育馆等面积较大的空调场所采用风机变频控制的空调系统，节省风机能耗。图3对变风量和定风量系统进行能耗比较，结果显示采用定风量空调系统，送风量并不能根据室内负荷的变化而变化，造成风机能耗的浪费。而使用风机变频技术即可实现实时改变送风量，风机耗电量低于定风量空调系统的风机耗电量。4.2变流量水系统空调冷冻水系统主要担负两大任务：（1）根据负荷变化，在大范围内调节末端装置的流量，以保证室内的空气参数符合要求；（2）保证冷水机组的流量不能低于最小值，以防止机内冻结，一般冷水机组所允许的流量波动范围较小。由于空调水系统的输送动力消耗量大，而且空调负荷绝大部分时间里处于低负荷状态，因此空调水系统的节能潜力很大[11-12]。目前变流量节能是较普遍采用的措施，它包括一次泵变水量系统和二次泵变水量系统和三次