建筑空調(diào)能耗的對(duì)比范文

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《暖通空調(diào)雜志》2014年第七期

1案例1：制冷設(shè)備集中、輸配系統(tǒng)集中、用戶無(wú)調(diào)節(jié)能力

案例1為江蘇某住宅小區(qū)［12］。該小區(qū)共10棟住宅樓，建筑面積11．4萬(wàn)m2，測(cè)試期間入住率約90％。空調(diào)末端采用頂棚供暖和供冷輻射系統(tǒng)＋置換新風(fēng)系統(tǒng)形式。空調(diào)主機(jī)采用地源熱泵機(jī)組，2臺(tái)1400kW的熱泵機(jī)組為新風(fēng)系統(tǒng)提供冷熱源，2臺(tái)1070kW的熱泵機(jī)組為頂棚輻射系統(tǒng)提供冷熱源。新風(fēng)系統(tǒng)夏季設(shè)計(jì)冷負(fù)荷2636kW，冬季設(shè)計(jì)熱負(fù)荷1430kW；頂棚輻射系統(tǒng)夏季設(shè)計(jì)冷負(fù)荷1757kW，冬季設(shè)計(jì)熱負(fù)荷604kW。頂棚輻射系統(tǒng)循環(huán)泵單臺(tái)額定流量500m3／h，揚(yáng)程31m；新風(fēng)系統(tǒng)循環(huán)泵與地源側(cè)循環(huán)泵規(guī)格相同，單臺(tái)額定流量250m3／h，揚(yáng)程32m。該住宅小區(qū)采用的是典型的完全集中式空調(diào)系統(tǒng)，由地源熱泵機(jī)組統(tǒng)一提供冷熱源。在用戶側(cè)，對(duì)建筑物內(nèi)的每一個(gè)空間，包括走廊、衛(wèi)生間、無(wú)人居住的房間等，空調(diào)系統(tǒng)按照預(yù)定的溫濕度標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行全天24h調(diào)控，甚至達(dá)到“恒溫恒濕”標(biāo)準(zhǔn)，保證建筑物內(nèi)的任何空間在任何時(shí)間都滿足舒適性要求。可見(jiàn)，物業(yè)提供的服務(wù)理念為集中化的空調(diào)調(diào)控方式。然而，在這種調(diào)控形式下，用戶對(duì)室內(nèi)環(huán)境的調(diào)控能力十分有限，例如，建筑的外窗不能開(kāi)啟，無(wú)法通過(guò)開(kāi)窗進(jìn)行通風(fēng)換氣；用戶不能關(guān)閉空調(diào)末端等。該小區(qū)單位面積空調(diào)電耗如圖3所示。同時(shí)，以分體空調(diào)作為分散式空調(diào)的典型代表，根據(jù)對(duì)上海地區(qū)780戶住宅的實(shí)測(cè)調(diào)研，得到上海地區(qū)分體空調(diào)單位面積電耗的一般水平為4．3kW•h／m2［8］。由于江蘇地區(qū)氣候與上海類似，可認(rèn)為江蘇地區(qū)的分體空調(diào)能耗水平與之近似相同。該小區(qū)單位面積空調(diào)能耗約為該地區(qū)分體空調(diào)能耗的5倍。分析發(fā)現(xiàn)，造成該小區(qū)空調(diào)電耗偏高的一個(gè)主要原因是在該種空調(diào)系統(tǒng)形式下，由于用戶沒(méi)有調(diào)控能力，空調(diào)系統(tǒng)采用的是“全時(shí)間、全空間”的運(yùn)行方式，小區(qū)空調(diào)全負(fù)荷運(yùn)行的時(shí)間長(zhǎng)于分散式空調(diào)，所服務(wù)的空間也大于分散式空調(diào)。在案例1的空調(diào)形式下，空調(diào)服務(wù)面積與空調(diào)服務(wù)時(shí)間的乘積為11．4萬(wàn)m2×24h＝273．6萬(wàn)m2•h；而同地區(qū)采用分體空調(diào)時(shí)，空調(diào)服務(wù)面積與空調(diào)服務(wù)時(shí)間的乘積大約為68．4萬(wàn)m2•h，僅為案例1的25％［13］。在這種情況下，雖然熱泵機(jī)組自身效率較高（供冷季的COP平均值約為4．4），但由于末端需冷量大，僅熱泵機(jī)組的電耗就為分體空調(diào)的3倍多。同時(shí)，采用該完全集中式空調(diào)系統(tǒng)時(shí)還存在風(fēng)機(jī)、水泵的輸配電耗。根據(jù)2009年5—9月空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行記錄，得到各月制冷機(jī)、水泵和新風(fēng)機(jī)組的耗電量，如圖4所示。可以看到，水泵、新風(fēng)機(jī)電耗約占總電耗的30％～60％，約為制冷機(jī)電耗的0．5～1．4倍。因此輸配電耗是該空調(diào)系統(tǒng)能耗的一大組成部分，這也是采用該空調(diào)系統(tǒng)的住宅小區(qū)空調(diào)能耗較高的一個(gè)重要原因。案例1中空調(diào)系統(tǒng)各部分電耗如下：冷卻水輸送，2．5kW•h／m2；制冷機(jī)，13．4kW•h／m2；冷水輸送，4kW•h／m2。用戶側(cè)供冷量為59kW•h／m2。整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)的能效為3．0，高于目前分體空調(diào)的一般能效水平（2．5）。但是，由于空調(diào)系統(tǒng)采用“全時(shí)間、全空間”的運(yùn)行方式，空調(diào)末端不可調(diào)節(jié)，末端用戶實(shí)際耗冷量為同一地區(qū)分體空調(diào)的5倍多，導(dǎo)致其實(shí)際運(yùn)行能耗遠(yuǎn)高于分體空調(diào)，并且輸配系統(tǒng)能耗占到總能耗的33％。在這2個(gè)因素的綜合作用下，雖然熱泵機(jī)組自身的效率較高，同時(shí)整個(gè)系統(tǒng)的能效也不低，但整個(gè)小區(qū)的空調(diào)耗電量約為同一地區(qū)分體空調(diào)的5倍。

2案例2：制冷設(shè)備集中、輸配系統(tǒng)集中、用戶有調(diào)節(jié)能力

案例2為河南某住宅小區(qū)。該小區(qū)占地面積27944m2，建筑面積41200m2，每棟樓5層，共有12棟樓，總計(jì)294戶，入住率為75％。區(qū)域供冷供熱系統(tǒng)主機(jī)采用2臺(tái)螺桿式水源熱泵機(jī)組，水系統(tǒng)形式為一級(jí)泵定流量，共設(shè)3臺(tái)用戶側(cè)循環(huán)泵（兩用一備）和4臺(tái)潛水泵（兩用兩備）。主要設(shè)備如表1所示。用戶末端為風(fēng)機(jī)盤(pán)管，水側(cè)沒(méi)有安裝通斷控制閥。該小區(qū)按照風(fēng)機(jī)盤(pán)管實(shí)際運(yùn)行狀況收費(fèi)，也就是根據(jù)實(shí)測(cè)的風(fēng)機(jī)盤(pán)管風(fēng)機(jī)高、中、低擋運(yùn)行的時(shí)間，分別按照不同價(jià)格收費(fèi)，風(fēng)機(jī)停止時(shí)不收費(fèi)。案例2的空調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與案例1類似，但其用戶末端采用風(fēng)機(jī)盤(pán)管，用戶可以根據(jù)自身的需求選擇風(fēng)機(jī)的高、中、低擋來(lái)進(jìn)行室內(nèi)環(huán)境參數(shù)的調(diào)節(jié)，也可以完全關(guān)閉風(fēng)機(jī)，停止某些房間的空調(diào)供應(yīng)。因此，這種空調(diào)末端的調(diào)節(jié)能力與分體空調(diào)相似。另外，小區(qū)采用了根據(jù)風(fēng)機(jī)高、中、低擋運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)來(lái)收取費(fèi)用的機(jī)制，進(jìn)一步調(diào)動(dòng)了使用者在不需要空調(diào)時(shí)關(guān)斷風(fēng)機(jī)的積極性，從而使末端的獨(dú)立調(diào)節(jié)能力得到更有效的發(fā)揮。但由于采用集中冷源，冷水系統(tǒng)定流量運(yùn)行，因此冷水循環(huán)泵的電耗在總能耗中占很大比例。在案例2中，供冷季用戶耗冷量的測(cè)試結(jié)果為7．5kW•h／m2。在案例2這種空調(diào)系統(tǒng)形式下，空調(diào)末端的調(diào)節(jié)能力與分體空調(diào)相似，因此可認(rèn)為2種空調(diào)系統(tǒng)形式下用戶的冷量消耗近似相等。而通過(guò)模擬計(jì)算可以得到，如果該小區(qū)采用完全集中式空調(diào)系統(tǒng)（如案例1中“全時(shí)間、全空間”的空調(diào)運(yùn)行方式），則小區(qū)用戶耗冷量為54．0kW•h／m2，約為實(shí)際用戶耗冷量的7倍。因此，在用戶可自由調(diào)節(jié)空調(diào)末端，且采用合理的收費(fèi)機(jī)制的情況下，用戶側(cè)的需冷量將顯著下降。采用分體空調(diào)時(shí)，用戶的耗冷量與案例2的用戶實(shí)際耗冷量一致，分體空調(diào)的COP按2．5計(jì)［15］，則可得到如果采用以分體空調(diào)為代表的分散式空調(diào)，該小區(qū)供冷季耗電量為3．0kW•h／m2。2種空調(diào)形式下小區(qū)空調(diào)耗電量對(duì)比如圖5所示，該小區(qū)單位面積耗電量為分散式空調(diào)的2倍多。圖6為根據(jù)該小區(qū)風(fēng)機(jī)盤(pán)管運(yùn)行時(shí)間計(jì)算得到的各用戶風(fēng)機(jī)盤(pán)管開(kāi)啟率（用戶所有風(fēng)機(jī)盤(pán)管的總開(kāi)啟時(shí)長(zhǎng)／（所有房間的風(fēng)機(jī)盤(pán)管數(shù)×熱泵機(jī)組運(yùn)行的總時(shí)長(zhǎng)））的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。可以看出，有近80位用戶在這段時(shí)間內(nèi)沒(méi)有開(kāi)啟房間的風(fēng)機(jī)盤(pán)管，超過(guò)1／3的用戶其空調(diào)開(kāi)啟率低于10％。經(jīng)計(jì)算，供冷季小區(qū)用戶對(duì)空調(diào)末端的開(kāi)啟率均值僅為7％。通過(guò)分析該小區(qū)空調(diào)系統(tǒng)的能效，發(fā)現(xiàn)在這種空調(diào)系統(tǒng)末端的運(yùn)行情況下，由于用戶末端同時(shí)使用率低，整個(gè)小區(qū)負(fù)荷率低，導(dǎo)致整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)的能效很低。計(jì)算得到該空調(diào)系統(tǒng)的綜合能效僅為1（用戶供冷量／（熱泵機(jī)組電耗＋水泵電耗）＝7．5kW•h／m2÷（4．4kW•h／m2＋3．2kW•h／m2））。造成該空調(diào)系統(tǒng)綜合能效低的原因如下：一方面，如前文提到的，在小區(qū)“部分時(shí)間、部分空間”的空調(diào)運(yùn)行模式下，整個(gè)系統(tǒng)總負(fù)荷率較低，但負(fù)荷需求不同步，少數(shù)用戶仍有較大的負(fù)荷需求。即絕大多數(shù)時(shí)間內(nèi)，空調(diào)系統(tǒng)中僅有少數(shù)風(fēng)機(jī)盤(pán)管處在運(yùn)行狀態(tài)。而該小區(qū)水系統(tǒng)采用定流量運(yùn)行，這就導(dǎo)致水系統(tǒng)處在“大流量、小溫差”的運(yùn)行狀態(tài)。如圖7所示，整個(gè)供冷季小區(qū)內(nèi)各住宅樓的供回水溫差均為1℃左右。因此水泵電耗成為空調(diào)電耗的一大組成部分，循環(huán)水泵的電耗占系統(tǒng)總用電量的43％。另一方面，在該小區(qū)用戶的總冷量需求狀況下，制冷機(jī)長(zhǎng)期處在低負(fù)荷狀態(tài)下運(yùn)行，整個(gè)供冷季小區(qū)制冷機(jī)的平均COP＝用戶側(cè)耗冷量／制冷機(jī)電耗＝1．7，遠(yuǎn)小于其額定值6．4。即使制冷機(jī)的COP可以達(dá)到額定值6．4，受限于水泵電耗，整個(gè)系統(tǒng)的能效為7．5kW•h／m2÷（7．5kW•h／m2÷6．4＋3．2kW•h／m2）＝1．72，提升的空間十分有限。因此，冷水循環(huán)泵電耗是制約該小區(qū)系統(tǒng)能效提高的主要因素。綜上所述，通過(guò)案例2的分析可以發(fā)現(xiàn)，在用戶側(cè)可自主調(diào)控的情況下，相比于集中系統(tǒng)，用戶側(cè)的冷量需求顯著下降，建筑側(cè)的冷量需求與采用分散式空調(diào)時(shí)類似。受系統(tǒng)形式的影響，案例2中空調(diào)系統(tǒng)電耗包括輸送環(huán)節(jié)的水泵電耗。而且由于水系統(tǒng)為一級(jí)泵定流量系統(tǒng)，水泵輸送電耗成為空調(diào)電耗的主要組成部分，這也是系統(tǒng)能效低的主要原因。

3案例3：制冷設(shè)備分散、輸配系統(tǒng)集中、用戶有調(diào)節(jié)能力

案例3為北京某住宅小區(qū)［14］。該住宅小區(qū)有3棟住宅樓，總空調(diào)面積為7萬(wàn)m2，采用分布式水環(huán)熱泵供冷／熱。小區(qū)內(nèi)共有住戶368戶，設(shè)計(jì)空調(diào)冷／熱負(fù)荷分別為64W／m2和51．8W／m2。如圖8所示，地下水通過(guò)深井泵取出，經(jīng)過(guò)一次換熱，通過(guò)循環(huán)管網(wǎng)送到分布于各戶的熱泵，作為冷卻水使用。各戶的熱泵在夏季制取空調(diào)用冷量，再將熱量排入冷卻水循環(huán)系統(tǒng)；在冬季則從循環(huán)水中提取熱量經(jīng)熱泵升溫。返回的循環(huán)水又被回灌到地下。這樣形成集中式地下水循環(huán)供應(yīng)系統(tǒng)和分散在各戶的水源熱泵形式。為保證供冷／熱需求，二次側(cè)的循環(huán)泵采用定流量方式，并且24h連續(xù)運(yùn)行。該小區(qū)的空調(diào)末端采用全空氣系統(tǒng)，風(fēng)管通到各個(gè)房間，風(fēng)口沒(méi)有設(shè)置調(diào)節(jié)閥，因此需要供冷時(shí)，該戶的所有房間均供冷。與前面2個(gè)案例不同的是，在案例3中，所有的熱泵分戶設(shè)置，可以根據(jù)末端的需求自行啟停。即用戶側(cè)采用的是“部分時(shí)間、全空間”的運(yùn)行方式。案例3的空調(diào)系統(tǒng)仍具有集中式系統(tǒng)的特征，即冷水統(tǒng)一循環(huán)，冷卻水集中從地下抽出，經(jīng)過(guò)各個(gè)末端熱泵機(jī)組再返回回灌井，集中回灌。已有學(xué)者通過(guò)測(cè)試得到北京市居住建筑中采用分體空調(diào)時(shí)的空調(diào)電耗大致為3．1kW•h／m2［5］。該小區(qū)單位面積空調(diào)電耗約為分體空調(diào)電耗的3倍（如圖9所示）。考慮分體空調(diào)COP的一般水平為2．5，則采用分體空調(diào)時(shí)單位面積耗冷量為7．8kW•h／m2。而案例3中實(shí)測(cè)得到的小區(qū)用戶側(cè)供冷量為13．2kW•h／m2。因此，在該種系統(tǒng)形式下，小區(qū)單位面積耗冷量高于采用分體空調(diào)的情況。主要原因是采用分體空調(diào)時(shí)，用戶的使用模式為“部分時(shí)間、部分空間”，而在案例3中，受空調(diào)系統(tǒng)形式的影響，用戶的使用模式為“部分時(shí)間、全空間”。整個(gè)供冷季熱泵的COP均值為2．9，優(yōu)于一般的分體空調(diào)COP＝2．5的水平。但在該小區(qū)的熱泵系統(tǒng)中，無(wú)論末端水源熱泵機(jī)組開(kāi)啟多少臺(tái)，二次側(cè)循環(huán)水系統(tǒng)的所有循環(huán)泵總是全天候滿負(fù)荷運(yùn)行，因此僅循環(huán)水泵電耗就達(dá)3．6kW•h／m2。從測(cè)得的供回水溫差可以看出，該小區(qū)水系統(tǒng)處在大流量、小溫差的運(yùn)行狀況下，如表2所示。在這種運(yùn)行情況下，水泵輸配電耗成為耗電重要部分，從圖9可以看出，這種集中方式的地下水循環(huán)系統(tǒng)的水泵電耗占總用電量的一半左右。因此，該小區(qū)空調(diào)系統(tǒng)單位面積電耗高于一般的分散式空調(diào)。綜上所述，案例3表明，在“部分時(shí)間、全空間”的供冷模式下，用戶側(cè)供冷量低于完全集中式的空調(diào)系統(tǒng)（案例1），但高于“部分時(shí)間、部分空間”服務(wù)模式下的供冷量（案例2）。同時(shí)系統(tǒng)采用分散式熱泵，能夠保證熱泵機(jī)組在較高的負(fù)荷率下運(yùn)行，熱泵性能得到提高。但系統(tǒng)中冷卻水側(cè)為集中形式，冷卻水泵電耗成為空調(diào)電耗的主要組成部分，約占空調(diào)總電耗51％。

4分析與討論

文中的3個(gè)實(shí)際案例均為集中式空調(diào)系統(tǒng)形式，但3個(gè)空調(diào)系統(tǒng)在用戶調(diào)節(jié)能力、制冷設(shè)備和輸配系統(tǒng)形式上略有差異。綜合比較上述3個(gè)案例，有利于增強(qiáng)對(duì)集中式空調(diào)系統(tǒng)在居住建筑中適用情況的理解。3個(gè)案例中空調(diào)系統(tǒng)部分的能耗組成及供冷量如表3所示，表4列出了各部分的能效情況，表中的能效計(jì)算方法參照GB／T17981—2007《空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行》中的要求，即機(jī)組COP為用戶側(cè)供冷量與熱泵機(jī)組耗電量的比值；冷水輸送系數(shù)為用戶側(cè)供冷量與冷水循環(huán)泵電耗的比值；冷卻水輸送系數(shù)為用戶側(cè)供冷量和熱泵機(jī)組電耗之和與冷卻水循環(huán)泵電耗的比值；系統(tǒng)能效等于用戶側(cè)供冷量／（熱泵機(jī)組耗電量＋冷水循環(huán)泵電耗＋冷卻水循環(huán)泵電耗）。通過(guò)3個(gè)工程案例的對(duì)比分析，得到的主要結(jié)論如下。1）只要有自主調(diào)節(jié)的條件和機(jī)制，末端用戶就會(huì)按照類似分散式空調(diào)的模式運(yùn)行，用戶側(cè)負(fù)荷呈現(xiàn)需求不同步、負(fù)荷率低的特征。在寒冷及嚴(yán)寒地區(qū)，居住建筑的冷熱負(fù)荷特征迥異。在供熱過(guò)程中，熱負(fù)荷的主要影響因素為室外氣象條件，因此各用戶的熱負(fù)荷具有同步性。但在夏季供冷過(guò)程中，氣象條件并非主要的影響因素，室內(nèi)熱擾情況成為影響冷負(fù)荷的最關(guān)鍵因素，這也是造成居住建筑冷負(fù)荷與熱負(fù)荷特征不一致的本質(zhì)原因。目前我國(guó)住宅的主導(dǎo)形式為公寓式，其使用方式的主要特點(diǎn)為：①各戶之間居留情況差異大；②室內(nèi)人數(shù)變化大；③室內(nèi)環(huán)境需求差異大等。在這樣的使用特征下，只要末端用戶對(duì)空調(diào)系統(tǒng)有調(diào)節(jié)能力，用戶就會(huì)按照“部分時(shí)間、部分空間”的方式運(yùn)行空調(diào)，進(jìn)而形成居住建筑中用戶側(cè)負(fù)荷需求不同步、負(fù)荷率低的情況。從對(duì)比分析可以看出，完全集中式空調(diào)系統(tǒng)提供“全時(shí)間、全空間”的室內(nèi)環(huán)境控制服務(wù)（案例1），對(duì)應(yīng)的空調(diào)電耗最高，能耗約為具有末端獨(dú)立調(diào)節(jié)功能的半集中式系統(tǒng)（案例2）的3倍。這種能耗差異主要是由服務(wù)模式的差別導(dǎo)致的。從用戶側(cè)供冷量的對(duì)比可以看出，在案例1中，供冷量為59kW•h／m2，遠(yuǎn)大于案例2與案例3。在案例1中，不管末端的需求情況如何，一律按照公認(rèn)的舒適性進(jìn)行環(huán)境調(diào)控，即采用“全時(shí)間、全空間”的室內(nèi)環(huán)境調(diào)控方式。而在案例3中，采用戶式集中空調(diào)系統(tǒng)，其服務(wù)模式為“部分時(shí)間、全空間”，用戶側(cè)耗冷量為13．2kW•h／m2，相比案例1有所降低。案例2中，空調(diào)末端的調(diào)控類似分散式空調(diào)，用戶可以根據(jù)需要自行調(diào)節(jié)。在這種調(diào)控方式下，受生活方式的影響，我國(guó)居民大部分會(huì)采用“部分時(shí)間、部分空間”的運(yùn)行方式，因此空調(diào)系統(tǒng)需要供應(yīng)的冷量比案例1和案例3少。例如，某戶的臥室平均只有30％的時(shí)間有人，而居住者入睡后又不希望空調(diào)運(yùn)行，則該臥室真正需要開(kāi)啟空調(diào)的時(shí)間平均僅為20％。然而，同樣的臥室，采用集中式系統(tǒng)時(shí)空調(diào)卻是在100％的時(shí)間內(nèi)運(yùn)行，因此供冷量遠(yuǎn)大于實(shí)際需求量，其提供服務(wù)的時(shí)間、空間累積（運(yùn)行時(shí)間×服務(wù)面積）幾乎是分散式空調(diào)的5倍。2）在居住建筑中，受用戶末端的需求現(xiàn)狀影響，在集中式空調(diào)系統(tǒng)中，輸配能耗成為系統(tǒng)能耗的主要組成部分。在案例2和案例3中，其空調(diào)末端具有分散式空調(diào)的特性，但制冷設(shè)備及輸配系統(tǒng)是典型的集中式形式。案例2和案例3的空調(diào)能耗均在8kW•h／m2左右，約為分體空調(diào)的1．5～3倍。這主要是由于案例2和案例3的輸配能耗較大。從表5可以看出，案例2中的冷水和冷卻水輸送系數(shù)均不超過(guò)10，而案例3中的冷卻水輸送系數(shù)甚至只有3．7。GB／T17981—2007《空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行》規(guī)定，用于全年累計(jì)工況評(píng)價(jià)時(shí)，冷水輸送系數(shù)指標(biāo)的限值為30，冷卻水輸送系數(shù)指標(biāo)的限值為25。2個(gè)案例中水泵輸送系數(shù)均處在很低的水平。正如上文的分析，就實(shí)際的總冷量來(lái)說(shuō)，案例2和案例3這種集中式系統(tǒng)與分體空調(diào)相差不大。然而集中式系統(tǒng)的輸配循環(huán)泵全天24h連續(xù)運(yùn)行，而且在大部分時(shí)間輸送冷量的功效很差（供回水溫差很小）。如在案例2中，供冷季僅循環(huán)水泵的電耗就達(dá)到3．2kW•h／m2，已經(jīng)相當(dāng)于采用分體空調(diào)住宅的平均夏季電耗。案例3能進(jìn)一步說(shuō)明上述問(wèn)題。在案例3中，只有冷卻水需要統(tǒng)一循環(huán)。由于末端的可調(diào)控性，居民采用“部分時(shí)間、全空間”的運(yùn)行方式，一天中熱泵運(yùn)行的時(shí)間大大縮短，熱泵和末端裝置電耗只占空調(diào)系統(tǒng)總能耗的49％，但冷卻水循環(huán)泵的電耗竟超過(guò)系統(tǒng)總用電量的一半。如果在案例2和案例3中的用戶末端水側(cè)安裝電動(dòng)通斷閥并配以水泵變頻，則可以增大冷水系統(tǒng)的供回水溫差，在一定程度上降低這種集中式系統(tǒng)的輸配能耗。但由于居住建筑中存在用戶側(cè)負(fù)荷需求不同步、負(fù)荷率低的特征，輸配能耗仍將是系統(tǒng)能耗的主要組成部分。圖10為案例2典型日各用戶末端風(fēng)機(jī)盤(pán)管的開(kāi)啟時(shí)間頻率分布情況。可以發(fā)現(xiàn)，大部分用戶的風(fēng)機(jī)盤(pán)管開(kāi)啟率集中在10％以內(nèi)，僅有極少用戶的開(kāi)啟率可以達(dá)到60％左右。在這種情況下，最理想的調(diào)控方式為設(shè)置多臺(tái)循環(huán)水泵并聯(lián)運(yùn)行，并根據(jù)供回水溫差進(jìn)行水泵臺(tái)數(shù)及頻率調(diào)節(jié)。但在實(shí)際工程中，一般設(shè)置2～3臺(tái)水泵，在低開(kāi)啟率的情況下將導(dǎo)致水泵的工作點(diǎn)嚴(yán)重偏離，進(jìn)而造成輸配系統(tǒng)的高能耗、低能效狀況。同時(shí)，輸配系統(tǒng)的能耗降低也受到制冷機(jī)側(cè)的限制。一般集中式系統(tǒng)最多設(shè)置2～3臺(tái)制冷機(jī)，而每臺(tái)制冷機(jī)均有最低流量限制，這就導(dǎo)致在小負(fù)荷的情況下，輸配系統(tǒng)的流量不可能下降過(guò)多，系統(tǒng)不可避免地處在大流量、小溫差的運(yùn)行狀況下。因此，從以上分析可以發(fā)現(xiàn)，造成這種系統(tǒng)能效偏低的本質(zhì)原因是住宅空調(diào)負(fù)荷率低、負(fù)荷不同步，這與公共建筑差異較大。所以在居住建筑中采用集中式空調(diào)系統(tǒng)需要非常謹(jǐn)慎。3）從居住建筑實(shí)測(cè)案例分析發(fā)現(xiàn)，空調(diào)系統(tǒng)中處在集中與分散特性交界處的環(huán)節(jié)往往呈現(xiàn)出高運(yùn)行能耗的特性。從上文的分析可知，居住建筑中用戶側(cè)的需求具有“部分時(shí)間，部分空間”的分散特性，這與集中式空調(diào)系統(tǒng)自身具有的調(diào)節(jié)靈活性較差的特征相矛盾。在實(shí)際應(yīng)用中，在集中與分散特性的交界處，往往容易出現(xiàn)能耗高或能效低的問(wèn)題。在案例1中，其空調(diào)末端缺乏可調(diào)性，與用戶負(fù)荷的分散特性產(chǎn)生矛盾。這意味著在這種集中式空調(diào)系統(tǒng)中，空調(diào)末端與室內(nèi)的換熱環(huán)節(jié)為集中與分散特性的矛盾邊界。這種矛盾導(dǎo)致系統(tǒng)的供冷量大大增加，系統(tǒng)運(yùn)行能耗高。在案例2中，空調(diào)末端具有可調(diào)性，但一級(jí)泵為定流量控制，這與用戶負(fù)荷的分散特性產(chǎn)生矛盾。即冷水在機(jī)組與用戶末端之間的換熱環(huán)節(jié)為集中與分散特性的矛盾邊界。這種矛盾導(dǎo)致冷水泵的輸送能耗成為了制約系統(tǒng)能效提高的主要原因。從表5可以看出，該系統(tǒng)的冷水輸送系數(shù)僅為5，遠(yuǎn)低于GB／T17981—2007《空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行》中提出的限值（30）。而且冷水側(cè)的不可調(diào)節(jié)特性進(jìn)一步影響了制冷機(jī)及冷卻水側(cè)的可調(diào)節(jié)性及運(yùn)行情況，造成整個(gè)系統(tǒng)能效偏低。在案例3中，由于采用分戶式熱泵，機(jī)組至室內(nèi)的整個(gè)換熱環(huán)節(jié)可視為一個(gè)整體，均具有分散的特性。但冷卻水側(cè)為定流量，即冷卻水在冷源和機(jī)組之間的換熱環(huán)節(jié)為集中與分散特性的矛盾邊界。這種矛盾導(dǎo)致冷卻水泵電耗成為耗電量的主要組成部分。對(duì)比案例2和案例3可以看出，同樣是水源熱泵，案例2的地下水循環(huán)泵電耗不到系統(tǒng)總用電量的20％，但案例3中地下水循環(huán)泵電耗卻占系統(tǒng)總用電量的51％，而且其冷卻水輸送系數(shù)僅為3．7。從3個(gè)案例的對(duì)比分析可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)集中式空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)用于居住建筑中時(shí)，應(yīng)盡量增強(qiáng)各環(huán)節(jié)的可調(diào)節(jié)性，使各環(huán)節(jié)的特性與分散式的用戶側(cè)負(fù)荷需求相匹配。如果某個(gè)環(huán)節(jié)缺乏可調(diào)性，其集中特征將與用戶負(fù)荷的分散特征產(chǎn)生矛盾，在此矛盾邊界上往往容易產(chǎn)生高能耗或低能效的問(wèn)題。

5結(jié)論

5．1在居住建筑中應(yīng)用集中式空調(diào)系統(tǒng)時(shí)，3個(gè)實(shí)測(cè)工程案例表明，用戶末端、制冷機(jī)及輸配系統(tǒng)的可調(diào)性較差是造成空調(diào)系統(tǒng)能耗較高、能效較低的主要原因。

5．2受用戶負(fù)荷分散特性的影響，分散式空調(diào)在居住建筑中較為適用。集中式空調(diào)系統(tǒng)在居住建筑中的應(yīng)用效果不佳，是由用戶側(cè)負(fù)荷需求不同步、負(fù)荷率低的本質(zhì)特征決定的。5．3可調(diào)性對(duì)系統(tǒng)能耗有重要影響，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)在實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)靈活可調(diào)的前提下，優(yōu)化提高系統(tǒng)運(yùn)行效率。

作者：周欣燕達(dá)鄧光蔚 張曉亮張野簡(jiǎn)毅文江億單位：清華大學(xué)