空調(diào)房間冷能優(yōu)化利用的最新技術(shù)
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作者：陳光
近年來，隨著能源危機不斷加劇，人們的節(jié)能意識不斷增強，建筑空調(diào)作為社會總能耗的一個重要組成部分，有必要對其能量利用特點進行深入分析，以獲得最佳能量利用方式。傳統(tǒng)的分析方法主要是依據(jù)熱力學(xué)第一定律[1]，它只反映了能量在“量”上的關(guān)系，而沒有解釋能量在“質(zhì)”上的差異，從而不能抓住能量轉(zhuǎn)換過程中可用能的損失。Exergy[2]是處于某一狀態(tài)的熱力系統(tǒng)可逆轉(zhuǎn)變到與環(huán)境狀態(tài)相平衡時，能最大限度轉(zhuǎn)換為功的那部分能量；火用反映了能量在轉(zhuǎn)換過程中“量”和“質(zhì)”上的關(guān)系[3]，火用分析是進行能量系統(tǒng)熱
力學(xué)評價的重要手段。
在炎熱的夏季，城市室外溫度可以高達43℃以上，在這樣的高溫天氣，空調(diào)房間不僅所需要的冷能量值增大了，其所需的火用值也發(fā)生了極大變化。本文以火用分析為手段，從能量的“量”和“質(zhì)”方面分別研究了夏季室外溫度的變化對建筑空調(diào)房間所需能量的影響。
1 空調(diào)房間火用分析模型
1.1火用的理論計算
空調(diào)房間內(nèi)濕空氣是水蒸汽與干空氣的混合工質(zhì)，其火用值的計算比單一工質(zhì)火用的計算表達式復(fù)雜得多。
近幾年，許多學(xué)者對建筑空調(diào)房間的火用進行了分析研究[4-10]，其中Franconi和Brandemuchl[7]使用熱力學(xué)第一和第二定律對空調(diào)系統(tǒng)進行火用分析確定系統(tǒng)的有用功，但是他們在進行火用計算時未考慮潛熱熱負荷的火用'即忽略了濕空氣中水蒸汽的影響；顏志猛[8] 等人對空調(diào)系統(tǒng)濕空氣進行火用分析時采用熵處理的方法；Chengqin[9]和Fenghua Ge[10]等人在對建筑空調(diào)系統(tǒng)進行火用分析時，雖然考慮了濕空氣的影響，但是是以環(huán)境溫度且濕度在飽和狀態(tài)作為室外滯止參考狀態(tài)點。這種基準點的選取算法簡單，未完全反應(yīng)室外氣象條件。
本文主要研究夏季高溫天氣室外溫度變化對空調(diào)房間所需火用的影響，故本文選用了文獻[9]的計算方法，但是計算基準點直接取室外氣象參數(shù)。
本文選用的火用計算表達式如下[9]：
式中：
分別表示干空氣和水蒸氣的比熱，kJ/(kg - K)；Ra為干空氣氣體常數(shù)；W和w0，p和p0，T和T0別為室內(nèi)、外空氣含濕量，大氣壓，溫度。
式(1)中右邊第一項、第二項和第三項分別表示熱火用、機械火用和化學(xué)火用。由于房間大氣壓力和室外環(huán)境大氣壓近似相等
，故機械火用約為0，可以忽略不計。
本文直接選取室外空氣狀態(tài)作為計算火用的基準點。主要研究夏季室外空氣溫度變化對空調(diào)房間能量利用情況的影響，所以，本文忽略了室外空氣含濕量變化的影響，假定室外環(huán)境的含濕量不變。
1.2案例房間
為了減少房間輻射得熱量的影響，本文計算案例選取上海一間朝北的辦公室，面積24m2，4名辦公人員，室內(nèi)設(shè)定溫度為TR，相對濕度為
。
2 火用的計算分析
2.1需求火用
需求火用( RE，Requested Exergy)即為理論上達到空調(diào)房間設(shè)定狀態(tài)所需要的火肌即空調(diào)房間內(nèi)所有空氣在設(shè)定狀態(tài)下的火用。房間的RE隨室外空氣溫度的變化趨勢如圖1所示，室內(nèi)空氣的相對濕度根據(jù)相關(guān)規(guī)范[11]取55%。
從圖1中可以看出，當室內(nèi)設(shè)定溫度TR -定時，夏季隨著室外環(huán)境溫度的增大，RE呈拋物線形增大。另外，由圖1可以看出，當夏季室外溫度一定時，室內(nèi)設(shè)定溫度越低，消耗的火用越高，且溫度每降低10C，多消耗10.2%的火用。
2.2調(diào)節(jié)火用
一般空調(diào)送風(fēng)系統(tǒng)都采用溫差送風(fēng)，其送風(fēng)溫度比室內(nèi)設(shè)定的溫度低，使其與室內(nèi)空氣混合達到設(shè)定溫度，消除室內(nèi)余濕余熱，滿足人體舒適要求。調(diào)節(jié)火用(CE，Conditioning Exergy)也就是為滿足空調(diào)過程而投入房間中的火用，即為了使房間維持所要求的狀態(tài)，向
房間提供的火用。
本文對調(diào)節(jié)火用的研究從空調(diào)房間的冷負荷人手，冷負荷計算方法如下。
在夏季通過北外墻和窗的冷負荷可由式(2 ) [12] 計算出：
式中：Q為外墻（窗）瞬變傳熱引起的逐時冷負荷，W;A為外墻（窗）面積，m2；K為墻（窗）壁的傳熱系數(shù)，W/(m2.K)；T0為外墻（窗）冷負荷計算溫度的逐時值，0C。
為了保證室內(nèi)空氣品質(zhì)和人員舒適性要求，夏季需要向辦公室通入一定量的新風(fēng)，新風(fēng)引起的冷負荷，可由式(3) [13] 計算出：
式中：Qc,o為夏季新風(fēng)冷負荷，kW;M0新風(fēng)量，kg/s；h。為室外空氣的焓值，kj/kg; hR為室內(nèi)空氣的焓值，kJ/kg。
其他負荷（人體、設(shè)備、照明等）可根據(jù)設(shè)計手冊唧中公式計算出約900W。
調(diào)節(jié)火用可用式(4)計算：
式中：ex室內(nèi)空氣比火用，kJ/kg;M為送風(fēng)量，kg/s；Q為房間負荷,W;hR和hr分別為室內(nèi)空氣設(shè)定點焓值和送風(fēng)點焓值，kJ/kg。
如圖2所示，室內(nèi)設(shè)定溫度TR -定時，隨著室外溫度的增加，房間的冷負荷呈線性增大。而如圖3所示，送風(fēng)溫差一定時，隨著室外溫度的增大，調(diào)節(jié)火用呈拋物線形增大；當室外溫度一定時，隨著送風(fēng)溫差的增大，調(diào)節(jié)火用逐漸減小。送風(fēng)溫差增大雖然節(jié)約了能源，但是，也容易給人帶來不舒適感且易使空調(diào)末端結(jié)露。因此，選擇合適的送風(fēng)溫差是空調(diào)送風(fēng)參數(shù)優(yōu)化的關(guān)鍵。
2.3輸送火用
在評價空調(diào)冷能輸送系統(tǒng)時，常用到冷能輸送系數(shù)，其定義如下[14]：
式中：WTF為冷能輸送系數(shù)；Q為空調(diào)系統(tǒng)制備的總冷量，kW．h；Ⅳ為冷凍水泵或風(fēng)機的總能耗，kW-h。
冷能輸送系數(shù)受輸送能量的管道尺寸、形狀以及輸送冷能用的風(fēng)機和水泵功率性能影響，故其大小很難準確確定，根據(jù)規(guī)范[14]其范圍：流體為氣體時冷能輸送系數(shù)為6～9，冷凍水冷能輸送系數(shù)為25～35。冷能輸送直接消耗風(fēng)機或水泵的電功率，因此，本文在計算輸送火用( TE，Transportion Exergy)時，直接取風(fēng)機或水泵消耗的電能（氣體取8，冷凍水取30），其計算公式如下：
式中：Ec流體輸送的能量，kW．h；Et輸送耗的電能，kW．h。
根據(jù)房間使用的空調(diào)系統(tǒng)不同，其能量輸送過程的能耗也不相同，對全空氣系統(tǒng)和風(fēng)機盤管系統(tǒng)進行分析。經(jīng)過計算，其結(jié)果如圖4所示。
從圖4中可以看出，隨著室外溫度增加，輸送能耗呈線性增大，這是由于房間冷負荷呈線性增大造成的。對比圖3中送風(fēng)溫差為8℃的CE，與圖4中的TE比較接近。這說明在冷能輸送過程中消耗的能量比較大。所以，可以通過減小輸送過程中的能耗來提高能源利用率。另外也可以看出，在相同的送風(fēng)溫差條件下，風(fēng)機盤管系統(tǒng)的TE比全空氣系統(tǒng)的小很多，即風(fēng)機盤管系統(tǒng)更加節(jié)能。
2.4制備火用
空調(diào)機組制冷時的COP可以用式(7)表示：
式中：Nz為機組制備冷量Q所消耗的電能，kW．h。
因此，制備火( GE，Generate Exergy)可以用式(8)計算出：
由于不同的機組，其COP不同，故采用文獻[6]中的公式計算（夏季空調(diào)房間設(shè)定溫度為260C）：
經(jīng)過計算，隨著室外環(huán)境溫度的變化，GE和機組COP的變化情況如圖5所示：
從圖5中可以看出，夏季高溫天氣隨著室外溫度的增加，機組的COP呈減小趨勢，而GE呈拋物線形增大，這說明在冷能制備過程中消耗的能量較大。因此，可以通過提高機組的COP來減小制備過程的能耗，同時提高圍護結(jié)構(gòu)的保溫性能，增設(shè)遮陽等措施來提高空調(diào)系統(tǒng)的火用效率。
3 結(jié)論
本文對空調(diào)房間在夏季高溫天氣下所消耗的火用進行了分析，得出如下結(jié)論：
1)夏季高溫天氣，隨著室外溫度的增加，空調(diào)房間所需的火用以拋物線形迅速增大，而不是像房間空調(diào)冷負荷的線性增大，火用的增大速率大于冷負荷的增大速率。
2)在相同的室外溫度條件下，空調(diào)房間的室內(nèi)溫度越低，房間的需求火用RE越大，且溫度每降低1℃，多消耗10.2%的火用。
3)送風(fēng)溫差一定時，隨著室外溫度的升高，房間的調(diào)節(jié)火用CE亦呈拋物線性增大。
4)在相同室外溫度條件下，房間送風(fēng)溫差越大其調(diào)節(jié)火用CE越小，但是，送風(fēng)溫差太大易引起送風(fēng)結(jié)露和不舒適感，因此，選擇適當送風(fēng)溫差對空調(diào)節(jié)能很重要。
5)夏季空調(diào)房間所需冷能在輸送過程中會消耗一部分機械能即輸送火用TE，且輸送火用TE與調(diào)節(jié)火用CE的數(shù)值水平接近，因此可以通過減小輸送火用來提高房間空調(diào)系統(tǒng)的能源利用率，比如優(yōu)化管網(wǎng)設(shè)計，使用高效率水泵等。
6)夏季隨著室外溫度的升高，機組的COP呈減小趨勢，而制備火用GE呈拋物線形迅速增大，因此可以通過提高機組的COP來減小制備過程的能耗，比如使用 高效能機組，同時提高圍護結(jié)構(gòu)的保溫性能，增設(shè)遮陽等措施來提高空調(diào)系統(tǒng)的火用效率。
4摘 要：
空調(diào)房間冷負荷會隨室外溫度升高而增大，尤其是在夏季高溫天氣。空調(diào)房間所耗的能量包括冷能制備、輸送和空調(diào)調(diào)節(jié)過程中所消耗的能量。本文從能量的本質(zhì)人手，通過對夏季高溫天氣下，空調(diào)房間的需求火用、調(diào)節(jié)火用、制備火用和輸送火用分別進行分析比較，為空調(diào)房間冷能的優(yōu)化利用提供了理論指導(dǎo)。
