（制冷及低温工程专业论文）公共建筑采暖、通风和空调系统的季节能效分析.pdf

摘要 摘要 本文就北京工业大学地热供暖示范工程( 包括中试工程) 进行了整个系统 的进一步季节监测，由于原有的监测系统，有数据间的干扰问题，数据一直不能 全部稳定的显示。本次在自动监测系统有了进一步改进的前提下，根据监测数据， 对整个系统的季节能效进行了计算分析；重点对于效率最低的过渡季，根据实测 数据，进行逐日、逐时和整个过渡季的季节能效分析。同时，还根据用d e s t 程 序计算出的冬夏逐时负荷的模拟数据，求出了冬季( 过渡季) 负荷变化的时间频率 百分数图谱，夏季负荷变化的时间频率百分数图谱，根据不同时间段的运行特点， 探讨其在不同时间段内的能效变化规律。另外，对系统中的设备进行了单个的分 析，以期在分析测试数据的同时能对系统的各个环节有较为详细的认识，提供降 低能耗的措施，用来指导今后该系统的运行，并对类似建筑的节能提供指导性的 建议。 针对我国的实际情况来研究机组在部分负荷运行下其能效的高低，对于我们 提高整个系统的能效，节约能源上均有重大的意义。由于a r l 5 5 0 5 9 0 1 9 9 8 标准 在适用于我国的情况下，具有一定的局限性，本文以该系统所使用的西雅特 l w p l 8 0 0 型热泵机组为例，重点分析了其在过渡季的效率以及在一天内机组效 率的变化情况。为今后热泵机组的高效运行提供参考性的建议。 关键词地热供暖系统、系统能效、时间频率百分数、运行测试分析、设备运行 分析 北京工业大学工学硕十学位论文 a b s t r a c t t h i sp a p e ri sm a i n l yf o c u so nt h ea n a l y s i so fs e a s o n a le n e r g ye f f i c i e n c yf o rt h e t o t a ls y s t e mo fg e o h e a t i n ga n da i r - c o n d i t i o n i n gi na c c o r d a n c ew i t ht h ei m p r o v e dd a t a o fm o n i t o r i n gs y s t e mf o rt h eg e o t h e r m a lh e a t i n gd e m o - p r o j e c t ( i n c l u d i n gt h e m i d d l e - t e s tp r o j e c t ) i nt h ec a m p u so fb e i j i n gu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y t h ee m p h a s i s h a sp u to nt h ea n a l y z eo fe n e r g ye f f i c i e n c yr a t i oh r - b y - h r , d a yb yd a ya n dt o t a l t r a n s i t i o ns e a s o nf r o ms u m m e rt ow i n t e ro rf r o mw i n t e rt os u m m e rw h i c hh a st h e l o w e s te n e r g ye f f i c i e n c yr a t i o a tt h es a m et i m e ，t h e f i g u r e so ft i m e - f r e q u e n c y p e r c e n t v s 1 0 a dp e r c e n th a sb e e nm a d ef o rw i n t e r , s u m m e ra n dt r a n s i t i o ns e a s o ni n a c c o r d a n c ew i t ht h es i m u l a t i o nh e a t i n ga n dc o o l i n gl o a dh rb yh rf r o mp r o g r a m d e s t a l s o ，t h ea n a l y s i sf o ras i n g l ee q u i p m e n to ft h es y s t e mh a sb e e nm a d eo n eb y o n e a n dh a v eac l e a rr e s p e c tf o rt h ee v e r ys i n g l ee q u i p m e n tw i t ht h em e a s u r i n g d a t a s oi tw o u l dp r o v i d eas e r i e sm e a s u r e so fe n e r g y - s a v i n gw h i c hw i l lb eu s e dt o g u i d e t h ef u t u r e o p e r a t i o n a l s o ，c o u l d b ea b l et o p r o v i d eg u i d a n c e a n d r e c o m m e n d a t i o n st ot h es i m i l a rb u i l d i n g sf o re n e r g y - s a v i n g i na c c o r d a n c ew i t ho u rc o u n t r y sa c t u a l c i r c u m s t a n c e s ，s t u d y i n gt h ee n e r g y e f f i c i e n c y l e v e lo fr e f r i g e r a t i o nu n i t o p e r a t i n gu n d e rp a r t1 0 a d , i th a sm a j o r s i g n i f i c a n c e f o r i m p r o v i n g t h ew h o l es y s t e m e n e r g ye f f i c i e n c y a n d e n e r g y c o n s e r v a t i o n t h ea r is t a n d a r da r l 5 5 0 5 9 0 19 9 8i sn o tt o t a l l ys u i t a b l ef o ro u r c o n d i t i o n b a s e do nt h et y p eo fh e a tp u m pu n i t sc i a t - - l w p18 0 0u s i n gb yo u r s y s t e m ，f o c u so ni t st r a n s i t i o nq u a r t e r , a sw e l la st h ee f f i c i e n c yc h a n g e so ft h eu n i ti n a d a y a l lt h e s ew o u l dp r o v i d eaf u t u r er e f e r e n c ef o rt h eh i g he f f i c i e n to p e r a t i o no ft h e h e a tp u m p k e yw o r d sg e o t h e r m a lh e a t i n gs y s t e m ，s y s t e me n e r g ye f f i c i e n c y r a t i o ，f i g u r eo f t i m ef r e q u e n c yp e r c e n t - l o a dp e r c e n t , o p e r a t i n g a n a l y s i s f o rs y s t e m ，e q u i p m e n t o p e r a t i o na n a l y s i s 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得j e 塞王些太堂或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 溯 弓。 本人完全了解j 匕塞王些态堂有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 虢牲k 新躲舞眺地锣 第1 章绪论 1 1 课题背景 第1 章绪论 我国建筑用能已超过全国能源消耗总量的1 4 ，并将随着人民生活水平 的提高逐步增长到1 3 以上。公共建筑用能数量巨大，浪费严重。在公共建 筑，特别是大型商场、高档旅馆酒店、高档办公楼等的全年能耗中，大约 5 0 , - - 一6 0 消耗用于空调制冷与采暖系统，2 0 - 3 0 用于照明。这些公共 建筑在节能方面具有很大的潜力，公共建筑节能设计标准提出这些建筑 在维护结构、采暖空调系统以及照明方面，共有节约能源5 0 的潜力。对全 国新建、扩建和改建的公共建筑，上述标准亦提出了节能要求，并从建筑、 热工以及暖通空调设计方面提出控制指标和节能措施【i 】。 当前人类正面临着可持续发展的考验，我国政府也提出了要建设节约 型社会的宏伟目标。节约能源是建设节约型社会的重要内容。节约能源的任 务不但十分繁重而且极为迫切阳】。 1 1 1 国内外公共建筑使用常规能源的能耗情况 国内公共建筑供热通风空调使用常规能源的系统主要集中在热源方面， 可分为空气源中央空调系统、水源中央空调系统。采暖空调中，由于空气来 源广泛，成为采暖空调优先发展的冷热源。空气源空调( 热泵) 在近几十年 的发展中逐步完善，特别是针对寒冷地区也有较广泛的应用。现在仍是空调 中的主导产品。水源热泵传热效果好，系统能效高，但受水源的局限，水源 热泵一方面需要充足的水源，另外对一定的水质还需要水处理设备，投资增 大。 国外的空调制冷系统，在热源应用方面考虑到本国的住房结构和对采暖 要求与亚洲国家的差异，空气源热泵技术的进步主要体现在以提高热泵低温 制热性能。水源热泵应用方面，还是受到水源的限制，侧重于地下系统的设 计。 多联式变冷媒热泵空调系统，目前以日本大金的、删，青岛海尔的m r v 与美的的m d v 为代表，它以制冷剂为输送介质，室外主机由室外侧换热器、 压缩机和其他制冷附件组成，末端由直接蒸发式换热器和风机组成。该形式 由于采用磁阻式直流电机、涡旋式压缩机、直流风机电机及p a m 脉冲振幅控 制i f l l m i o ( 多段输入输出) 及b p ( 冷媒分配器) 等先进技术，能够实现变频控 制，所以能节约能源，特别是部分负荷下节能明显溺。 北京t 业大学1 二学硕士学位论文 目前，国际上单冷媒多联系统主要有变频多联系统和变容多联系统。变 频多联系统起步较早，变容多联系统是最新发展起来的高新技术，能够很好 的解决容量调节等问题，成为单冷媒多联系统的发展方向【5 1 。 1 1 2 国内外公共建筑使用可再生能源的能耗情况 可再生能源是指风能、太阳能、水能、生物质能、地热能、海洋能等非 化石能源。地热能是新能源大家族中最为现实的能源，1 9 9 9 年国际地热协会 快讯( i g an e w s ) 报导了地热能、风能、太阳能、潮汐能利用现状的统计，地热 能的年产值占据了四类新能源总年产能的近8 0 t 6 l 。 地源方式为可再生能源利用，按照取热深度可分为深层地热空调系统和 浅层地源中央空调系统，浅层地源包括浅层地下水源和土壤源两大类。地源 热泵从浅层底层取热或放热，冬夏两用，不受季节的影响，季节能效高，无 污染物质的排放，是一种环境良好的产品。国内包括深层地热利用和浅层地 源利用，包括土壤源和浅层水源，湖水等。 近十年来，中国北方利用中低温地热用于供暖的工程发展迅速。如天津 市，近几年来每年约有4 5 口新地热并供暖工程在建设，天津市区和塘沽地 区的地热供暖面积约有1 8 0 万平方米 7 1 。北京市自1 9 9 9 年底开始，市计委安 排了5 个地热示范工程点，包括北京工业大学地热供暖梯级利用示范工程项 目。为实现2 0 0 8 年“绿色奥运”的目标也大力发展地热供暖。在上个世纪，由 于我国热泵技术尚未普及，在很大程度上限制了我国在低温热源方面的研究 和应用【8 1 。 近几年，在北京，低温地热水的研究和利用越来越受到科研人员和社会 的关注，许多地热水利用项目已经实施或正在实施。据调查，这些项目大多 利用低温的浅井水采暖和制冷，已经形成了一定的产业化 9 , 1 0 】。因此，低温 深井地热水系统中地热水井的开凿、取水以及室外系统的设计在国内已经基 本成熟并且经过实际工程的检验。国内高等院校对地热供暖系统的研究主要 集中在北京城市的高等院校，如天津大学、北京工业大学。北京工业大学地 热供暖课题组围绕低温地热供暖的不同工程模式做了深入研究，并进行了一 系列的小试试验、中试工程和大型实际工程。对低温地热水( 4 5 6 0 0 c ) 供 暖系统的不同方案和地热水供暖中峰值处理负荷的重要性【l l 1 z j 。天津大学对 地热供暖地热井的开凿、取热以及其回灌进行了一系列研究，为地热能的可 持续利用积累了一定的经验【1 3 】。 地源热泵供暖系统已在发达国家得到广泛应用【1 4 】，目前，美国、日本、意 大利、冰岛、新西兰、印度、菲律宾等世界上地热资源丰富的国家，地热能 在整个国民经济中已起到了一定作用。如冰岛首都及其它几个城市供暖全部 第1 章绪论 靠地热，仅此一项每年可节约1 3 亿美元；1 9 9 8 年地热在菲律宾电力供应中 已占1 9 ，并且还在继续增长【”】。而以美国为首的地源热泵得到了很大的发 展，在工程应用中，美国侧重于地源热泵全年冷热连供，欧洲冬季寒冷，多 侧重于冬季供暖。美国截止1 9 9 7 年底，已有3 0 万台地源热泵在运转，每年可 提供8 0 0 l1 0 0 0 g w h 功率用于供暖或空调。对整个欧洲来说，地源热泵主 要应用于新建房屋，系统末端可以提供地板辐射采暖。但是在各国家的应用 与发展是不平衡的。2 0 0 1 年，地源热泵在欧洲的总销售量是3 9 3 5 0 台，但其 中2 7 0 0 0 台是在瑞典。因此可以说，除了瑞典以及其他的几个北欧国家，地 源热泵在欧洲的市场渗透还是比较缓慢的。 1 1 3 国内外采暖、通风和空调系统能效分析的研究现状 2 0 0 4 年9 月1 6 日，对中国空调行业是具有里程碑意义的一天。房间 空气调节器能源效率限定值及能效等级( g b l 2 0 2 1 3 - 2 0 0 4 替代 g b l 2 0 2 1 3 - 2 0 0 0 ) ；单元式空气调节机能源效率限定值及能效等级 ( g b l 9 5 7 6 2 0 0 4 ) ；冷水机组能源效率限定值及能效等级三项国家标准 正式发布。此外，由国家发改委、国家质量监督检验检疫总局联合颁布的能 源效率标识管理办法也已颁布，将于2 0 0 5 年3 月1 日起正式实施。空调 将成为能效标识制度的首批用能产品之一，实施能效标识制度将是推进先进 节能产品的有力保障【1 6 】。 冷水机组能效限定值及能源效率等级g b l 9 5 7 7 2 0 0 4 见表1 1 。规定了 在对应的额定制冷量下，冷水机组的最低能效系数。 表1 1 冷水( 热泵) 机组制冷性能系数 t a b l e l lt h ep e a o n n a n c ec o e f f i c i e n to f e h i l l e r ( h e a tp u m p ) u n i t 类型额定制冷量( k w )性能系数( w w ) 1 1 6 34 2 1 1 6 34 6 1 1 6 35 1 风冷或蒸发 活塞式涡旋 5 02 6 北京1 二业大学丁学硕十学位论文 5 0 2 8 表1 - 2 为能源效率等级指标，取：活塞涡旋式：5 级，螺杆式：4 级，离 心式：3 级电机驱动压缩机的蒸气压缩循环冷水( 热泵) 机组，在额定制冷 工况和规定条件下，性能系数( c o p ) 不应低于表2 的规定。( 强制性条文) 表l - 2 能源效率等级指标 t a b l el 一2t h ee n e r g ye f f i c i e n c yi n d e x 额定制冷量能效等级( c o p ) ( w w ) 类型 ( c c ) k wl2345 风冷式或蒸发冷c c 5 03 2 03 0 0 2 8 02 6 02 4 0 却式c c 5 03 4 03 2 03 0 02 8 02 6 0 c c 5 2 85 0 04 7 04 4 04 1 03 8 0 水冷式5 2 8 1 1 6 36 1 05 6 0 5 1 04 6 04 2 0 能效等级的含义：l 等：企业努力目标，2 等：节能型产品，3 、4 等：我 国的平均水平，5 等：未来淘汰的产品。 根据调研，市场上主流厂商的离心机的能效能够达到2 级以上，位于2 级与1 级之间，部分离心式主流机型冷水机组的名义工况性能系数分布如下 图卜l 。 6 2 6 f o 5 8 5 6 5 辱 5 2 5 0 4 8 4 6 ： _ 唑兰：圹1 - - 工- _ ，欺1 童麓二- 。 叠： ：乏- ：一：- l 曩：1 ” 。 _ 主 墨 一毫 x 。冷量哑 8 0 01 6 0 02 4 0 03 2 阳4 0 0 04 8 0 05 卯d 图1 - 1 ：部分离心式机型冷水机组的名义工况性能系数分布 f i g1 - 1t h ed i s t r i b u t i o no f p e r f o r m a n c ec o e f f i c i e n tw o r k i n go nn o m i n a ls t a t u sf o rs o m e e e n t r i f u g r a lc h i l l e ru n i t s 单元式空气调节机能源效率限定值及能效等级( g b l 9 5 7 6 2 0 0 4 ) 规 定：名义制冷量大于7 1 0 0 w 、采用电机驱动压缩机的单元式空气调节机、风 管送风式和屋顶式空气调节机组时，在名义制冷工况和规定条件下，其能效 第1 章绪论 比( e e r ) 不应低于下表1 3 的数值。( 强制性条文) 表i 3 ：单元式机组能效比 t a b l e1 - 3t h ee n e r g ye f f i c i e n c yr a t i oo fu n it 类型能效比( w w ) 不接风管 2 6 0 风冷式 接风管2 3 0 不接风管3 o o 水冷式 接风管2 7 0 蒸汽压缩循环冷水( 热泵) 机组的综合部分负荷性能系数( i p l v ) 不宜低于 表1 - 4 的规定。 表1 4 蒸气压缩循环冷水( 热泵) 机组的综合部分负荷性能系数( i p l v ) t a b l e1 - 4i p l vo ft h ec h i l l e r ( h e a tp u m p ) u n i tw i t hv a p o rc o m p r e s s i o nc y c l e 综合部分负荷性能系数 类型额定制冷量( k w ) ( w 脚) 1 1 6 35 1 3 水冷 1 1 6 35 4 2 水冷式电动蒸汽压缩循环冷水( 热泵) 机组的综合部分负荷性能系数 ( i p l v ) 宜按下式计算和检测条件检测： i p l v = 2 3 x 4 + 4 1 5 b + 4 6 1 c + l o 1 刃 式中彳一1 0 0 负荷时的性能系数( w w ) ，冷却水进水温度3 0 ； 曰一7 5 负荷时的性能系数( w w ) ，冷却水进水温度2 6 ； c 一5 0 负荷时的性能系数( w w ) ，冷却水进水温度2 3 ； 刃一2 5 负荷时的性能系数( w w ) ，冷却水进水温度1 9 。 我国g b t1 8 4 3 0 1 2 0 0 i 蒸汽压缩环境冷水( 热泵) 机组一工商业用 和类似用途的冷水( 热泵) 机组中，规定按1 0 0 ，7 5 ，5 0 ，2 5 负荷 工况点测定部分负荷性能特性。通过统计平均，得到符合国情的不同水冷螺 杆、离心机组部分负荷能效比平均值，如下表卜5 。 表1 5 我国冷水机组部分负荷能效比的平均值 t a b l ei - 5t h ea v e r a g ev a l u eo fi p l vf o rs o m ec h i l l e r u n i ti nc h i n a 部分负荷能效比 i1 0 0 i 7 5 l 5 0 l 2 5 北京t 业大学工学硕士学位论文 螺 1 1 6 3k w4 6 25 1 ，l5 4 14 3 5 离 1 1 6 3k w5 1 05 6 85 5 64 4 5 对于1 0 0 负荷时的能效比应该与冷水机组能效限定值及能源效率等 级g b l 9 5 7 7 2 0 0 4 中第3 级( 离心) ，第4 级( 螺杆) 相协调。 针对产品能效标准的出台，天津大学热能研究所马一太对集中空调能效 有一定的研究，通过一定数据模拟计算，预测了2 0 0 3 年至2 0 2 0 年中国中央空 调的节能量和环保潜力【1 7 1 。对于能效分析，借助2 0 0 4 年国家对节能的重视， 相关法律法规颁布实施，中央空调系统的能效分析是当前热点问题，其他科 研单位和中央空调管理部f - i x 中央空调系统的节能也有一些初步研究。随着 能效标识的推进，不仅中央空调设备能效，空调整体系统能效的也必将引起 大众的重视，这是本文选择该课题的目的。 美国能源部对空调设备建立了能效标准，如根据a s h r a e i e s n a s t a n d a r d9 0 1 1 9 9 9 标准及a r i 南i 定的相应标准。根据实际情况每隔一定年限 对标准进行更新【l8 1 。该标准帮助用户基于企业所估计的能耗来选择设备或系 统。同时还可以分析运行周期与负荷来估计安装能耗。a s h r a e 与a r j 有成 文的标准规定了设计标准、测试标准和运行标准。a r i 对空调设备与设备的 其他附件也做了相应能效等级的规定。这两个组织的标准有相互的比较可供 读者的参考。 a s h i 籼标准作为美国建筑物最基本的能耗标准已经有3 0 年的历史了， 并已被引入美国联邦法律中。获得了a n s i 的认可成为了美国的国家标准， 同时成为了国际标准i s o 的基础。 美国能源部对提高住宅建筑中空调能效标准对消费者的使用周期投资 的影响进行了研究，发现将空调能效标准s e e r 由1 0 提高至l j l 3 对大多数消费 者是有利的【1 9 】。美国首先提出综合部分负荷性能系数i p l v 的概念，1 9 8 6 年开 始应用，1 9 8 8 年被美国空调制冷协会a r i 采用，1 9 9 2 年和1 9 9 8 年进行了两次 修改。1 9 9 8 年a r i 又将这两项标准合并修订为a r l 5 5 0 5 9 0 - 1 9 9 8 标准。 美国a s h r a e 标准9 0 1 2 0 0 1 建筑节能标准，对空调冷源规定最低c o p 和i p l v 值。 第l 章绪论 i p l v ( n p l v ) = a a + b b + c c + d d ( a r i5 5 0 5 9 0 1 9 9 8 标准) i p l v( n p l v ) = 0 0 1 a + o 4 2 b + 0 4 5 c + 0 1 2 d 其中：a 、b 、c 、d ：1 0 0 、7 5 、5 0 、2 5 时c o p ( e e r ) ： a 、b 、c 、d 四个系数( 权值) 是基于现实的数据和情况确定，对美国2 9 个 城市的气温进行加权平均，对所销售制冷机的比例作为权重系数。( 2 9 个城 市涵盖t a s h r a e 所划分8 个气候区中的6 个区，包括了全美8 0 制冷机的销售 量) 表l _ 6 不同国家的i p l v 权重 t a b l ei - 6w e i g h t e dd a t af o ri p l vi nd i f f e r e n tc o u n t r i e s 权重( ) 负荷( ) 美国a r i欧洲e e c c a c意大利e m p e英国l o n d o n 1 0 0 l31 0l 7 54 24 l4 09 5 04 53 33 0 4 5 2 51 22 32 0 4 5 i p l v 作为冷水机组的能耗考核指标已被广泛采用，当今采用i p l v 的有 a s h r a e 9 0 1 建筑节能标准、f e m p ( 美国联邦能源管理程序，作为采购冷水机组 的标准) 、多数美国建筑节能标志、加拿大建筑节能标志等：拟采用的有i s o 全 球冷水机组标准( t c 8 6 s c 6 w g 9 ) 、欧洲冷水机组标准( e e c c a c ) 、英国冷水机 组标准( l o n d o n ) 和意大利冷水机组标准( e m p e ) ，可以说i p 乙v 己在全世界得到 了认可t 2 0 】。上表为不同国家的i p l v 公式可以计算相应的i p l v 值。 i p l v ，这个概念的提出，针对实际系统的运行是一个很好的方向，有助 于更合理的描述机组的运行状态。但它还不能很好的适用于我国的情况，i p l v 的公式也仅限于系统中只有台机组工作时的情形，所以针对系统中存在多 台机组同时运行时的情况还有待进一步研究。 现在业内的热点为以暖通空调系统节能为目的，从机组，设备的选取等 方面，侧重能耗的模拟设计，为用户提供一套降低能耗的优化方案【2 1 2 2 2 3 1 。 开利公司d a v i da g r e c o 销售工程师为用户提供了一套冷机水系统优化匹配方 案。根据a r l 5 5 0 5 9 0 9 8 标准，对于如何来评价整个系统的优劣现在并没有 确定的方法，但现在可以对冷水机组进行评价，也就是c s o ( c h i l l e rs y s t e m o p t i m i z e r ) 可以帮助我们估计冷机的能耗，对比不同的系统来决定哪个最高 效，对比大小冷却塔的优劣，还可以计算带经济器的制冷循环节约的能量。 从模拟软件的输出看，冷机运行在较低的冷凝水温时，冷机会有更大的出力。 这样就等同于使用较少的冷却塔和水泵。如果系统需要1 5 0 0 冷吨的制冷量， 那么我们最好的选择就是使用三台5 0 0 冷吨的离心冷机，这样能量便于分级调 节。该软件通过输入基本的建筑信息，包括当地的气象参数，系统负荷，机 北京工、j k 大学丁学硕十学位论文 组的流量控制等，可以计算出冷机逐月的能量消耗，并出具系统p l v 报告， 冷凝器温度文件，以及系统性能等文件【2 4 】。 总而言之，开利公司开发的c s 0 软件可以提供真实的系统模拟，来减少不 必要的能量消耗。其次，可以通过输入不同系统的基本数据从而获得不同的 冷机的能耗的比较结果。对用户来说，是一个非常有意义的参考工具。 日本是一个资源贫乏的国家，一直致力于能源的高效利用，在空调领域 同样如此。对空调系统能效的提高是通过设备的更新，即开发高性能设备提 高空调器的能效1 2 5 1 。 目前已经有3 7 个国家和地区实施了能效标识制度，提高了设备的能效， 取得了显著的节能、环保和经济效益。e e r 是在额定工况下，机组的能效比， 它在一定程度上不能真实地反映机组的运行，为考虑机组的开停损失。所以 引入s e e r 来评价机组的性能。s e e r 比e e r 更合理，它反映了实际系统的真 实能耗。但s e e r 的计算原理及测试方法都比较复杂，同时也希望我国s e e r 评价及测试方法早日颁布，以满足空调器厂家统一s e e r 评价及测试的标准 1 2 6 o 2 0 0 5 年在中美采暖能效研讨会上，a s h r a e 标准制定的相关人士阐述了对 h v a c 系统的能效的制定所作出的努力。机组的所有单元均在一机箱中放置， 包括压缩机，冷凝器，蒸发器与风扇，其能效比用e e r 来评定。在部分负荷 时用i p l v 。包括冷水机组与冷却塔，水泵等，不能用一个机箱来容纳的系统， 特别是对于大型公共建筑系统，其能效用c o p 或k w t o n 来表示，在部分负荷 下运行，用i p l v 表示。部分负荷有四档，分别为1 0 0 ，7 5 ，5 0 ，与2 5 不 过也有一定的地域和条件限制。整个系统是由各个部分组成的，所以系统能 效的提高还有待于各个设备能效的提高以及系统中各设备之间良好的匹配 关系。这方面的工作还需要进一步的努力。 1 2 课题来源以及研究的主要内容 进入新世纪新阶段，随着现代化建设和人们生活水平的提高，大型公共 建筑的兴起，中央空调系统普遍应用于大型公共建筑。中央空调系统的应用 呈现急剧上升的趋势。但对其系统的能效分析还没有该方面的研究，其节能 型举措还没有真正摸透，以及究竟最大限度可以节约多少能源，较高的初投 资究竟多少年能通过节约的运行费回收即寿命周期等问题没有可信、真实的 数据。国内外只是对机组的能效有相应的标准，而对整个系统的能效还没有 相应的标准的制约。本课题以这个为研究目标，也算是一个大胆的尝试。 本课题项目来源于北京市科委：“地热能梯级利用供热系统研究 。主 要包括：深井地热热泵供热、制冷中央空调系统；地源热泵中央空调系统以 第1 章绪论 及其他类型中央空调的试验台。以公共建筑采暖、通风和空调系统的季节能 效分析作为我的课题，其主要研究内容有以下几个方面： 1 、进一步对本校的综合科技楼、图书馆与经管楼地热热泵机房的测试 研究并进行d e s t 的模拟。一是分析长期运行中的地热梯级利用系统的能耗 和影响因素，如：热泵、水泵、水系统的问题；其水源侧、负荷侧的供回水 温度，水流量等重要参数的分析和改进。二是发现地热系统长期运行中影响 能耗的各种问题，如：结水垢问题，发生在负载增加，运行几年后，地下热 储的水温度和动水位变化，这又涉及到可持续利用这样一个根本问题。 2 、参与地源热泵系统新工程的设计并侧重进行系统的能效分析。 3 、其他系统的能效分析，例如利用普通能源的空调系统。 4 、运行方式的改进。是对房间的温湿度进行检测，解决热泵长期在部 分负荷下运转的状况，禁止出现“大流量、小温差”的传统弊端，达到节能， 提高能效的目的。 5 、测定热泵、水泵占总能耗的比值。并对其性能进行测试，对其工作 过程实现监控，对采集的数据最终分析，并设法提高其本身的能效比。 6 、进行系统的能效分析。可以从空调机组能效比和空调机组部分负荷、 季节能效比以及冷水机组或单元式机组的综合部分负荷值方面做出分析并 对系统的改进提出建议。 1 3 本人在研究中所做的工作 l 、完成了北京工业大学地热供暖示范工程综合科技楼冬季供热系统逐 日，逐时测试，夏季中央空调系统逐日，逐时测试以及数据处理； 2 、完成了北京工业大学地热供暖示范工程综合科技楼冬季供热系统， 夏季中央空调系统运行情况模拟以及数据处理； 3 、完成了中央空调系统( 供暖+ 制冷) 测试数据的分析和系统能效的分 析； 4 、完成了北京工业大学地热供暖示范工程( 中试工程) 经管楼冬季供 热系统逐日，逐时测试以及数据分析处理，包括系统能效的计算； 5 、完成了北京工业大学地热供暖示范工程一综合科技楼热泵机组的能效 测试及数据处理； 6 、参与地源热泵系统新工程的设计并侧重进行进行前期负荷的模拟与 计算，后又参与系统图的绘制，以及机组的选取工作。 第2 章建筑物负荷模拟软件的应用及计算结果分析 第2 章建筑物负荷模拟软件的应用及计算结果分 析 建筑负荷是空调设计的最基础的数据，是系统方案设计，设备选择等一 系列工作的前提。过去一直靠设计人员凭经验来设计的系统，往往会出现设 计负荷远远偏离系统实际的运行负荷，再加上保守的思想，造成大马拉小车 的现象不鲜见。这将是很大的能源浪费。如何能使设计的系统能很好的贴近 建筑的实时负荷，这就需要我们做好前期负荷的计算工作，要做到既细又准， 既能很好的满足建筑物采暖空调的需要，又能节约更多的能源【2 7 1 。 建筑负荷受到很多因素的影响，包括室外气象参数，阳光辐射，室内人 员，灯光，设备等。所以空调系统的运行也应该随着环境的变化而变化，这 样才更贴近系统的真实变化，才能更有效的节能。系统不是在一个额定的负 荷下运行，同时这个负荷一般也是一年中很少出现的情况。鉴于建筑环境的 变化是由众多因素决定的一个复杂的过程，而对负荷进行动态分析的目的是 一种较为有效的掌握负荷变化规律的方法【2 羽。在这一方面，美、日等国的科 研和工程技术人员曾做过不少工作。在我国，模拟技术自上世纪6 0 年代应用 于建筑业一来，取得了许多重要的成果，形成了若干建筑模拟软件。 当前，国内外对建筑能耗计算方法的研究和软件的开发也屡见不鲜。计 算方法已经非常成熟，比较知名的软件也非常多。比如国外的d o e 一2 、 e n e r g y p l u s ，e q u e s t ，国内的c h e c 、d e s t 等【2 9 1 。 眵7 7 毫 瓤 |、 。i-毒 ， 、 ：f 一 。； 吖 蟛 s i r r “a f i o no f e q u m 踟tl o a d - jl ：h a a d e 倒o n o f 1 ) e ! 、旭i o o r r b n la n d ， b u i l d i n gs t o c k ： m r i e s p b s s ib l es o t o e s b u i l d i n gp r o t o t y p e s j a 3 臼c s f f b s s i u et c d s ： j 。f 忒 州e e 3 l f l d n g ， 。瑚i m i n d u s 时d a t a i r a s t ，d ( ) e 2 1e d 湘1 a n dp 诵l e s z 。h 一 | ； ，。，乡 矿 日嘲yp l 惦) 。 迂：， 。一；。，、，k：j 圈曲目 画画画 章 昌爸爸 羞 图2 - ib l a s t 模拟软件的模拟过程 f i g2 - 1t h es i m u l a t i o np r o c e s so fe n e r g yc o n s u m p t i o ns o f t w a r e 上图为建筑用能软件b l a s t ( b u i l d i n gl o a d sa n a l y s i sa n ds y s t e m t h e r m o d y n a m i c s ) 调查商业建筑用能时的模拟过程。该模型能输出8 7 6 0 个小 北京工业大学下学硕士学位论文 时的终端能耗图。终端能耗包括空调一组合式机组，采暖，室内照明，办公 设备等室内用电，以及通风的能耗。与清华开发的d e s t 负荷模拟有相近之处。 清华大学建筑技术科学系自8 0 年代开始开发具有自己特色的建筑设计 模拟分析软件- - d e s t ( d e s i g n e r ss i m u l a t i o nt o o l k i t s ) 。d e s t 可用于建 筑能耗的模拟，起到提高设计质量、保证设计可靠性和降低系统能耗的作用 【3 0 1 。它有能分段模拟，并细致的考虑各方间的热状况受其邻室热状况的影响 等优点。所以在国内有广泛的应用。 本系统的模拟使用的是清华大学的d e s t 软件商用版来进行模拟计算。 2 1 应用实例1 简介 下面以a 项目负荷计算为例，通过计算结果与常用面积指标估算负荷方 法进行比较，得出d e s t 负荷计算在节约能耗方面的重要性。 a 项目已有建筑1 6 栋，待建建筑3 栋。我们把已有的建筑图输入程序中， 对房间的外维护结构，热扰灯光以及通风情况进行设置，这样可以精确的计 算出整栋建筑物一年的逐时负荷，建筑物的单位面积负荷以及整个系统的峰 值与平均负荷。 以一栋建筑物为例，单窗玻璃和双窗玻璃差别不大，这与建筑物的功能 有关。如这栋建筑物是实验楼，里面配有比较多的实验仪器，且功率较大， 需要长期运行，在这种情况下，玻璃的单双就可以不用考虑。因为对于整 个建筑物而言，单双玻璃窗户传热量的差别与大功率实验仪器的散热不是一 个数量级的。且该项目为一学校，人员密度大，在空调术语里称为热扰较大， 所以造成这样的结果。我们以a 项目一栋建筑的计算结果为例来证明上述观 点，即单双窗设置对计算结果的影响较小。 表2 1 实验楼单双窗模拟结果对比 t a b l e2 一lt h ec o m p a r i s o no fl a bs i m u l a t i o nb e t w e e ns i n g l ea n dd o u b l ec a s e m e n t 试验楼设计热负荷( 嫦)设计冷负荷( k w ) 总面积 单窗2 1 7 94 2 7 9 6 2 7 7 1 m 2 双窗 1 8 6 84 0 6 1 1面积热指标( 单窗) 差值 1 4 5 r i 踊7 从表2 - 1 可以看出，单窗和双窗的设计冷热负荷差别不大。 对于设计热负荷的差别较设计冷负荷的差别大，说明了双窗较单窗在冬 天具有优越性，在夏季阻热作用中并不明显。 在一栋宿舍楼的计算中，我们同样比较了单双窗设置的计算结果。具体 计算结果见下表。 第2 章建筑物负荷模拟软件的应用及计算结果分析 表2 - 2 男生宿舍楼单双窗模拟结果对比 t a b l e2 - 2t h ec o m p a r i s o no fd o r m i t o r yb u i l d i n gb e t w e e ns i n g l ea n dd o u b l e c a s e m e n t 男生宿舍楼设计热负荷( k w )设计冷负荷( k w ) 单窗2 7 7 82 6 8 2 1 双窗 2 1 1 22 6 8 5 2 由表2 2 ，在热扰较大的建筑物中，单双窗的设置对于整个建筑物的负 荷的影响不是很大，所以不用重点考虑。 北京地区建筑物的冷负荷一般会比热负荷大很多，由于该项目所处郊 区，没有市区的热岛效应，所以统计的冷热负荷相差不多。汇总1 6 栋建筑物 的设计热负荷( 单窗) 为2 8 6 9 1 k w ，设计冷负荷为3 0 2 3 0 2 k w 。而双窗的设 计热负荷为2 6 3 2 k w ，设计冷负荷为2 9 9 5 2 1 k w 。数据说明，单双窗计算的结 果相差不大，需要指出的点是，单双窗设黄对热负荷计算结果的影响比较 大。这缘于北京的冬季较为寒冷的缘故。 该项目各个建筑之间的跨度较大，设计的系统分为两个，一南一北各设 一机房，我们对两个机房的总负荷进行了重新统计。由于设计采用了地埋管 加地热井水辅助系统，所以对负荷进行按月统计。计算出削峰及平均负荷， 为后期的设备选型打下了基础。具体结果见下图2 - 2 。本文中小时数的定义 为：从1 月1 日开始，j 、时数为0 开始记，每天2 4 j 、时进行递增，到1 2 月3 1 日小时数 为8 7 6 0 。下文中关于小时数的定义不再赘述。 麦 、， 诧 暇 窖 啜 i 亡薹墓耋薯l l ，| | | | 】 l | ol 删l i谢i删 融 l， jji 燃翻鄹i 酣i v , 羽l + 强 j 。彬；槲 l f i 牌 i j ，j 渊：。 驻 稍 l l ：沁f。坩1 1 1钳； l削瞧 瓣 i li 1 1 l l if i j l 4 蚓嘲， i 螽 7 7 j ￥q k 糊 强删 i ， i l ” 0 基晷墨堇嚣蚤量詈誉墨兰嚣嚣嚣莩蓦量暑誉量釜量嚣曼晷吾量墨星萋蚤曼詈鼙銎嚣暑誊誉量 竹呻呻坤 甘甘甘甘_ 甘甘甘甘_ 甘甘甘_ 町帕崎田帕协西。蚺 制冷季节小时数 图2 2 南机房制冷季逐时负荷与平均负荷的对比图 f i g2 - 2t h ec o m p a r i s o no fc o o li n gl o a db e t w e e nt h eh o u r l yv a l u ea n dt h ea v e r a g e v a l u ei ns o u t hm a c h i n e r yr o o m 第2 章建筑物负荷模拟软件的应用及计算结果分折 l 二_ 二 孬蕊蕊 川 “| = j 围2 4 南机房妊丁峰值热冷负荷小时变化趋势图 f i 9 2 - 4 t h e v a i l = 计t x c n d o f t h e p e a k l o a d h o u r i ns o u t h m a c h i n e r y l * o o i n 表2 _ 3 为南机房负荷削峰之后的统计结果，削峰热负荷上限值为1 0 4 2 k w ，