（环境工程专业论文）空调系统冷热源的选择及通风空调联合运行的研究.pdf

捅要 在改革开放的今天，我国的城市建设飞速发展，办公条件不断提高，越来越多的办 公建筑配置了集中空调系统，数量逐年增加，加剧了能耗和环境问题。对于集中空调， 影响其能耗的主要因素除了设备的性能，系统形式外还有冷热源的配置和运行机制两个 方面，从节能角度考虑空调冷热源方案的正确选择以及空调运行方案的优化自然成为空 调系统设计及运行方案所要考虑的一个重要方面。 本文针对办公建筑，以西安市某办公大楼为例，从冷热源的选择和运行机制分析研 究空调系统的节能潜力，具体对以下两个问题进行深入研究。第一，关于冷热源的选择， 本文借助软件d e s t 对该大楼供冷季和供暖季的空调动态负荷进行计算的基础上，根据 目前冷热源配置状况的调查和该建筑空调负荷的特点，以及能源结构，充分考虑节能， 提出了三种具有代表性的技术上比较合理的冷热源组合方案。通过比较各方案的一次能 源利用率和能源转换方式的能耗指标( e c c ) 两个指标，综合评价了各方案的节能潜力； 第二，关于空调系统的运行机制的研究，本文利用c f d 软件对该办公建筑某一房间进 行了2 4 小时非稳态热环境的动态模拟，包括室外温度，太阳辐射等非稳态条件以及定 时开窗进行自然通风，定时关窗开始空调的动态过程，对其通风空调联合运行机制从节 能角度进行了计算分析，在满足室内环境热舒适要求的前提下，寻找一种节能的运行模 式，从通风空调联合运行机制上探讨节能潜力。最后，对今后进一步的研究工作进行了 简要的讨论。 通过以上的研究得出两个结论：第一，在本文对比的三种冷热源方案中，地源热泵 机组在节能潜力方面处于优势地位，水冷螺杆式冷水机组次之，其次是溴化锂吸收式冷 水机组。第二，建筑夜间自然通风可降低空调能耗。当自然通风不能满足建筑物的热环 境要求时，可以在一天中采用自然通风与空调联合运行模式实现以最少的能耗来满足建 筑物的热环境要求。 关键词：空调冷热源，能耗指标，动态负荷，节能潜力，运行模式 a b s t r a c t s i n c ec h i n a sr e f o r ma n do p e n i n gu pt oo u t s i d ew o r l d ，o u rc o u n t r y su r b a nc o n s t r u c t i o n h a s s w i f t l yd e v e l o p e d ，m o r ea n dm o r eo f f i c eb u i l d i n g sa r ee q u i p p e d 谢t l lc e n t r a l a i r c o n d i t i o n i n gs y s t e m s ，a n dt h eq u a n t i t yi si n c r e a s i n gy e a rb yy e a r , t h a ti n t e n s i f i e st h ep r o b l e m o fe n e r g yc o n s u m p t i o na n de n v i r o n m e n t f o rc e n t r a la i rc o n d i t i o n i n gs y s t e m ，b e s i d e st h e p e r f o r m a n c eo fe q u i p m e n t ，t h ef o r mo fs y s t e m , t h em a i nf a c t o r st h a tc a l li n f l u e n c ei te n e r g y c o n s u m p t i o na l s oi n c l u d i n gt h e c o l da n dh e a ts o u r c ed i s p o s i t i o na n dt h e o p e r a t i o n a l m e c h a n i s m ，c o r r e c t l yc h o o s i n gt h ec o l da n dh e a ts o u r c eo u to fe n e r g ya n do p t i m i z i n g a i r c o n d i t i o n i n g so p e r a t i o np r o g r a mn a t u r a l l yb e c o m ea ni m p o r t a n ta s p e c tw h e nw ed e s i g n t h ea i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e ma n dc h o o s eo p e r a t i o np r o g r a m f o ro f f i c eb u i l d i n g s ，i nt h i sp a p e r t a k i n ga no f f i c eb u i l d i n gi nx i a nf o rt h ee x a m p l e ， f r o mt h es e l e c t i o no fc o l da n dh e a ts o u r c ea n dt h ea i r - c o n d i t i o n i n g so p e r a t i o np r o g r a m ，w e a n a l y z et h ee n e r g yc o n s e r v a t i o np o t e n t i a l ，a n ds t u d yt h ef o l l o w i n gt w os p e c i f i ci s s u e s i n - d e p t h f i r s t ，f o rt h es e l e c t i o no fc o l da n dh e a ts o u r c e ，t h i sp a p e ru s e sd e s t t oc o m p u t et h e a i r - c o n d i t i o n i n g sd y n a m i cl o a do f t h i sb u i l d i n gi nc o o l i n ga n dh e a t i n gp e r i o d ，t h e na c c o r d i n g t ot h ei n v e s t i g a t i o no fc u r r e n tc o l da n dh e a ts o u r c ed i s p o s i t i o n 、t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h i s b u i l d i n g sa i r - c o n d i t i o n i n gl o a d ，a sw e l la se n e r g ys t r u c t u r e ，a n dg i v i n gf u l lc o n s i d e r a t i o nt o e n e r g yc o n s e r v a t i o n ，t h i sp a p e ro f f e r st h r e ek i n do fc o l da n dh e a ts o u r c ed i s p o s i t i o np r o g r a m s w h i c ha r er e p r e s e n t a t i v ea n dt e c h n i c a lr e a s o n a b l e c o m p a r i n gt h ep r i m a r ye n e r g yu t i l i z a t i o n c o e f f i c i e n ta n dt h ee n e r g yc o n s u m p t i o ni n d i c a t o r ( e c c ) o fe n e r g yc o n v e r s i o nm o d e ，w e e v a l u a t ee n e r g yc o n s e r v a t i o np o t e n t i a lo fe a c hp r o g r a m ；s e c o n d ，f o rt h er e s e a r c ho n a i 卜c o n d i t i o n i n gs y s t e m so p e r a t i o n a lm e c h a n i s m ，t h i sa r t i c l eu s e dc f ds o f t w a r et ok i n e t i c s i m u l a t e2 4h o u ru n s t e a d ys t a t eh o te n v i r o n m e n to fs o m e r o o mi nt h i sb u i l d i n g ，i n c l u d i n gt h e u n s t e a d ys t a t ec o n d i t i o n so fo u t d o o rt e m p e r a t u r e ，s o l a rr a d i a t i o na n ds oo n ，a sw e l la st h e d y n a m i cp r o c e s so fn a t u r a lv e n t i l a t i o nb yo p e n i n gw i n d o wo nf i x e dt i m ea n dc l o s i n gt h e w i n d o w 、 s t a r t i n ga i rc o n d i t i o n i n go nf i x e dt i m e ，t h i sp a p e rc o m p u t e sa n da n a l y z e st h e m e c h a n i s mo fu n i o nr u no fv e n t i l a t i o na n da i rc o n d i t i o n i n gf r o mt h ee n e r g yc o n s e r v a t i o n a n g l e ，b e s i d e ss a t i s f y i n gt h ec o m f o r t a b l er e q u e s to fi n d o o re n v i r o n m e n th o te n v i r o n m e n t ，w e s o u g h tf o ra ne n e r g yc o n s e r v a t i o nr u nm o d e ，a n dd i s c u s st h ee n e r g yc o n s e r v a t i o np o t e n t i a l i l l w h e nu s et h ep r o g r a mo fu n i o nr u no fv e n t i l a t i o na n da i rc o n d i t i o n i n g f i n a l l y , h a sc a r r i e do n t h eb r i e f l yd i s c u s s i n gt h ef u r t h e rr e s e a r c hw o r kl a t e r t w oc o n c l u s i o n sa r ed r a wt h r o u g ht h ea b o v er e s e a r c h ：f i r s t ，c o n t r a s t i n gt h et h r e ek i n do f c o l da n dh e a ts o u r c ep r o g r a m s ，f o rt h ee n e r g yc o n s e r v a t i o np o t e n t i a l ，t h es o l i dh e a tp u m pu n i t i sb e s t ，t h ew a t e rc o o l i n gs c r e wr o dt y p e 、a t e r - c 1 1 i l l i n gu n i t si ss e c o n d ，f o l l o w i n gi st h e l i t h i u mb r o m i d ea b s o r p t i o n t y p er e f r i g e r a t i n gm a c h i n e s e c o n d ，n a t u r a lv e n t i l a t i o n i n c o n s t r u c t i o na t n i g h tm a yr e d u c ea i rc o n d i t i o n i n ge n e r g yc o n s u m p t i o n w h e nn a t u r a l v e n t i l a t i o nc a n ts a t i s f yt h er e q u e s to fb u i l d i n g sw a r me n v i r o n m e n t ，i no r d e rt os a t i s f yt h e r e q u e s to fb u i l d i n g sw a r me n v i r o n m e n tw i t ht h el e a s te n e r g yc o n s u m p t i o n s ，w ec a nc h o o s e t h ep r o g r a mt h a tv e n t i l a t i o na n da i rc o n d i t i o n i n ga r eu n i o nr u na l ld a y k e yw o r d s ：a i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e m s c o l da n dh e a t s o u r c e ，e n e r g yc o n s u m p t i o n i n d i c a t o r s ，d y n a m i cl o a d ，e n e r g yc o n s e r v a t i o np o t e n t i a l ，r u nm o d e i v 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任 何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 1 引”e 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 钏帷轹修珍 日 日 ) 夕 ? 月 月 f 夸 d 长安大学硕_ 二学位论文 1 1 研究的背景及意义 第一章绪论 能源是现代社会的重要资源，节能是社会可持续发展的最重要课题，节能不仅可以 缓解能源资源的紧张局面，而且可以保护生态环境，节能减排是我国的重大战略决策。在 我国，空调能耗占建筑物总能耗的7 0 - - 一8 0 ，而空调能耗最主要是空调冷热源的能 耗，所以降低空调冷热源的能耗成为节能的重中之重。 目前，在中央空调系统中普遍使用电力驱动或热力驱动的冷水机组作为空调系统的 冷源，这两类冷水机组主要包括常规冷水机组，溴化锂吸收式冷水机组，地源热泵机组 等。空调系统热源主要有自备锅炉、城市热网、热泵等2 1 ，上述各种不同的冷源和热源 形式经过组合，形成了多种中央空调冷热源方案。冷热源不同方案的选择，会对空调系 统的能耗产生直接的影响。同时，在空调系统的运行当中，如果能科学的利用自然通风， 同样会减少空调的运行能耗。本文正是从优选空调冷热源和优化通风空调联合运行机制 两个方面对空调系统的节能潜力进行研究。 1 2 国内外关于空调节能的研究动向 1 2 1 国内研究现状 自本世纪以来，空调节能成为暖通专业最重要的课题之一，且这方面的文献较多， 主要集中在以下三个方面： ( 1 ) 利用冷热源设备的仿真模型进行能耗状况的分析。这方面的软件有很多，较具 代表性的有清华大学建筑技术科学系建筑环境与设备研究所开发出了用于建筑热环境 设计模拟分析的软件平台建筑热环境设计模拟工具包( d e s i g n e r ss i m u l a t i o n t o o l k i t ，简称d e s t ) t 3 】和中国建筑科学研究院建筑物理所开发的，用来估算民用建筑采 暖耗热量及进行建筑节能设计计算的程序e h l 等【4 】。 ( 2 ) 冷热源的能耗研究，可分为两部分，一是机组额定工况的能耗比较，文献【5 】认 为蒸汽型或热水型吸收式冷水机组的能耗约为电动式冷水机组的2 - 一3 倍，文献 6 】认为 离心式机组的能耗最低，螺杆式机组的能耗与离心式基本相当，热泵能耗为离心式的 1 4 9 倍，热水吸收式冷水机组为离心式的为1 8 2 倍，二是机组部分负荷能耗的研究， 由于冷水机组满负荷运行时间极少，不到总时间的2 ，因此研究部分负荷下的机组能 第一章绪论 耗更具实际意义，文献【7 】通过正确选择冷水机组对部分负荷综合值的计算得出了吸收式 机组于电动式机组的电耗比较：以7 0 0 k w 往复式冷水机组为基准，在整个空调季节，折 算成一次能耗，每产生l k w 冷量，模块式机组能耗要少1 0 ，离心式要少1 8 - - 2 8 ， 螺杆式要少2 8 - - 一3 0 ，吸收式则要多7 3 。 ( 3 ) 从自然环境中直接得到冷量、不消耗或少消耗一次能源的被动式冷却技术的研 究。被动式冷却技术包括优化建筑朝向、建筑保温、最佳的窗墙比、建筑体形、建筑围 护结构( 重型、中型、轻型) 、建筑遮阳、建筑自然通风等内容。根据文献 8 】，当室外日 温差超过1 0 的时候，综合应用蓄热技术和夜间通风技术，可以达到设计的舒适度和减 少能耗的目标。文献【9 】通过被动式供冷与辐射制冷技术研究了夜问通风与相变蓄冷技术 相结合，利用相变潜热蓄积夜间通风所得冷量可承担建筑物日间的全部或部分冷负荷， 文献 1 0 】考虑了热湿地区的夜间通风问题。在他的研究中，发现夜间通风与蓄热的降温 效果取决于所在地的日温差、建筑构造的蓄热性能以及换气次数，而与相对湿度的关系 不直接；一般情况下，相对湿度较高时，日较差小，但是日较差大的条件才是有利于夜 间通风的。 1 2 2 国外研究现状 国外对空调冷热源的研究起步较早，并己取得较多成果。目前较广泛应用的是建立 冷热源设备的仿真模型，利用模型进行能耗状况的分析。这方面的软件有很多，较具代 表性的有：美国的e n e r g y p l u s 、t r n s y s 、b l a s t 、日本的h a s p 、英国的e n e r g y z 、 芬兰的t a s e 等等。这些程序可以模拟并计算空调系统的动态能耗，分析研究系统短期 动态过程特性。对于建筑物的节能方向，国外的学者们也进行了大量的研究，得出结论 如下：( 1 ) 不同建筑布局、建筑材料和通风量对于夜间通风降温效果和建筑能耗的影响 i h 3 】。( 2 ) p b l o n d e a u 等【1 4 】测试了法国某大学教室的室温，测试期间室外昼夜平均温差为 8 4 。c ，夜间通风换气次数为8 次。实验结果表明：与未采用夜间通风的情况相比，白天 房间温度降低1 5 2 0 c ，同时分析了系统能耗降低的程度。( 3 ) m k 0 1 0 k o t r o l l i 【1 5 。1 7 1 通过 对白天使用空调系统、夜间通风建筑进行现场测试，指出重型建筑室内墙壁、天花板等 构造尽量裸露，即不加保温层，冷风可直接到达时夜间通风效果好，能耗也有所降低。 1 3 本课题研究的主要内容 本课题的主要内容有以下几方面。 2 长安人学硕士学位论文 ( 1 ) 介绍常见的冷热源及冷热源组合方案，并综合分析他们的优缺点。 ( 2 ) 以西安某办公大楼为研究对象，综合考虑多种因素的影响，优选出三种冷热源 组合方案。首先应用常规的方法，通过设计负荷确定设备的容量；接着应用d e s t 建筑 能耗分析软件进行该建筑物冷热动态负荷计算，根据建筑物冷热动态负荷对各个组合方 案进行全年能耗分析计算，最后通过各方案的一次能源利用率和能源转换方式的能耗指 标( e c c ) ，综合评价了各方案的节能潜力。 ( 3 ) 运用c f d 软件对该办公建筑的热环境进行动态模拟，研究在需要空调的时间 里，利用夜间通风减少白天的空调的空调负荷的潜力，即通风空调联合运行机制的节能 优化。 本文首次提出用c f d 软件，以2 4 小时为周期，对夜间开窗通风和白天关窗空调的 联合运行工况的房间热环境进行动态计算分析。 本文通过对空调系统冷热源方案选择和通风空调联合运行机制的研究，探讨空调系 统的节能潜力，对空调工程设计方案的选择及节能运行具有一定的指导意义。 3 第- 二章常用空调冷热源及方案选择原则 第二章常用空调冷热源及方案选择原则 中央空调冷热源是空调系统的关键设备，冷热源的型式直接决定了建筑物空调系统 的能耗特点及对外部环境的影响状况，它的重要性不言而喻。随着生活水平的提高，人 们对居住环境、办公环境的舒适性、建筑的美观性的要求越来越高。于是对于具有较大 建筑面积的宾馆、写字楼，业主一般都要求采用集中式空调系统。且目前冷热源设备种 类繁多，品牌林立，冷热源的选择是每个设计师都需要面对的问题。近年来，冷热源技 术得到了较快的发展，在蓄冷、热泵、v r v 、新型制冷剂等方面的技术均取得了定的 进步，新型、环保、节能、具有移峰填谷作用的冷热源设备层出不穷。下面重点介绍我 国目前可供选择的主要空调冷热源设备及组合方案，分析了各种冷热源设备的特点，阐 述了冷热源选择应考虑得主要影响因素。 2 1 常用的空调冷热源 2 1 1 常用的空调冷源 ( 1 ) 活塞式冷水机组 活塞式制冷压缩机是最早问世的压缩机，几乎和机械制冷方法同时出现，在1 0 0 多 年的使用中，得到了广泛发展和深入研究，直到目前为止，虽然受到其他新型压缩机的 挑战，但其产量和使用范围在各类压缩机中仍占有一定地位【1 8 】。而活塞式冷水机组也是 在民用建筑空调制冷中采用时间最长、使用最多的一种机组。活塞式冷水机组的主要优 点为【1 9 l ：1 ) 用材为普通金属，结构紧凑，造价低；2 ) 运行管理经验成熟，运行可靠，使 用方便；3 ) f 1 l j 冷系统装置简单，运行安全可靠、经济。活塞式冷水机组的主要缺点为2 0 】： 1 ) 往复运动惯性力大，转速不能太高；2 ) 单机容量不宜过大；3 ) 当单机头机组不变转速时， 只能通过改变工作气缸数来实现跳跃式的分级调节，部分负荷下的调节特性较差。 ( 2 ) 螺杆式冷水机组 螺杆式冷水机组由于采用螺杆式压缩机而得名，目前螺杆机组按其螺杆的数目分为 单螺杆和双螺杆【2 l 】。单螺杆压缩机由转子、液气分离器、油气冷却器、油滤器、气量调 节系统、管路系统、电控装置以及机座、外壳箱体组成【2 2 1 。由于受力平衡，所以运转平 稳、磨损和振动噪声小，在日本被誉为新时代的压缩机，有很大的发展前途。 螺杆式制冷压缩机兼具有活塞式和离心式压缩机两者的优点：1 ) 设备的体积小，重 量轻，占地面积小，输气脉动小；2 ) 没有吸、排气阀和活塞环等易损部件，故结构简单， 4 长安大学硕上学位论文 运行可靠；3 ) 因气缸中喷油，油起到密封、润滑的作用，因而排气温度低。螺杆式制冷 压缩机也有一些不尽理想的地方，其主要缺点有2 4 】：1 ) 单机容量比离心式小：2 ) 转速比 离心式低；3 ) 耗油量大。 ( 3 ) 离心式冷水机组 离心机是大中型空调系统中通常选用的冷水机型。目前国外最大离心式冷水机组的 单机制冷量已达到2 8 0 0 r t ( 9 8 4 0 k w ) ，且相比于螺杆机，离心机结构紧凑，自动化程度 高，特别是当冷负荷大的情况下具有良好的性能和节能效果，因此被应用在许多大型公 共建筑中【2 5 1 。其主要优点是：1 ) 单机制冷量大，制冷系数高；2 ) 结构紧凑，尺寸小，因 而占地面积小；3 ) 运行可靠、操作方便、维护费用低；其主要缺点是【2 6 】：1 ) 伟l j 冷量不宜 过小，如果负荷太低( 小于2 0 左右) 或冷凝压力太高，会发生“喘振”现象，这是离心式 压缩机的致命软肋；2 ) 不宜采用较高的冷凝压力：3 ) 变工况适应性不强。 ( 4 ) 溴化锂吸收式冷( 热) 水机组 溴化锂吸收式制冷机组是以热能作为动力，以水为制冷剂，溴化锂溶液为吸收剂， 制取高于0 的冷量，作为空调或生产工艺过程的冷源。溴化锂吸收式制冷机组由于其 本身耗电少、无毒、无污染、无爆炸危险、安全可靠，被誉为无公害的制冷设备2 7 。2 羽。 溴化锂吸收式冷( 热) 水机组的优点有：1 ) 以水作为制冷剂，溴化锂溶液作吸收剂，无毒、 无臭，对人体无危害，对大气臭氧层无破坏作用；2 ) 对热源要求不高( 蒸汽型热水型) ， 一般的低压蒸汽( 1 2 0 k p a 以_ l ) 或热水( 7 5 c 以上) 均能满足要求，特别适用于有废汽、废 热水可以利用的化工、冶金和轻工业企业，有利于热源的综合利用；其主要缺点为1 2 9 ： 1 ) 溴化锂溶液对金属，尤其是黑色金属有强烈的腐蚀性，特别在有空气存在的情况下更 严重，因此对机器的密封性要求非常严格；2 ) 溴化锂机组价格较高，机组溶液充灌量大， 故初投资较高。 ( 5 ) 空气源热泵机组 空气气源热泵是目前应用最广泛的系统，与其他热泵相比，空气源热泵的主要优点 就在于其热源获取的便利性。只要有适当的安装空间，并且该空间具有良好的获取空气 的能力，该建筑便具备了安装空气源热泵的基本条件3 0 。3 1 1 。空气源热泵的主要缺点为【3 2 】： 1 ) 对冬季室外相对湿度较高且室外气温较低的地区，结霜较为频繁，影响供暖效果；2 ) 机组多安装在屋顶，噪声较大，需合理控制，避免影响周围居民。 ( 6 ) 水源热泵机组 水源热泵是一种利用地球表面或浅层水源( 如地下水、地表水、河流、湖泊) 或者利 5 第二章常用空调冷热源及方案选择原则 用人工再生水源( 7 - 业废水、地热尾水等) 的低位热能资源，采用热泵原理，通过少量的 高位电能输入，实现低位热能向高位热能转移的技术。水源热泵机组供热时省去了传统 的锅炉房系统，没有燃烧过程，避免了排尘污染；供冷时省去了冷却塔噪音及霉菌污染 以及向大气中排放热量而造成的“热岛效应”【3 3 1 ，是一种真正的节能环保绿色产品。但 是，水源热泵在某些方面应用会受到限制【3 4 】：1 ) 可利用的水源条件限制水源热泵理论上 可以利用一切水资源，其实在实际工程中，不同的水资源利用的成本差异是相当大的。 所以在不同的地区是否有合适的水源成为水源热泵应用的一个关键。2 ) 水层的地理结构 的限制一对于从地下抽水回灌的使用，必须考虑到使用地的地质结构，确保可以在经济 条件下打井找到合适的水源，同时还应当考虑当地地质和土壤的条件，保证用后尾水的 回灌可以实现。 ( 7 ) 地源热泵机组 地源热泵( g r o u n ds o u r c eh e a tp u m p ，简称g s h p ) 就是随着能源和环保问题的出现而 逐渐兴起的- - 1 7 技术。它是一种通过输入少量高品位能源，实现低品位的地能( 土壤) 向 高品位热能转移的热泵空调系统3 5 1 。它与其他热泵的不同之处在于其冷凝器是通过防冻 剂与地能进行换热的。利用“泵”的功能，冬天将地热“取 进建筑物，夏天将建筑物产 生的废热“送”回地下。这种系统不但提高了效率，更提供了一种新的能源形式的利用 ( 地能) ，既开了源，又节了流。因此，地源热泵推广对于节能和环保都是有重大意义的。 有关资料显示，地源热泵夏天供冷时比空气源热泵提高效率2 5 ，而冬天供热时节能可 达到4 0 1 3 6 。与空气源热泵相比，土壤作为热泵机组的热源有着很多优点【3 7 】：1 ) - i - _ 壤的 温度波动小，一般认为，5 m 以下的土壤温度是不随大气温度变化而变化的，全年保持 恒定温度。因此其温度在夏季低于大气温度，冬季高于大气温度，理论上可以大大提高 机组的效率；2 ) 土壤有一定的蓄热性。夏季释放的热量可以冬季取出用，并可反复进行。 研究表明越是长期运行，此效果越是明显；3 ) 空气源热泵有冬季结霜的问题，地源热泵 不存在这个问题。从应用的实际情况来看，土壤源也存在一些缺点：1 ) 地下换热器换热 量随土壤物性参数的不同有很大变化，不易准确把握。另外土壤的换热量也较小，约在 2 0 - 、- 8 0 w m ( 垂直埋管) 和1 5 - - 一3 0 w m ( 水平埋管) ，因而所需换热管的面积比较大；2 ) 长 时间运行时，机组运行工况会随土壤温度变化而波动；3 ) 地埋管系统维修困难，施工 难度大【3 8 】。 ( 8 ) 冰蓄冷空调和v r v 空调机组在我国也比较普遍。 6 长安大学硕十学位论文 2 1 2 常用的空调热源 ( 1 ) 燃油，燃气锅炉 燃油，燃气锅炉具有结构紧凑，体积较小，燃烧效率高等优点，但是运行费用高， 尤其天然气作为一种优质能源，应该得到更高的利用，所以他们只宜作为辅助热源，在 集中供热达不到的地方代替小型燃煤锅炉。 ( 2 ) 集中供热 由于储量丰富、价格便宜等优势，煤在我国主体能源的地位在相当长的时间内不会 改变。对于煤炭来说，采用集中供热方式，可以提高燃烧效率，有利于自动化管理，方 便煤和灰渣的运输，更有利于污染排放的集中处理。因此，当以煤为供热能源时，应采 用集中供热的方式，并且规模宜大不宜小【3 9 】。 ( 3 ) 电热锅炉 电热锅炉的优点有控制精度高，使用寿命和可靠性高，无噪声，结构简单，运行安 全可靠，安装方便，操作简单等。电锅炉的缺点是电能是高品位优质能源，从能源利用 的角度来看，是一种优质低用的方式，综合能源利用效率差。 2 2 空调冷热源方案选择的影响因素 空调冷热源方案选择地影响因素有很多，具体有如下几点： ( 1 ) 气象条件 目标建筑物处于哪个地区，采暖通风与空气调节设计规范中关于此有详细的划 分，也可参照所在城市的历年气象资料。比如说西安属于夏热冬冷地区，一切的冷热源 选择工作都必须围绕此展开。比如在寒冷地区，哈尔滨，夏天其实都不需要用制冷空调， 可以用室外新风代替，所以不宜选择冷暖两用型热泵。 ( 2 ) 能源结构 能源结构决定了空调冷热源将采用的能源种类，各地情况不同。在进行空调冷热源 选择时，必须结合当地不同时期的能源结构。如：目标建筑物所在地区的能源结构分布 情况是如何，天然气是否充足，电力是否紧缺，是否有余热供应等。 ( 3 ) 建筑物的种类、功能及用途 不同种类的建筑物的功能、用途不尽相同。高档住宅和商业大厦就对占地面积、噪 声、环保等要求都不一样，酒店还对卫生热水、蒸汽有要求。 7 第二章常用窄调冷热源及方案选择原则 ( 4 ) 当地政策 当地政府的政策对冷热源及所使用能源有一定的导向作用，在选择时应加以考虑。 比如是否采用分时电价，是否鼓励用天然气，各种能源价格比等等。 ( 5 ) 环境保护 实际上，空调冷热源机组对环境的影响不仅仅是指泄漏出来的制冷剂，噪声影响， 机组所消耗的电力、燃油和燃气燃烧时排出的c 0 2 、s 0 2 、n o x 等温室气体和烟尘已引 起地球暖化和全球环境恶化，对自然和生态环境造成严重破坏【4 0 l 。长期以来，人们普遍 认为电是一种清洁的能源，实际上电只是在使用地点上不产生污染，而在发电厂，它产 生的污染是不可忽略的，特别是火力发电。 2 3 本章小结 本章主要介绍了空调各种冷热源设备的优点和缺点，并阐述了空调冷热源方案的主 要影响因素，认为空调冷热源方案的确定除了要考虑设备性能特点外，还要结合当地的 实际，选择最适合目标建筑的空调冷热源方案。 8 长安大学硕仁学位论文 第三章空调冷热源能耗计算及节能潜力的评估 建筑负荷的大小决定了建筑冷热源选型的大小，建筑的负荷特征决定了建筑能耗特 点。在冷热源设备的选择中，为了实现建筑节能，必须先了解建筑负荷特征。 本文的研究对象为办公建筑，其用能特点是上班时段为用能高峰，下班后基本不需 用能。本章具体以西安市某办公建筑为例，根据建筑物的设计负荷，通过综合分析确定 三种空调冷热源的方案，并计算各个方案空调冷热源的动态能耗，分析他们的节能潜力。 3 1 该办公建筑设计冷热负荷计算 3 1 1 目标建筑物概况 该办公建筑是按照6 5 的最新标准公共建筑节能标准( g b 5 0 1 8 9 2 0 0 5 ) 设计的综 合公共建筑，主要功能是实验、办公用房。采用框剪结构，地上1 5 层，地下1 层，主 楼1 5 层，裙楼2 层，总建筑面积2 3 9 4 1 m 2 ，建筑体积9 5 5 4 2 m 3 ，建筑高度6 1 2 m 。各向 窗墙面积比：东向为0 3 2 4 ；南向为0 3 5 4 ；西向为0 2 9 4 ；北向为0 3 8 5 ，围护结构参数 t 4 u 女n 表3 1 所示。 表3 1目标建筑物的围护结构参数 材料 厚度( m m ) 传热系数k ( w m l ) 备注 干挂花岗岩幕墙 2 5 挤塑保温板( x p s ) 保温层 1 0 0 水泥砂浆 1 5 外墙 0 4 2 非承重粘土空心砖； 2 4 0 水泥砂浆； 2 0 粉刷石膏 1 0 细石混凝土保护层 4 0 合成高分子卷材 1 5 非焦油聚氨脂防水涂膜 3 屋面 水泥砂浆 2 5 0 4 9 4 憎水珍珠岩保温板 1 2 0 1 ：6 水泥焦渣找坡最薄处3 0 m m 混凝十板 1 2 0 挤塑保温板( x p s ) 保温层 5 0 地面混凝十 0 4 7 遮阳系数s c 外窗标准双层玻璃外窗 2 5 = 0 8 3 9 箍三章卒调目热源耗计算盟节能潜力的w 估 31 2 室内计算参数设置 对该办公建筑，办公室、展览室、会议室为空调房间；楼梯问、走廊及卫生间冬季 不采暖，夏季无空调，主要功能房间设计参数如表3 2 所示。 采暖季；1 1 月1 5 同谈年3 月1 5 日：供冷季：6 月1 日8 月3 0 日 表3 2 建筑主要功能房间设计参数 最大人员密灯光产热量最低新风量 房间 室温上下限 相对湿度上下限 度( h m 2 ) ( w ) m ( a m 普通办公室夏2 6 、2 4 冬2 2 、2 0 楼梯间、走 廊 展览室 0 22 0 夏2 6 、2 4 冬2 2 、2 0 0605 卫生问 0 11 02 0 会议室夏2 6 、2 4 冬2 2 、2 0 空调运行模式： 每天7 ：0 0 2 2 ：0 0 空调开启；其余时间，空调关闭 31 3 建筑简化模型的建立 本建筑建立的简化模型如图31 、3 2 所示。 图文l 建筑平面图什五层) * 安大学坝【学位论女 图3 2 建筑立体图 32 建筑设计负荷计算 3 2 1 热负荷计算 供暖系统的设计热负荷是指在设计室外温度f 。下，为达到要求的室内温度t 。，供暖 系统在单位时间内向建筑物供给的热量0 ，主要包括围护结构的基本耗热量，围护结构 的附加耗热量和通风换气所耗得热量。采暖室外计算温度，应采用历年平均不保证5 天 的同平均温度。奉建筑地处西安，冬季采暖室外计算i = 1 平均温度取5 * 0 4 2 i 。 ( 1 ) 围护结构基本耗热量，可按下式计算： q = 心0 。一f ：k 式中足一围护结构的传热系数，w m 2 f 一围护结构的面积，m 2 ； t 。冬季室内计算温度， t ：一供暖室外计算温度，； n 一围护结构的温差修正系数。 f 2 1 围护结构的附加耗热量包括朝向修正、风力附加和高度附加耗热量。 ( 3 1 ) 第三章空调冷热源能耗计算及节能潜力的评估 ( 3 ) 冷风渗透耗热量，可按下式计算： q 2 = 0 2 7 8 v p 。c 一- i ( r 。一f ：) 一 w、n， 式中 y 一经门、窗缝隙渗入室内的总空气量，m 3 h ； p 。一供暖室外计算温度下的空气密度，k g m 3 ； c ，一冷空气的定压比热，c = l k j k g ( 4 ) 冷风侵入耗热量，可按下式计算： 么= q ：。肼 式中 q ：。m 一外门的基本耗热量，w ； 一考虑冷风侵入的外门附加率。 3 2 2 冷负荷计算 ( 3 2 ) ( 3 3 ) 在工程实际中，一般采用冷负荷系数法计算空调冷负荷，冷负荷系数法是在传递函 数的基础上为便于在工程进行手算而建立起来的一种简化计算法。通过冷负荷温度与冷 负荷系数直接从各种扰量值求得各分项逐时冷负荷，然后取其最大值。夏季空调室外计 算日平均温度，应采用历年平均不保证5 天的日平均温度，本建筑地处西安，夏季空调 室外计算日平均温度取3 0 7 0 。 ( 1 ) 外墙和屋面传热冷负荷计算公式 外墙或屋面传热形成的计算时刻冷负荷q ，按式( 3 4 ) 计算： q = k f a t ，, 一f ( 3 4 ) 式中 f 一计算面积，m 2 ； t 一计算时刻，点钟： t 芎_ 温度波的作用时刻，即温度波作用于外墙或屋面外侧的时刻， 点钟； t ，一f 作用时刻下，通过外墙或屋面的冷负荷计算温差，简称负荷温差。 注：例如对于延迟时间为5 小时的外墙，在确定1 6 点房间的传热冷负荷时，应取计 1 2 长安大学硕士学位论文 算时刻f = 1 6 ，时间延迟为乒5 ，作用时刻为t 一乒1 6 5 = 1 1 。这是因为计算1 6 点钟外墙内表 面由于温度波动形成的房间冷负荷是5 小时之前作用于外墙外表面温度波动产生的结 果。 当外墙或屋顶的衰减系数1 3 0 2 时，可用日平均冷负荷qp j 代替各计算时刻的冷负 荷q ，： = k f a t ( 3 5 ) 式中a t p j 一负荷温差的日平均值，。 ( 2 ) 外窗的温差传热冷负荷 通过外窗温差传热形成的计算时刻冷负荷q t 按( 3 6 ) 式计算： q f = k f a t , ( 3 6 ) 式中他一计算时刻下的负荷温差，； 础热系数。 ( 3 ) 外窗太阳辐射冷负荷 透过外窗的太阳辐射形成的计算时刻冷负荷q t ， 计算： 当外窗无任何遮阳设施时 q f = f c s o j 孵 应根据不同情况分别按下列各式 ( 3 7 ) 式中厶一计算时n - f 太阳总辐射负荷强度，w m ； 当外窗只有内遮阳设施时 q f = f c , c o c j 。 ( 3 8 ) 式中厶一计算时刻下太阳总辐射负荷强度，w m 2 ； 当外窗只有外遮阳板时 q - - f , j o ，+ 矾， c ，c o ( 3 9 ) 注：对北纬2 7 度以南地区的南窗，可不考虑外遮阳板的作用，直接按式( 3 1 0 ) 计算。 ( 4 ) 当窗口既有内遮阳设施又有外遮阳板时 第三章窄调冷热源能耗计算及节能潜力的评估 q = 【e 厶+ 砜， c , c 。c o ( 3 1 0 ) 式中以，一计算时刻下，标准玻璃窗的直射辐射照度，w m 厶，一计算时刻下，标准玻璃窗的散热辐射照度，w m ； e 一窗上收太阳直射照射的面积； 只- 夕 、窗面积( 包括窗框、即窗的墙洞面积) m 2 ； c 口一窗的有效面积系数； c 。一窗玻璃的遮挡系数； q 一窗内遮阳设施的遮阳系数； 注：对于北纬2 7 度以南地区的南窗，可不考虑外遮阳板的作用，直接按式( 3 7 ) 计算。 ( 5 ) 内围护结构的传热冷负荷 当邻室为通风良好的非空调房间时，通过内窗的温差传热负荷，可按式( 3 6 ) 计算。 当邻室为通风良好的非空调房间时，通过内墙和楼板的温差传热负荷，可按式( 3 4 ) 计算，或按式( 3 5 ) 估算。此时负荷温差觚专及其平均值a t p j ，应按”零”朝向的数据采用。 当邻室有一定发热量时，通过空调房间内窗、隔墙、楼板或内门等内围护结构的温 差传热负荷，按下式计算： q = k f ( t w p + 。一乙) ( 3 1 1 ) 式中q 一稳态冷负荷，下同，w ； k 夏季空气调节室外计算日平均温度，； 乙一夏季空气调节室内计算温度，； 她。冬b 室温升，可根据邻室散热强度采用，。 ( 6 ) 人体冷负荷 人体显热散热形成的计算时刻冷负荷q x , i ：，按( 3 1 2 ) 式计算： q = n q l c c l ，c ，( 3 1 2 ) 式中c ，一群体系数； ，l 一计算时刻空调房间内的总人数； 1 4 长安人学硕士学位论文 g 。一一名成年男子小时显热散热量，w ； 一人体显热散热冷负荷系数。 ( 7 ) 灯光冷负荷 照明设备散热形成的计算时刻冷负荷q ，应根据灯具的种类和安装情况分别按下列 各式计算： 白炽灯和镇流器在空调房间外的荧光灯 q = 1 0 0 0 r h n x ，一r ( 3 1 3 ) 镇流器装在空调房间内的荧光灯 q = 1 2 0 0 r h n x , 一r 暗装在吊顶玻璃罩内的荧光灯 q = 1 0 0 0 n o n x ，一r ( 3 1 4 ) ( 3 1 5 ) 式中n 一照明设