独立新风结合辐射冷吊顶系统与其他空调系统_的设计日能耗比较

独立新风结合辐射冷吊顶系统与其他空调系统的设计日能耗比较华中科技大学刘鹏谢军龙陈焕新摘要本文以武汉某公共建筑一标准层为建筑载体，通过ENERGYPLUS软件对一次回风全空气系统、独立新风结合辐射冷吊顶系统、风机盘管加新风系统进行了设计日的能耗模拟，得出了独立新风结合辐射冷吊顶系统在设计日比一次回风全空气系统节能40，而比风机盘管加新风系统分别节能25，通过各设备能耗数据的分析，得出独立新风结合辐射冷吊顶系统节能潜力在于冷水机组的综合COP提高以及风机能耗的显著下降这一结论。关键词独立新风系统能耗比较辐射冷吊顶设计日1引言独立新风系统这个被美国能源部列为21世纪美国最具优势的空调技术一经提出，便得到了国内外相关人员的广泛关注。这个系统应用了进回风相互独立，全热回收，低温送风、辐射冷吊顶等多项空调先进技术，使得系统无论在舒适性还是节能性上都有很大的优势。文献1中作者对独立新风系统的特点与优势进行了总结，而在文献2中，作者在先前工作的基础上，详细阐述了独立新风系统的设计方法。熊帅在文献3中针对独立新风结合辐射冷吊顶系统进行了能耗以及舒适性分析，他指出供给辐射冷吊顶冷冻水的冷水机组，一般具有较高的COP，而且室内采用辐射换热，舒适性比传统空调更好。而文献4中，作者对低温送风空调与传统空调进行了能耗比较，以CEC系数作为评价指标，结果表明采用冰蓄冷式低温变频空调最为节能，而关于新风热回收，在文献5中进行了相应的模拟研究，结果表明全热回收器的应用对于降低新风负荷以及制冷机组能耗能够起到显著效果，尤其对于高温高湿地区。STANLEYMUMMA教授在文献6中，针对宾夕法尼亚州夏季湿热工况，对独立新风系统与全空气VAV系统进行了能耗比较，结果表明，前者整体节能40左右，从以上国内外研究可以看出独立新风系统在节能性上确实存在优势，但对于系统各设备具体的节能潜力一直没有太深入的研究，作者在前人工作的基础上，运用ENERGYPLUS软件将独立新风结合辐射冷吊顶系统与传统一次回风全空气系统以及风机盘管加新风系统进行能耗比较，分析了独立新风结合辐射冷吊顶系统的能耗表现。2模型介绍21建筑模型研究对象为武汉某大楼第11层（标准层），大楼共有26层，主要功能为办公与会议，单层建筑面积为981平方米，共分为7个区域，其中房间1到房间6为空调区域，空调面积为606平方米，灯光，设备采用13W/的负荷指标，围护结构满足国家关于夏热冬冷地区围护结构的相关节能节能规范，窗体采用铝框低辐射中空玻璃窗，楼板与地板近似设置为绝热，窗墙比南、北向为035，东、西向为03。22空调模型本文主要对一次回风全空气系统、独立新风结合辐射冷吊顶系统、风机盘管加新风系统分别进行空调系统建模，室内设计温度为26，相对湿度50，人员新风量采用30M/H，楼层总人数为143人。室外设计干球温度为352，相对湿度60。通过模拟，得到设计日室内最大负荷为375KW，其中显热负荷29KW，潜热负荷为85KW，三种模型的总新风量均为1191M/S，新风负荷为5883KW，空调设计冷负荷为96KW，热湿比为11400。221一次回风全空气系统模型该系统采用一次回风，末端再热风口，新风与排风间设置回收率为06的全热回收器，冷水机组采用额定制冷量为120KW，COP32的水冷冷水机组，冷冻水出水温度7，锅炉采用制热量10KW，效率为096的电锅炉新风比约为50，系统送风温度为18，新风机组冷盘管处理到142，相对湿度为95的机器露点。222独立新风结合辐射冷吊顶系统模型本空调系统作为典型的半集中空调系统，是本文研究的重点。它采用温湿度独立控制，进排风相互独立，送风口采用诱导比为25的诱导风口，末端采用辐射冷吊顶承担部分显热，新风与排风间也设置回收率为06的全热回收器。关于负荷承担新风全部负荷、室内全部潜热以及部分显热由新风处理器中的冷盘管承担，室内剩余显热负荷由辐射冷吊顶进行处理。系统中央新风机组采用低温冷水机组，机组额定制冷量为100KW，COP3，冷冻水出水温度5，供应末端辐射冷吊顶的冷水机组采用高温冷水机组，出水温度为17，COP56。新风被冷盘管处理到11，相对湿度95的机器露点，而通过与室内空气进行诱导混合后，出风温度为213。223风机盘管加新风系统模型本系统无中央新风环路，各区域采用风机盘管结合新风的空气处理形式，各区域根据热湿比与负荷情况的不同，其送风温度也不相同，具备分散式空调系统的特点。系统冷水机组采用额定制冷量为120KW，COP32的水冷冷水机组，冷冻水出水温度7，由于各区域系统送风温度各不相同，在这里就不画出空气处理的焓湿图。3模拟结果与分析31设计日能耗模拟通过对模型进行计算机模拟，得出各系统在设计日的能耗表现。其中空调运行时间是从早上8点开始到下午18点结束，夜间采取渗透通风，设计日为7月21日，以下对具体的模拟结果进行论述与比较。311一次回风全空气系统的设计日能耗模拟采用一次回风全空气系统进行模拟分析，以其作为集中式空调系统的典型而考察其能耗状况。模拟得出的设计日能耗数据见表1表1一次回风全空气系统设计日能耗表设备设计日能耗/KWH冷水机组188中央机组风机4315冷冻水泵952锅炉8327热水泵089冷却塔风机1654冷却水泵2166全热回收器3HVAC系统366表1显示，一次回风全空气系统设计日HVAC总能耗为366KWH，其中冷水机组占到一半左右，达到188KWH，而新风机组风机能耗很大，达到4315KWH，约占系统总能耗的12，这是由于整个新风系统带有回风，风量较大，因而风机能耗也偏大；而从整体上来看，系统能耗偏大，其设计日单位面积HVAC能耗达到了0061KWH/，占到整个建筑能耗的70左右。312独立新风结合辐射冷吊顶系统的设计日能耗模拟通过对本系统负荷承担数据进行模拟，得到独立新风结合辐射冷吊顶系统各部件在承担室内负荷与新风负荷方面的数据。见表2表2独立新风结合辐射冷吊顶系统负荷承担表从表2数据我们可以看出，整个系统承担负荷875KW，其中辐射冷吊顶系统承担1125KW室内显热负荷，占室内显热负荷的55左右，而室内潜热负荷85KW全部由新风机组承担，而全热回收器的应用为新风机组承担了一半左右的新风负荷，对于有效降低机组能耗，起到很大作用。总的来说，独立新风结合辐射冷吊顶系统有效的实现了温湿度独立控制，是有效减少能源品位浪费的新型空调形式。通过设计日能耗进行模拟，得到独立新风结合辐射冷吊顶设计日能耗数据如表3表3独立新风结合辐射冷吊顶系统设计日能耗表设备设计日能耗/KWH低温冷水机组13567全热回收器3新风风机1179冷冻水泵394高温冷水机组1632吊顶环路水泵405冷却水泵2291冷却塔风机175HVAC系统2152从表3可以看出，独立新风结合辐射冷吊顶系统在设计日HVAC总能耗为2152KWH，冷水机组能耗为136KWH，而风机能耗下降明显，只有1179KWH相对于一次回风全空气系统无论是系统总体能耗还是冷水机组、风机能耗都有显著降低。从图1可以看出，独立新风结合辐射冷吊顶系统中冷源能耗所占比例很大，达到63，而风机能耗显著下降，只占总能耗的55。综上所述，独立新风结合辐射冷吊顶系统相对组成承担的负荷/KW负荷说明冷盘管承担显热2849其中19048KW新风显热负荷，949KW为室内显热负荷冷盘管承担潜热2393其中1543KW为新风潜热负荷，85KW为室内全部潜热负荷热回收承担显热5082承担新风部分显热负荷热回收承担潜热18675承担新风部分潜热负荷房间1冷吊顶2827承担室内部分显热负荷房间2冷吊顶157承担室内部分显热负荷房间3冷吊顶1643承担室内部分显热负荷房间4冷吊顶2473承担室内部分显热负荷房间5冷吊顶031承担室内部分显热负荷房间6冷吊顶2426承担室内部分显热负荷一次回风全空气系统能耗有显著下降，具备良好的节能优势。313风机盘管加新风系统的设计日能耗模拟通过计算机模拟风机盘管设计日能耗数据见表4从表4可以看出，风机盘管加新风系统的风机盘管能耗要高于独立新风结合辐射冷吊顶系统的风机能耗，这是由于风机盘管系统在末端也有回风进入，总送风量要大于后者，因而风机能耗要更多一些，由于此系统中没有热回收器，冷水机组总能耗达到了227KWH，根据对全热回收器在本系统中应用研究得出数据，加入全热回收器后，冷水机组能耗要降低20到25左右，即使考虑到此影响因素，系统总体能耗达到237KWH，独立新风结合辐射冷吊顶系统还是要比风机盘管加新风系统节能10左右。低温机组630冷却塔风机81新风风机55全热回收器14冷却水泵106吊顶环路水泵19高温机组76冷冻水泵18图1独立新风结合辐射冷吊顶系统HVAC能耗分布图表4独立新风结合辐射冷吊顶系统设计日能耗表设备设计日能耗/KWH冷水机组22747风机盘管19冷冻水泵675冷却塔风机1654冷却水泵2166HVAC系统29142314空调系统设计日能耗模拟结果比较以上对各个系统在设计日的能耗模拟结果进行了说明，可以看出独立新风结合辐射冷吊顶系统具有明显的能耗优势，下面通过结果比较的方式更好的展现其能耗优势与节能原因。冷热源能耗415冷热源能耗741冷热源能耗621风机能耗163风机能耗80风机能耗97水泵能耗88水泵能耗84水泵能耗780102030405060708090100一次回风全空气系统独立新风结合辐射冷吊顶系统风机盘管加新风系统能耗比例/图2三种空调系统能耗比较图图2是以一次回风空调系统的能耗366KWH作为100而考察各系统能耗与其相比的百分比的系统能耗比较图，可以看出独立新风结合辐射冷吊顶系统的整体能耗大体占到一次回风全空气系统的60左右，节能40，而其冷水机组能耗从74减少为41左右，而风机能耗也从16降为8，减少了一半，而水泵能耗也稍有减少。而风机盘管加新风系统功能好约为一次回风全空气系统的80，独立新风结合辐射冷吊顶系统要比风机盘管加新风系统节能25左右，具备显著的能耗优势。为了更好的诠释独立新风结合辐射冷吊顶系统的节能优势，下面主要阐述独立新风结合辐射冷吊顶系统相对于一次回风全空气系统的节能潜力所在首先，独立新风结合辐射冷吊顶系统节能的40中，主要在于锅炉、冷水机组、风机与其它设备的能耗节省。以下主要从冷水机组与风机能耗方面着手，分析独立新风结合辐射冷吊顶系统的节能优势所在。风机能耗一次回风全空气系统采用新回风混合，末端不设置处理设备的系统形式，造成其总风量必定比独立新风结合辐射冷吊顶系统的全新风系统风量大，因而风机能耗较大。597432293118010203040506070全部风机中央风机能耗（KWH一次回风全空气系统独立新风结合辐射冷吊顶系统图3风机能耗比较图图3的数据显示，独立新风结合辐射冷吊顶系统的中央风机的设计日能耗要降低31KWH左右，只有一次回风全空气系统的25，而总风机能耗也有显著降低，总的来说，前者在风机能耗方面要节能30KWH，占到一次回风全空气系统设计日能耗的82。冷水机组能耗通过对以上两种系统冷源能耗的分析可以得出，独立新风结合辐射冷吊顶系统冷源的设计日能耗要节省357KWH，占到一次回风全空气系统设计日能耗的98，其原因在于节省回热能耗、末端COP增加节省的能耗以及能源品位提升所带来的节能。对于冷水机组回热节省的能耗，我们把回热冷负荷除以独立新风结合辐射冷吊顶低温冷水机组的COP即可以得到回热冷量所节省的冷水机组能耗为192KWH，而对于独立新风结合辐射冷吊顶系统，由于其末端采用出水温度为17的高温冷水机组，而显著提升了其COP值，由于COP的提高所带来的能耗节省为125KWH，不仅如此由于末端可以使用高温冷冻水，这样就可以使用到多种替代能源，比如地源热泵、水源热泵等，有效节省能源；而能源品位方面，独立新风结合辐射冷吊顶系统采用温湿度独立控制，从而避免了使用7的低温冷冻水处理室内的显热负荷，避免了能源的品位损失，折算为4KWH。关于大温差系统对能耗节省的影响，独立新风结合辐射冷吊顶系统采用5的低温冷冻水，回水温度为16到17度，平均供回水温差为11。5度，而对于一次回风全空气系统，其供回水温差为55度，模拟结果显示，前者水泵能耗为8KWH，后者为952KWH，节省15KWH，占到一次回风全空气系统能耗的04，可以说影响非常小。4结论与展望41结论通过对三种空调系统进行能耗模拟与分析我们可以得到以下结论（1）独立新风结合辐射冷吊顶系统相对于一次回风全空气系统可以节能40，而相对于风机盘管加新风系统可以节能25。（2）独立新风结合辐射冷吊顶系统与一次回风全空气系统进行比较，风机能耗降低明显，降幅约占后者设计日HVAC总能耗的8左右。而冷水机组能耗的降低也占到一次回风全空气系统设计日HVAC总能耗的10。（3）对于大温差对系统能耗的影响，模拟数据显示，水泵能耗降低并不明显，对整体能耗节省的作用基本可以忽略。42展望对于独立新风结合辐射冷吊顶系统，还有以下方面值得深入进行研究（1）本文结论是在设计日针对夏季高温高湿地区的能耗分析，而对于整个空调季不同气候特征的空调系统的能耗比较还有待进一步的研究。（2）通过对室内有效温度的分析，本人发现独立新风结合辐射冷吊顶系统供冷的室内有效温度要比另外两种系统要低，应该深入研究这几种空调