空调房间冷能优化利用的最新技术

作者：陈光                         

    近年来，随着能源危机不断加剧，人们的节能意识不断增强，建筑空调作为社会总能耗的一个重要组成部分，有必要对其能量利用特点进行深入分析，以获得最佳能量利用方式。传统的分析方法主要是依据热力学第一定律[1]，它只反映了能量在“量”上的关系，而没有解释能量在“质”上的差异，从而不能抓住能量转换过程中可用能的损失。Exergy[2]是处于某一状态的热力系统可逆转变到与环境状态相平衡时，能最大限度转换为功的那部分能量；火用反映了能量在转换过程中“量”和“质”上的关系[3]，火用分析是进行能量系统热

力学评价的重要手段。

    在炎热的夏季，城市室外温度可以高达43℃以上，在这样的高温天气，空调房间不仅所需要的冷能量值增大了，其所需的火用值也发生了极大变化。本文以火用分析为手段，从能量的“量”和“质”方面分别研究了夏季室外温度的变化对建筑空调房间所需能量的影响。

1  空调房间火用分析模型

1.1火用的理论计算

    空调房间内湿空气是水蒸汽与干空气的混合工质，其火用值的计算比单一工质火用的计算表达式复杂得多。

    近几年，许多学者对建筑空调房间的火用进行了分析研究[4-10]，其中Franconi和Brandemuchl[7]使用热力学第一和第二定律对空调系统进行火用分析确定系统的有用功，但是他们在进行火用计算时未考虑潜热热负荷的火用'即忽略了湿空气中水蒸汽的影响；颜志猛[8] 等人对空调系统湿空气进行火用分析时采用熵处理的方法；Chengqin[9]和Fenghua Ge[10]等人在对建筑空调系统进行火用分析时，虽然考虑了湿空气的影响，但是是以环境温度且湿度在饱和状态作为室外滞止参考状态点。这种基准点的选取算法简单，未完全反应室外气象条件。

    本文主要研究夏季高温天气室外温度变化对空调房间所需火用的影响，故本文选用了文献[9]的计算方法，但是计算基准点直接取室外气象参数。

本文选用的火用计算表达式如下[9]：

式中：分别表示干空气和水蒸气的比热，kJ/(kg - K)；Ra为干空气气体常数；W和w0，p和p0，T和T0别为室内、外空气含湿量，大气压，温度。

    式(1)中右边第一项、第二项和第三项分别表示热火用、机械火用和化学火用。由于房间大气压力和室外环境大气压近似相等，故机械火用约为0，可以忽略不计。

    本文直接选取室外空气状态作为计算火用的基准点。主要研究夏季室外空气温度变化对空调房间能量利用情况的影响，所以，本文忽略了室外空气含湿量变化的影响，假定室外环境的含湿量不变。

1.2案例房间

    为了减少房间辐射得热量的影响，本文计算案例选取上海一间朝北的办公室，面积24m2，4名办公人员，室内设定温度为TR，相对湿度为。

2  火用的计算分析

2.1需求火用

    需求火用( RE，Requested Exergy)即为理论上达到空调房间设定状态所需要的火肌即空调房间内所有空气在设定状态下的火用。房间的RE随室外空气温度的变化趋势如图1所示，室内空气的相对湿度根据相关规范[11]取55%。

    从图1中可以看出，当室内设定温度TR -定时，夏季随着室外环境温度的增大，RE呈抛物线形增大。另外，由图1可以看出，当夏季室外温度一定时，室内设定温度越低，消耗的火用越高，且温度每降低10C，多消耗10.2%的火用。

2.2调节火用

    一般空调送风系统都采用温差送风，其送风温度比室内设定的温度低，使其与室内空气混合达到设定温度，消除室内余湿余热，满足人体舒适要求。调节火用(CE，Conditioning Exergy)也就是为满足空调过程而投入房间中的火用，即为了使房间维持所要求的状态，向

房间提供的火用。

    本文对调节火用的研究从空调房间的冷负荷人手，冷负荷计算方法如下。

    在夏季通过北外墙和窗的冷负荷可由式(2 ) [12] 计算出：

式中：Q为外墙（窗）瞬变传热引起的逐时冷负荷，W;A为外墙（窗）面积，m2；K为墙（窗）壁的传热系数，W/(m2.K)；T0为外墙（窗）冷负荷计算温度的逐时值，0C。

    为了保证室内空气品质和人员舒适性要求，夏季需要向办公室通入一定量的新风，新风引起的冷负荷，可由式(3) [13] 计算出：

式中：Qc,o为夏季新风冷负荷，kW;M0新风量，kg/s；h。为室外空气的焓值，kj/kg; hR为室内空气的焓值，kJ/kg。

    其他负荷（人体、设备、照明等）可根据设计手册唧中公式计算出约900W。

调节火用可用式(4)计算：

式中：ex室内空气比火用，kJ/kg;M为送风量，kg/s；Q为房间负荷,W;hR和hr分别为室内空气设定点焓值和送风点焓值，kJ/kg。

    如图2所示，室内设定温度TR -定时，随着室外温度的增加，房间的冷负荷呈线性增大。而如图3所示，送风温差一定时，随着室外温度的增大，调节火用呈抛物线形增大；当室外温度一定时，随着送风温差的增大，调节火用逐渐减小。送风温差增大虽然节约了能源，但是，也容易给人带来不舒适感且易使空调末端结露。因此，选择合适的送风温差是空调送风参数优化的关键。

2.3输送火用

    在评价空调冷能输送系统时，常用到冷能输送系数，其定义如下[14]：

式中：WTF为冷能输送系数；Q为空调系统制备的总冷量，kW．h；Ⅳ为冷冻水泵或风机的总能耗，kW-h。

    冷能输送系数受输送能量的管道尺寸、形状以及输送冷能用的风机和水泵功率性能影响，故其大小很难准确确定，根据规范[14]其范围：流体为气体时冷能输送系数为6～9，冷冻水冷能输送系数为25～35。冷能输送直接消耗风机或水泵的电功率，因此，本文在计算输送火用( TE，Transportion Exergy)时，直接取风机或水泵消耗的电能（气体取8，冷冻水取30），其计算公式如下：

式中：Ec流体输送的能量，kW．h；Et输送耗的电能，kW．h。

    根据房间使用的空调系统不同，其能量输送过程的能耗也不相同，对全空气系统和风机盘管系统进行分析。经过计算，其结果如图4所示。

    从图4中可以看出，随着室外温度增加，输送能耗呈线性增大，这是由于房间冷负荷呈线性增大造成的。对比图3中送风温差为8℃的CE，与图4中的TE比较接近。这说明在冷能输送过程中消耗的能量比较大。所以，可以通过减小输送过程中的能耗来提高能源利用率。另外也可以看出，在相同的送风温差条件下，风机盘管系统的TE比全空气系统的小很多，即风机盘管系统更加节能。

2.4制备火用

空调机组制冷时的COP可以用式(7)表示：

式中：Nz为机组制备冷量Q所消耗的电能，kW．h。

    因此，制备火( GE，Generate Exergy)可以用式(8)计算出：

    由于不同的机组，其COP不同，故采用文献[6]中的公式计算（夏季空调房间设定温度为260C）：

    经过计算，随着室外环境温度的变化，GE和机组COP的变化情况如图5所示：

    从图5中可以看出，夏季高温天气随着室外温度的增加，机组的COP呈减小趋势，而GE呈抛物线形增大，这说明在冷能制备过程中消耗的能量较大。因此，可以通过提高机组的COP来减小制备过程的能耗，同时提高围护结构的保温性能，增设遮阳等措施来提高空调系统的火用效率。

  3  结论

    本文对空调房间在夏季高温天气下所消耗的火用进行了分析，得出如下结论：

    1)夏季高温天气，随着室外温度的增加，空调房间所需的火用以抛物线形迅速增大，而不是像房间空调冷负荷的线性增大，火用的增大速率大于冷负荷的增大速率。

    2)在相同的室外温度条件下，空调房间的室内温度越低，房间的需求火用RE越大，且温度每降低1℃，多消耗10.2%的火用。

    3)送风温差一定时，随着室外温度的升高，房间的调节火用CE亦呈抛物线性增大。

    4)在相同室外温度条件下，房间送风温差越大其调节火用CE越小，但是，送风温差太大易引起送风结露和不舒适感，因此，选择适当送风温差对空调节能很重要。

    5)夏季空调房间所需冷能在输送过程中会消耗一部分机械能即输送火用TE，且输送火用TE与调节火用CE的数值水平接近，因此可以通过减小输送火用来提高房间空调系统的能源利用率，比如优化管网设计，使用高效率水泵等。

6)夏季随着室外温度的升高，机组的COP呈减小趋势，而制备火用GE呈抛物线形迅速增大，因此可以通过提高机组的COP来减小制备过程的能耗，比如使用 高效能机组，同时提高围护结构的保温性能，增设遮阳等措施来提高空调系统的火用效率。

4摘  要：

空调房间冷负荷会随室外温度升高而增大，尤其是在夏季高温天气。空调房间所耗的能量包括冷能制备、输送和空调调节过程中所消耗的能量。本文从能量的本质人手，通过对夏季高温天气下，空调房间的需求火用、调节火用、制备火用和输送火用分别进行分析比较，为空调房间冷能的优化利用提供了理论指导。