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暖通空调杂志2004年第5期电子版全文

逆流式过冷—高温水蓄冷空调

系统特性实验研究

南京大学　方贵银☆

中国科学技术大学　陈则韶

摘要　介绍了大过冷度制冷—高温水蓄冷空调系统的原理,成功调试了大过冷度制冷循环,在冷凝温度为41.5℃、最大过冷度为33.5℃时系统仍能正常运行,最大制冷量增加了2014%。

分析了过冷度与蓄冷水供冷量、制冷量增量的关系,讨论了过冷循环时制冷系统和蓄冷系统的动态特性。

关键词　过冷　水蓄冷　蓄冷空调　动态特性

Exp e ri m e nt of d y n a mi c p e rf or m a n c e of a c o u nt e rfl o w s up e r2

c o oli n g a n

d c hill

e d w a t e r st or a g e a ir c o n diti o ni n g s yst e m

By F ang G uiyin★and Chen Z eshao

Abs t r a ct　Presents t he p rinciple of t he system.Successf ully adjusts t he sup ercooling ref rigeration system wit h t he maximal sup ercooling degree up t o33.5℃w hen condensation temp erature is41.5℃.The ref rigeration cap acity of new system increases20.4%than conventional air conditioning systems.Analyses the relation of supercooling degree to cooling capacity of chilled water and refrigeration capacity increment.Discusses the dynamic property of refrigeration system and cooling storage system in supercooling refrigeration cycle.

Keywor ds　sup ercooling,chilled water st orage,cool st orage air conditioning,dynamic p erf or mance ★Nanjing University,Nanjing,China

①

0　引言

近年来,许多蓄冷空调方案被提了出来。一种是冰蓄冷空调系统,它利用冰的相变潜热进行蓄冷,单位容积蓄冷量比其他系统都高,当结冰率为50%时,单位容积蓄冷量约为209kJ/L;但该系统的制冷效率比其他系统低,一般情况下,它比常规空调制冷系统的效率要低30%。另一种是PCM (phase change material)蓄冷系统,PCM蓄冷材料由一些复合盐组成,其相变温度为6～8℃,该系统的制冷效率比冰蓄冷系统高;但蓄冷材料成本较高,且易发生老化现象。还有一种是水蓄冷系统,用水作蓄冷介质有许多其他蓄冷材料不可比拟的优点,如传热性能好,性能稳定,价廉易得;但常规的水蓄冷只有5～8℃的温差可利用,其单位容积蓄冷量较小,所以,该系统没有被广泛采用。如果水蓄冷系统在水温高于12℃的情况下也能被利用,那么该系统的单位容积蓄冷量将增大。为了突破这种限制,根据制冷剂在节流前过冷可以提高制冷量的原理,文献[1]提出了采用大过冷度逆流式过冷器的水蓄冷空调系统,该系统的最大优点在于拓宽了空调蓄冷水温限定在12℃以下的温度范围,能利用现有蓄冷空调系统所难以充分利用的空调机回水(温度12℃以上)的蓄冷量来供冷,理论上可将空调用蓄冷水的有效温度提到仅比冷凝器出口的制冷剂低1℃的温度,例如达到环境的温度(30℃),这样可使水单独作为空调蓄冷剂,并有足够大的单位容积显热(100～120kJ/L)。

暖通空调HV&A C　2004年第34卷第5期专题研讨

①☆方贵银,男,1963年4月生,博士,副教授

210093　南京大学物理系制冷教研室

(025)83593076

E2mail:gyfang@https://www.wendangku.net/doc/f813534209.html,

收稿日期:20030604

1　大过冷度逆流式过冷—高温水蓄冷空调系统

该系统工作原理如图1所示。逆流式过冷—

高

温水蓄冷空调系统之所以能利用高于空调回水

图1　大过冷度逆流式过冷—高温水蓄冷空调系统

温度的水的冷量来供冷是根据两个原理:一个是热力学原理,通过使冷凝器出口液态制冷剂过冷来达到增加制冷系统冷量的目的,据分析过冷度每提高1℃,制冷循环的制冷量约提高1%;另一个是传

热学原理,虽然高于空调回水温度的蓄冷水不能通过直接传热向空调回水供冷,但因为来自冷凝器的液态制冷剂温度高于环境温度,只要蓄冷水温还低于液态制冷剂温度,它就能使来自冷凝器的液态制冷剂过冷,也就是将高温的水的冷量转移给了高压的制冷剂液体,高压过冷制冷剂液体又通过降压节流,在比空调回水温度更低的温度下蒸发,将蓄冷量转移给空调回水。该系统由3个循环组成,一个是制冷循环,由压缩机、冷凝器、过冷器、膨胀阀和蒸发器等构成;另一个是蓄冷循环,由蓄冷水箱、循环泵1、蒸发器及控制阀门等组成;还有一个是过冷循环,由蓄冷水箱、循环泵2、过冷器及控制阀门等组成。1.1　常规制冷循环

该循环工作时,压缩机和循环泵1开启,循环泵2关闭,阀门V3,V4,V5开启,阀门V1,V2,V6,V7,V8,V9关闭。在蒸发器内制冷剂

与水发生热交换,制冷剂将冷量传递给冷水,冷水通过风机盘管将冷量传递给室内空气,使室内空气温度降低。进、出风机盘管的冷水温度分别为5℃,12℃。1.2　蓄冷循环

在夜间电力负荷低谷期,蓄冷循环开始工作,压缩机和循环泵1开启,阀门V3,V6,V7开启,

阀门V1,V2,V4,V5,V8,V9关闭。制冷循环与普通循环一样,但冷水循环通过泵1、阀门V6,到达蓄冷水箱下部入口,蓄冷水箱回水通过其上部出口、阀门V7,回到蒸发器。蒸发器产生的冷量由冷水输送到蓄冷水箱内,蓄冷水箱内水温逐渐下降直至4℃左右。1.3　过冷循环

当白天空调冷负荷增加或制冷机组不能供应足够冷量时,这时可以运行过冷循环。过冷循环工作时,压缩机、循环泵1、循环泵2都工作,阀门V1,V2,V4,V5,V8,V9开启,阀门V3,V6,V7关闭。当循环泵2工作时,蓄冷水箱内的冷水

通过过冷器将冷量传递给制冷剂,制冷剂温度降

低。液态制冷剂温度越低,制冷循环产生的冷量越大。如果知道制冷剂流出过冷器的温度,那么增加的制冷量就可以计算出来。2　高温水蓄冷供冷时过冷—制冷系统特性2.1　蓄冷水温为5℃时过冷—制冷系统的性能

图2为过冷器入口水温为5℃时,过冷器的过冷度随过冷器水流量的变化关系,从图中可看出

图2　蓄冷水温为5℃时过冷度与过冷器水流量的关系

过冷度随水流量的增大而增大,并渐渐趋向某一定

值,亦即过冷度不是随水量的增大而呈线性增加,它有一最佳值。调试过程中,通过调节阀门使水流量由小到大逐渐变化,直至系统中过冷器的过冷度达到最大值且保持稳定,这时的水流量就是该工况下所需的最佳值。通过反复调试,过冷器的最佳水流量为0.03729kg/s ,然后在该工况下研究过冷—制冷系统的性能。

图3为过冷—制冷系统与原制冷系统蒸发温度曲线,图中t a =30℃为环境温度、t w =5.0℃为过冷器入口水温、G 1=0.3543kg/s 为蒸发器水流

?8?专题研讨

暖通空调HV &A C 2004年第34卷第5期

图3　过冷—制冷系统与原制冷系统蒸发温度曲线

量、G 2=0.03729kg/s 为过冷器水流量。图4为过冷—制冷系统与原制冷系统冷凝温度曲线,

从图

图4　过冷—制冷系统与原制冷系统冷凝温度曲线

中可以看出,实行大过冷度制冷循环时,系统工况

很稳定,冷凝温度和蒸发温度几乎没有变化,说明用空调蓄冷水对制冷剂进行过冷来增加系统制冷量是可行的。在起初进行实验时,也曾遇到一些问题,就是冷凝器(风冷)没有很好起到冷凝高温高压制冷剂蒸气的作用,有相当部分制冷剂蒸气通过冷凝器进入过冷器中冷凝,使过冷器相当于一个水冷冷凝器。其主要原因是由于整个循环系统的制冷剂量偏少,不能在冷凝器底部形成液封;另一原因是过冷器冷却水的温度低于环境温度。对冷凝器出口液态制冷剂进行5℃左右的过冷在一些文献资料中均有提及,而对冷凝器出口制冷剂液体进行30℃的大过冷还未见有文献报道。为了解决上述问题,笔者对过冷—制冷系统进行了一些理论分析和反复试验,最终找到两种解决措施,一是在冷凝器出口设置一个制冷剂液体储液罐(容积为2L ),使储液罐储存的制冷剂液体为其容积的1/2～2/3(可通过观察储液罐外部的结霜或结露情况来判断);二是对该系统添加一些制冷剂,这样就可防止制冷剂气体进入过冷器中,使过冷器真正起到过冷制冷剂液体的作用。

图5为过冷—制冷系统与原制冷系统的冷量曲

线。从图中可以看出,过冷时制冷量为6.5kW

图5　蓄冷水温为5℃时过冷—制冷系统与

原制冷系统的冷量曲线

无过冷时制冷量为5.4kW ,制冷量增加1.1

kW ,增加率为20.4%,根据过冷—制冷循环的热力学特性,通过理论计算可得到其制冷量增加率Δq 0=(h 4-h ′4)/(h 1-h 4)

=26.8%(其中h 1为蒸发器出口制冷剂的焓值,h 4,h ′4分别为无

过冷和有过冷时蒸发器进口制冷剂的焓值),引起实际值低于理论值的原因主要是在实际测试系统中忽略了一些跑冷损失,以及对制冷循环进行理论计算时作了一些理想化假设,这样就使实际值偏低,理论值偏高,但从总体上来说,两者还是较接近的,只相差7%。另外,从图5中还可看出,在0～300s 期间为制冷系统启动运行阶段,制冷量逐渐增加,在300s 以后,系统进入稳定工作状态,制冷量基本保持不变。图6,7分别为过冷—制冷循环时,蓄冷水箱向过冷器提供的冷量以及该制冷系统的过冷度曲线。从图6中可以看出,

其过冷量

图6　蓄冷水温为5℃时蓄冷水箱向过冷器提供的冷量

为1.6kW ,由公式ηQ ′s =Q ′0-Q 0(其中Q 0

为无过冷时蒸发器的制冷量,Q ′0为有过冷时蒸发器的制冷量,Q s 为蓄冷量)可以计算出蓄冷量转

9? 暖通空调HV &A C 2004年第34卷第5期专题研讨

图7　蓄冷水温为5℃时制冷系统的过冷度

化为冷量增量的效率为η=(Q ′0-Q 0)/Q s =

(6.5kW - 5.4kW )/1.6kW ×100%=

6818%。η可作为过冷—制冷循环的一个性能评价

指标,它与过冷器的结构、热损失以及制冷工质的性质有关。从图7中可以看出,该系统的过冷度为33.5

℃,且在系统运行过程中基本保持

不变。图8

为过冷器内制冷剂侧和水侧的温度变图8　蓄冷水温为5℃时过冷器内温度变化情况

化情况,从图中可看出,在系统稳定运行工况下,

制冷剂温度由41.5℃过冷至8℃,达到了实现大过冷度的目的。这进一步证实了在制冷系统中实施大过冷度过冷是可行的,且使原系统的制冷性能得到改善。2.2　蓄冷水温为16.5℃时过冷—制冷系统性能

图9为过冷器入口水温为16.5℃时,过冷度与过冷器水流量的变化关系。从图中可以看出,过冷度随水流量的增大而增大,并渐渐趋向某一最佳值。在实验过程中,通过调节阀门使水流量逐渐由小到大变化,直至过冷度达到某一最佳值且保持稳定。通过反复调试,该工况下过冷器最佳水流量G 2为0.05417kg/s ,然后测试过冷—制冷系统在该工况下的性能。

图10,11分别为蓄冷水温为16.5℃时过冷

—

图11　蓄冷水温为16.5℃时过冷—制冷

系统冷凝温度变化

制冷系统蒸发温度和冷凝温度变化情况。图中t a =30℃为环境温度,t w =16.5℃为过冷器入口水

温,G 1=0.2945kg/s 为蒸发器循环水量,G 2=

0105417kg/s 为过冷器循环水量。从图中可看出,其蒸发温度和冷凝温度保持稳定,亦即过冷时制冷系统工况稳定。

图12为蓄冷水温为16.5℃时过冷—制冷系统冷量与原制冷系统冷量变化情况。从图中可以看出,过冷时制冷量为6.2kW ,无过冷时制冷量为5.3kW ,制冷量增加0.9kW ,增加率为17%,通过制冷循环计算可得其理论增加率为19.5%,两者基本相近。

图13,14分别为蓄冷水箱供给过冷器过冷量以及该制冷系统过冷度曲线。从图13中可以看出,其过冷量为1.3kW ,通过计算可得出蓄冷量转化

?01?专题研讨

暖通空调HV &A C 2004年第34卷第5期

图12　蓄冷水温为16.5℃时过冷—制冷系统与

原制冷系统的冷量曲线

图13　蓄冷水温为16.5℃时蓄冷水箱

向过冷器提供的冷量

图14　蓄冷水温为16.5℃时制冷系统的过冷度

为冷量增量的效率为69.2%。从图14中可以看

出,该系统的过冷度为23℃,较前一种情况有所减小,这主要是由于蓄冷水箱内水温升高的缘故。图15为过冷器内制冷剂侧和水侧的温度变化情况,制冷剂温度由41.5℃过冷至18.5℃,水温由16.5℃升至23.5℃,过冷器工况稳定。为了获得尽可能大的过冷度,在蓄冷水箱水温逐渐升高的情况下,可采取调大过冷器循环水流量的办法。为此,该系统过冷器循环水流量调大至0.054

图15　蓄冷水温为16.5℃时过冷器内温度变化情况

kg/s 。过冷器循环水泵的流量调到多大较适宜,可

根据冷凝器出口温度的稳定情况来判定,一般情况

下,冷凝器出口温度宜控制在41～43℃。2.3　蓄冷水温为26℃时过冷—制冷系统性能

图16为过冷器入口水温为26℃时,过冷度与过冷器水流量的变化关系。从图中可看出,

过冷度

图16　蓄冷水温为26℃时过冷度与过冷器水流量的关系

随水流量的增大而增大,并趋向某一最佳值。在实验过程中,也是通过阀门来调节水流量,直至过冷

度达到某一最佳值且保持稳定为止。通过反复调试,该工况下过冷器最佳水流量G 2为0.1178kg/s ,然后测试过冷—制冷系统在该工况下的性能。

图17为蓄冷水温为26℃时过冷—制冷系统冷量与原制冷系统冷量变化情况。图中t a =30℃

为环境温度,t w =26℃为过冷器入口水温,G 1

图17　蓄冷水温为26℃时过冷—制冷系统

与原制冷系统的冷量曲线

11? 暖通空调HV &A C 2004年第34卷第5期专题研讨

0.3655kg/s 为蒸发器循环水量,

G 2

0.1178kg/s 为过冷器循环水量。从图中可以看

出,过冷时制冷量为5.5kW ,无过冷时制冷量为

4.9kW ,制冷量增加0.6kW ,增加率为12.2%,通过制冷循环计算可得其理论增加率为12.9%,两者吻合得较好。这主要是由于随着蓄冷水

箱向过冷器供冷水温的升高,系统的跑冷损失相应减少,亦即实际值与理论计算值基本接近。

图18,19分别为蓄冷水箱供给过冷器的过冷量以及该制冷系统过冷度曲线。从图18

中可以看

图18　蓄冷水温为26℃

时蓄冷水箱向过冷器提供的冷量

图19　蓄冷水温为26℃时过冷时制冷系统的过冷度

出,其过冷量为0.9kW ,通过计算可得出蓄冷量转化为冷量增量的效率为66.7%。从图19中可以看出,该系统的过冷度为15℃,与前两种情况相比制冷系统的过冷度减小,这主要是由于蓄冷水箱内水温升高所致。图20为过冷器内制冷剂侧和水侧温度变化情况,过冷器在该工况下能稳定工作。另外,在蓄冷水箱内水温升高的情况下,为了增大供给过冷器的冷量,亦即为了得到尽可能大的过冷度,可以采取增大过冷器水流量的办法,如该情况下的水流量就增大至0.1178kg/s 。值得注意的是:在调节过冷器循环水流量时,一定要观察

冷凝器出口温度的变化情况,其正常值一般为41～43℃。也就是说,调节过冷器供冷性能时,不要影响冷凝器的正常工作状态,无论是否过冷,冷凝器工作状态要相同。2.4　过冷器过冷量、制冷系统冷量增量及冷量增加率与过冷度的关系

图21为制冷系统冷量增量与蓄冷水箱向过冷器供给的蓄冷量之间的变化关系,从图中可看出

图20　蓄冷水温为26℃

时过冷器内温度变化情况

图21　冷量增量与供给的蓄冷量之间关系

冷量增量随蓄冷水箱供给的蓄冷量增加而增大。增大供给过冷器的蓄冷量可采用两种方法,一是提供温度较低的蓄冷水,二是增大供给过冷器的蓄冷水流量,而蓄冷水的流量并不是越大越好,它与蓄冷水箱掺混度有关,如前所述,要通过实验反复调节水流量大小。

图22为制冷剂过冷度与蓄冷水供冷量之间的变化关系,从图中可以看出,制冷剂过冷度随蓄冷水供冷量的增加而增大,当蓄冷水供冷量为1.6kW 时,其最大过冷度为33.5℃。图23为制冷系统冷量增量和冷量增加率与过冷度之间的变化关系,从图中可以看出,制冷系统冷量增量和冷量增加率随过冷度的增加而增加,最大过冷度为33.5℃时,其相应的冷量增量为1.1kW 、冷量增加率为20.4%。由于制冷系统增加过冷时,压缩机的耗功不变,所以制冷系统的性能系数(CO P )

?21?专题研讨

暖通空调HV &A C 2004年第34卷第5期

图23　

制冷系统冷量增量和冷量增加率与过冷度关系

图22　制冷剂过冷度与蓄冷水供冷量之间关系

也相应增加了20%左右。因此,通过增加过冷可

以达到增加制冷系统冷量的目的。3　结论3.1　采用蓄冷—过冷的方法使制冷系统中的制冷

剂被过冷,可使传统的水蓄冷系统的应用范围得到拓展,且使5～30℃水中蓄存的冷量可以被用于空

调系统中。

3.2　传统的水蓄冷系统的可利用温差只有5～8℃,相应蓄冷密度(单位质量蓄冷材料所能储存的冷量)只有25kJ /kg 左右;而新型的水蓄冷—过冷系统的可利用温差达到25～30℃,其相应的蓄冷密度可达118kJ /kg ,大约为冰蓄冷系统的65%(蓄冷率为50%情况下),与PCM 蓄冷系统相当。随着新型水蓄冷系统蓄冷密度的提高,储存单位冷量所需的体积可以减小;水蓄冷系统的另一个优点是可以采用常规的空调制冷机组,而冰蓄冷系统需要采用双工况空调机组,这样就使冰蓄冷系统的投资要高于水蓄冷系统。3.3　制冷系统冷量增加量和冷量增加率随过冷度的增加而增加,最大过冷度为33.5℃时,其相应的冷量增加率为20.4%。参考文献

1　Chen Zeshao ,Cheng Wenlong ,Ito Takehiro.A new

scheme of air conditioning with cold storage by water through the method of su percooling refrigerant.

1997

China 2Japan Joint Symposium on Advanced Energy and Transportation Engineering ,Y ellow Mountain City ,China ,1997

2　方贵银.空调水蓄冷温度分层动态特性模拟.暖通空

调,1999,29(6):1113

(上接第38页)

穿墙和楼板做法布置以及气体管道与发生器的连接做法,供设计时参考选用。本章由燃气方面专家审核。

第6章液化石油气气化站。因为许多采用燃气辐射供暖系统的建筑物距离城市较远(如飞机库、车间等),无城市煤气或天然气可用,不得不建立液化石油气气化站以提供气源。根据供气量的大小给出50,100,150,200kg/h 四种规格气化站的建筑设备平面布置和工艺流程、气化站配电和报警平面和接线图,供暖通设计人员给建筑、电气和燃气专业提供条件或直接选用。编制了防爆风机、气化器及安装大样供设计人员直接选用。本章的说明中明确指出仅供设计施工人员参考,具体的施工图需经当地燃气管理部门同意方可实施。本章由燃气方面专家审核。

第7章电气控制及温度检测。现国内各企业代

理的国外产品控制箱形式各异,显示皆为英文,为方便国内用户使用,本章编制时选用ECRV 2II 控制箱。该产品已在多个工程中使用,采用全中文液晶显示。本章供暖通设计人员向电气专业提出具体检测和控制要求,电气专业根据要求选用控制箱,提供典型电气控制和检测系统图供设计人员参考选用,控制箱和温感器安装大样供施工人员安装参考。可燃气体泄漏浓度检测及报警系统只提供接线图。因燃气辐射供暖系统的防爆报警如何设置争议较大,根据已有工程经验,只在燃气入口处设置防泄漏报警及紧急切断装置的较多,具体工程需同当地消防部门协商确定消防报警方案。

第8章施工安装说明。本章列出辐射供暖系统各种设备的安装注意事项和安装步骤,内容涉及电气和燃气专业,另外本章同时列出施工单位在竣工验收时应准备的施工资料。另外本章还插入多张实际工程安装的彩色照片,直观明了。

31? 暖通空调HV &A C 2004年第34卷第5期专题研讨

长沙市住宅建筑夏季能源使用结构的调查与分析3

湖南大学　李念平☆　关　军　潘尤贵　陈淑琴

(日本)东北大学　吉野博

同济大学　李振海

摘要　对长沙市100户居民住宅的能源使用情况进行了现场测试和问卷调查。分析了能源使用结构的形成与住宅建筑基本状况、人的热舒适性要求、生活习惯、家庭收入水平、当地气候特点、地区能源政策等因素的关系,为有关部门进行能源的政策调整和规划提供参考依据。

关键词　住宅建筑　能源使用结构　现场测试　调查　政策调整

I n v e sti g a ti o n a n d a n a l ysis o n s u m m e r e n e r g y stru c t ur e of

r e si d e nti a l b uil di n gs i n C h a n gs h a

By Li Nian ping★,G uan Jun,P an Y ougui,Chen Shuqin,H iroshi Y oshino and Li Zhenhai

Abs t r a ct　Tests and investigates t hrough questionnaire t he energy utilization st ructure of100residential buildings in Changsha.A nalyses t he relation of energy st ructure t o building const ruction,t her mal comf ort requirement,living cust om,f amily incomings,climatic conditions,and local energy p olicy,p roviding ref erence

f or related aut horities t o adjust and layout energy p olicy.

Keywor ds　residential building,energy utilization st ructure,site test,investigation,p olicy adjust ment ★Hunan University,Changsha,China

①

0　引言

随着社会的进步和我国产业化结构的调整,城镇居民的能源消费观念正悄然发生着变化。特别是近几年来,我国可持续发展的战略思想以及相应制定的“西气东输、西电东送”等政策,给区域性的节能以及能源结构的调整带来了新的课题。因此,为推动节能工作的深入开展,更科学地制定能源使用的相关政策和法规,宏观调控居民消费群体进行合理的能源利用,系统地、有针对性地开展一系列的调查研究工作显得非常重要。

1　调查方法

本文所涉及的建筑能耗或建筑使用能耗,根据公认的概念,是指维持建筑功能所消耗的能量,包括照明、供暖、空调、电梯、热水供应、烹饪、家用电器以

3日本国文部科学省重大资助项目(No.13574007)及办公设备等的能耗。为获得准确、详实的住宅能源使用情况以及可能的影响因素,本次研究采用了问卷调查与现场测试相结合的方式,测试地点为湖南省长沙市城区,时间为2002年8月22～26日。

1.1　调查对象

考虑到长沙地区的地理位置特点,调查区域分为6个部分,遍及长沙市区中心及周边的各个区域。如图1所示,湘江以西统一划为A区,该区域为新城区(新的市政府所在地及主要的风景区),住宅建筑较为分散;湘江以东根据方位划分成B, C,D,E,F共5个区,这些区域为老城区,城镇

?专题研讨暖通空调HV&A C　2004年第34卷第5期

①☆李念平,男,1962年4月生,博士,教授,博士生导师,

(日)东北大学大学院工学研究科特别研究员

410082　长沙市湖南大学土木工程学院

(0731)8821532

E2mail:linianping@https://www.wendangku.net/doc/f813534209.html,

收稿日期:20030314

修回日期:20030904

图1　调查对象区域划分

住宅建筑较为集中,工商业较为发达。

对象的选取同时考虑了住户的建筑特点、家庭背景及经济条件等因素。在调查的100户中,84%的建筑不超过7层,8～10层的建筑占7%,超过10层的高层建筑只占9%;81%的建筑为砖混结构。住户的建筑面积主要集中在60～100m2。人口数从2人/户到5人/户不等,其中以3人/户居多。住户的年收入从6000元以下到60000元以上不等,其中36%的住户年收入为2万～4万元, 29%的住户年收入为1万～2万元。从上面的数据分析可知,所选取的100户调查对象在包括了不同地域、不同建筑结构及不同经济条件的各类住户的同时,重点突出了当前的普遍情况,具有一定的代表性和典型性。

1.2　问卷调查与测试

具体做法为:调查住户各发1份调查问卷和2枚液晶温度计。请住户填写问卷并记录实测期间的室内温度。液晶温度计在客厅、卧室各放1枚,置于不受任何热源及冷气影响的地方,高度距地板1 m左右。问卷调查的主要内容如表1所示。

表1　问卷表的调查内容

　项　目具　体　内　容

住宅结构建筑总层数、所在楼层、朝向、建筑面积、围护结构、

遮阳方式、遮阳时间、使用的遮阳物等

制冷设备空调方式、功率、电扇的台数以及制冷设备使

用的时间段

热水器设备热水供应方式、使用的能源及热水供应的房间

生活方式家里人员情况、用餐情况及开窗情况

住宅舒适性温湿度、通风、日照的满意度及热舒适的感受

室内空气品质对室内空气的满意度及空气不好时采取的措施

夏季穿衣量18:00～22:00的穿衣量及当时的温度

能源使用情况家庭收入、煤气的使用量、用电量

温　度记录测试期间早、中、晚的室内温度情况

室内热环境测试用的仪器为Thermo Recorder TR272S型数字式自动温湿度记录仪,可自动连续记录测点位置的温湿度值[1]。测试结束后可直接由计算机将数据转换为温湿度曲线。

2　调查数据

2.1　住户基本情况汇总

本文中所调查的住宅建筑的建筑概况和建筑结构概况如表2,3所示。

表2　调查对象建筑概况

编号总户数每户平均

人口数

/人

每户平均

建筑面积

/m2

楼层数

建造年代

A20 3.185.664～770年代以后B11 2.964.515～790

C15 3.373.297～3290

D39 3.186.575～2570年代以后E11 3.282.475～790

F4 3.3108.866～790

表3　调查对象建筑物的材料特性

外　墙厚度240mm,加气混凝土墙或红砖墙,外表面贴瓷砖或干刷石或刷防水涂料,内表面刷油漆涂料

内　墙厚度240mm或140mm,红砖墙或加气混凝土填充墙,墙体表面油漆涂料或木质墙裙+墙纸,厨卫墙

体均贴瓷砖

天花板预制或现浇混凝土板,油漆涂料或石膏板饰面

地　面预制或现浇混凝土板,瓷砖或木质地板饰面

门　窗铝合金、钢质或木质门窗,单层窗,3～5mm厚透明玻璃

2.2　能源的使用量汇总

在调查过程中发现,夏季所有住户使用的能源为电及燃气。图2,3统计了所有住户当年7月份(即调查进行的前一个月)的电、燃气用量

。

图2　2002年7月住户用电量汇总

2.3　耗能设备构成

图4统计了所有住户的纳凉设备的拥有情况。图5统计了所有住户的夏季纳凉方式。从图4及图5中可以发现,93%的住户都拥有空调,且56%的

暖通空调HV&A C　2004年第34卷第5期专题研讨

图5　夏季住户纳凉方式情况汇总

住户在夏季一直完全或部分采用了空调的纳凉方式。因此,综合以上的统计结果,结合文献[2]及一般推算,在夏季住宅的使用能耗中,占比例最大的当数夏季纳凉用能耗。

3　影响夏季住宅能源使用的因素

3.1　住宅建筑基本状况

住宅建筑的基本状况主要是指建筑物的基本构造(含建筑结构及内外装饰情况等)、朝向、采光、住户的建筑面积及所处楼层位置等。在湖南长沙地区,旧有住宅建筑(20世纪90年代以前兴建)基本上采用砖混结构形式,且楼层较低,围护结构的保温性能及门窗的气密性等均较差;在新建(90年代以后兴建)及在建住宅中,高层及超高层比例较大,且大部分采用了全框架结构,建筑材料的选用也更多地考虑了轻型、高保温及气密性等因素,从而降低了住宅建筑的能耗。2001年颁布实施的建筑行业标准J G J1342001[3]对夏热冬冷地区住宅建筑的平面布置、朝向、窗墙面积比、围护结构各部分的传热系数和热惰性指标等作了相关的规定;并指出,居住建筑通过采用增强建筑围护结构保温隔热性能和提高供暖、空调设备能效比的节能措施,在保证相同的室内热环境指标的前提下,与未采取节能措施前相比,供暖、空调能耗应减少50%。与此同时,由于新标准考虑了采光等因素,照明用能也得到了降低。另外,在本次调研的对象中,7层及7层以下占了84%。根据国家标准G B 500961999的规定,7层以上应设计安装电梯[4],因而在住宅总能耗上还应考虑电梯能耗。关于住户建筑面积的影响,考虑到面积的增大会导致家电的拥有量和使用量增加,同时也使得需要的照明电量相应增加,因而住户的能源使用随建筑面积的增加呈递增的趋势[5]。

3.2　热舒适性要求

根据舒适性方程式[6]:

f(M,I cl,t a,t mrt,p a,v,t msk,E rsw)=0(1)式中　M———人体新陈代谢率,W/m2;

I cl———服装热阻,clo;

t a———环境空气温度,℃;

t mrt———平均辐射温度,℃;

p a———水蒸气分压力,kPa;

v———空气流速,m/s;

t msk———人体表面平均温度,℃;

E rsw———人体出汗蒸发热损失,W/m2。

对于任何确定的人的活动量(M)及着装情况(I cl),可以找到一种t a,t mrt,p a,v的最佳组合[6]。在住户合理用能以改善室内热环境的实际应用中,其主要手段是通过降温设备的正确使用,加强室内的通风换气,以达到最佳的t a,t mrt,p a,v组合。

3.3　生活习惯

为了保证调查测试数据能如实反映住宅能源利用情况,在调查测试中要求住户保持了正常的生活习惯,如人的活动、着装等。图6为所有住户全天的饮食及开窗情况统计。可以看到,有超过70%的住户选择开窗的时间在5:00～11:00及17: 00～21:00,将其与文献[1]中反映的室外温度

?专题研讨暖通空调HV&A C　2004年第34卷第5期

图6　住宅居民生活习惯统计

曲线进行比较得

出,在主要的开窗时间段内室外温度一般较高。从节能的角度而言,住户对开窗时间的选择是不够科学的。因此,为减少建筑使用能耗,将开窗时间安排在23:00～

次日7:00是比较合理的。另外,从

图6中可以反映出,吃饭时间主要集中在6:00～7:00,12:00～13:00以及18:00～19:00。考虑到此时间围护结构的传热、太阳辐射得热以及烹

饪产生的大量负荷,易计算得出,住宅建筑在此时

间段内的空调负荷最大。同时,由于长沙地区住户烹饪主要采用燃气灶,因此,在6:00～7:00,12:00～13:00以及18:00～19:00期间,夏季住宅建筑的综合能源使用量最大。3.4　家庭收入水平

图7给出了所有住户的家庭年收入情况统计

。

图7　住户年收入情况统计

根据湖南省城镇居民2000年全年的可支配收入

6218.7元[7]推算,家庭年收入在2万元以上的为较高收入者,反之则为较低收入者。表4以2万元为分界线给出了两种收入者的总体能源支出情况及不满意度情况。从表中可以发现,个人经济条件越好,则能源使用越多,不满意度越低。

表4　家庭收入水平与能源利用情况比较

家庭收入用电量

/(kWh/人)

能源消费占总收入比率/%不满意比率

低收入(2万元以下)

74.11148高收入(2万元以上)

83.0

8.7

3.5　地区能源政策

在城市用电方面,目前长沙已经建成的电网有220kV 变电站6座,城区的最大供电能力为112万

kW 。然而,由于用电负荷的峰谷特性日益突出,造

成了用电高峰拉闸限电而用电低谷却电力过剩的不

利局面。对此,电力部门制订了一系列鼓励用户使用低谷电、提高电网的用电负荷率的政策,如2002年8月出台的对蓄能式集中电空调、电锅炉的电价优惠政策,其低谷时段的最低电价达到了0.203元/(kWh )。然而,对于城镇住宅而言,用电设备主要是家电,电价不分时段均为01503元/(kWh )。因此,住宅用电对城市电网“移峰填谷”的作用并不明显。相反,电价的整体下调以及生活水平的提高使得住宅用电明显增加。在城镇住宅的用气方面,国家标准G B 5002893对包括住宅居民在内的各类用户的用气指标作了相关规定[8]。长沙市居民使用燃气规划如表5所示。目前长沙

表5　长沙市居民使用燃气规划

规划年限

耗热定额

/(MJ/(h ?a ))

气化率/%气化户数/万户居民年用气量

/(万m 3/a )

2000—20052930502360582005—2010

3140

13556

市的燃气气化率已达到82.92%,其中管道燃气

用户5万户,瓶装液化石油气用户31.6万户。而且随着“川气入湘”工程的实施,天然气不仅将极大地提高城市气化率,而且将有效地改变长沙市的能源结构。3.6　当地气候和气象特点

长沙属亚热带季风性湿润气候,春湿多变,夏秋多晴,严冬期短,暑热期长。根据气象站提供的气象资料来看,测试期间内的室外气温持续保持在33℃左右,而相对湿度也达到了80%以上。夏季

长期在此高温高湿的室外环境的影响下,住宅建筑的空调负荷相应维持在较高水平,最终增加了建筑的能源使用量。4　结论4.1　影响长沙市住宅建筑能源使用的因素错综复

杂,但可以归纳为6个方面,即住宅建筑基本状

况、热舒适性要求、生活习惯、家庭收入水平、地区能源政策、当地气候和气象特点。4.2　目前长沙市城镇住宅建筑的能源使用结构依然以电和城市燃气为主,存在着一定的不合理性。为保证能源调整能科学、有效地实施,需要充分根据影响能源使用因素的各个方面来分析解决问题。如考虑到生活习惯和家庭收入水平等因素,适当调

(下转第70页)

71? 暖通空调HV &A C 2004年第34卷第5期专题研讨

广州居住建筑空调能耗实测研究

广州市建筑科学研究院　任　俊☆

西安建筑科技大学　刘加平

摘要　对一栋9层住宅楼顶层和8层的两住宅单元作了空调能耗和室内温度的实测,介绍了住户的空调使用情况。将实测数据与采用DOE22程序所作理论计算结果加以比较,分析了影响空调能耗的屋顶构造、窗墙比、室内设定温度等关键因素。

关键词　居住建筑　空调　能耗

Re s e a r c h o n e n e r g y c o ns u m p ti o n of r e si d e nti a l

a ir c o n diti o ni n g i n Gu a n gz h o u

By R en Jun★and Liu Jiaping

Abs t r a ct　Tests t he energy consump tion of air conditioning and indoor temp erature of two residences resp ectively located in t he t op and8t h st orey of a nine2st orey residential building.Presents t he service condition of air https://www.wendangku.net/doc/f813534209.html,p ares t he test date wit h t he t heoretical calculation results gained by DO E22sof tware.

A nalyses t he key f act ors influencing t he energy consump tion,including roof const ruction,ratio of window t o

wall,indoor set temp erature,etc.

Keywor ds　residence,air conditioning,energy consump tion

★Guangzhou Institute of Building Science,Guangzhou,China

①

居住建筑空调能耗的理论计算是建立在特定条件下、固定的生活模式时的结果,这些结果是进行建筑能耗分析和比较的基础。而空调的实际使用情况与住户的生活习惯等众多因素有关,空调能耗值与理论值基准相差甚远。在居住建筑节能研究中,已经对空调能耗进行了宏观的调查与分析[1],为了具体了解居住建筑的实际能耗,我们选取某典型住宅在2001年8月进行了实测,在此基础上进行研究分析。

1　试验建筑和试验方案

1.1　试验建筑概况

试验建筑选取一栋坐落在广州市新城区的9层住宅楼,该建筑窗墙面积比为0.13,建筑的体型系数为0.47。测试房间分别为804,904两套居室,其中904房在804房之上,位于顶层,每套建筑面积96m2。904住3人,平时家中有1人,804住4人,平时家中有2人。厅、主卧室、小卧室、书房均装有空调。1.2　试验方案

1. 2.1　在904,804房布置自动温湿度记录仪,每隔0.5h自动测试记录温度情况,布点情况见表1。

表1　自动温湿度记录仪布点情况

序号地点　空调使用情况　

1　904小卧室比较频繁

2　904书房使用时开

3　904客房不开

4　904厅使用时开

5　904主卧室睡觉开

6　904主卧室屋面内表面

7　804厅比较频繁

8　804主卧室比较频繁

9　804北小卧室比较频繁

10　804南小卧室比较频繁

11　室外

?专题研讨暖通空调HV&A C　2004年第34卷第5期

①☆任俊,男,1959年11月生,西安建筑科技大学在读博士

研究生,教授级高级工程师

510030　广州市广卫路4号

(020)26095210

E2mail:renjun@https://www.wendangku.net/doc/f813534209.html,

收稿日期:20021210

修回日期:20030625

1. 2.2　按时记录904,804房的用电量,扣除照明、电视等基础用电后,得到空调耗电量及一天中各时刻的用电量。

1. 2.3　8月3～5日,904除厨房、卫生间、客房外其余房间开空调,室温控制在28℃,分析额定能耗。

1. 2.4　对904空调的开关情况作记录,了解使用习惯。

1. 2.5　测904主卧室屋面内表面温度及上部架空层内空气温度,分析隔热效果及表面辐射温度对室内的影响。

2　DOE22理论计算

2.1　计算原理

采用DOE22程序分析建筑能耗及影响其大小的因素。DOE22程序根据输入的建筑情况(包括建筑结构、围护结构材料、供暖空调方式与系统分布、室内人员活动规律、照明情况等)和室内设定温度值的要求,动态计算出建筑物的全年能耗情况,并以各种表格形式输出。

2.2　计算模型

考虑到DOE22程序的限制,计算时将9层建筑简化为6层,其结果不影响该建筑的综合能耗指

标及顶层与其下一层房间的各种对比关系。图1

为

图1　试验建筑模型图建筑模型图。

试验建筑每层4户,其中起居室和卧室为空调房间,厨房、卫生间为非空调房间。24户人家分为24个独立的空调系统,每天照明5h,照明负荷取2.8W/ m2,空调房间的换气次数为1h-1,空调能效比取215,厨房、卫生间的显热与潜热之比取1∶01391,空调设定

温度为26℃,外墙和屋面的外表面太阳辐射吸收率取0.7,试验建筑的围护结构构造见表2。

2.3　热负荷计算

测试房间8月及全年热负荷见表3,4。

由表3,4可以得到:a)通风负荷占热负荷的比例较大,非顶层房间约为50%,顶层房间约40%;b)顶层房间受屋面传热的影响较大,同等条件下较下层房间空调负荷增加30%～40%;c)8月是全年空调负荷最大的月份之一,一般占到全年

表2　围护结构构造

构造

外　墙

20mm水泥砂浆+180mm砖+20mm石灰水泥砂浆分户墙20mm石灰水泥砂浆+180mm砖+20mm石灰水泥

砂浆

分室墙20mm石灰水泥砂浆+120mm砖+20mm石灰水泥

砂浆

楼　板20mm水泥砂浆+100mm钢筋混凝土+10mm石灰

水泥砂浆

屋　面35mm砖+120mm空气层+100mm钢筋混凝土+

10mm石灰水泥砂浆

外　窗铝合金单层玻璃窗,遮阳系数0.9

表3　试验建筑8月份热负荷

804

厅

/(kWh)

卧室

/(kWh)

合计

/(kWh)

比例

904

厅

/(kWh)

卧室

/(kWh)

合计

/(kWh)

比例

/%外墙传热2346038373224460384724屋面传热46838785525通风换气784648143255784648143241窗传热405999447581053

窗辐射得热881322208841372216

照　明14112511411251

合　计116014532613100164118443485100

表4　试验建筑全年热负荷

804

厅

/(kWh)

卧室

/(kWh)

合计

/(kWh)

比例

904

厅

/(kWh)

卧室

/(kWh)

合计

/(kWh)

比例

/%外墙传热1335316144963013393175451424屋面传热23671946431323通风换气4246353677825241673487765440窗传热17223140331762344102

窗辐射得热79112081999137401187192710照明106921982104901941

合计665082281487810088931011919012100空调负荷的18%左右。

2.4　空调耗电量

空调设定温度不同时,804房和904房的空调耗电量比较见表5。

表5　不同空调温度设置时的空调耗电量

温度设定

/℃

804耗电量

/(kWh)

8月全年

904空调耗电量

/(kWh)

8月全年

年耗电量指标

/(kWh/m2) 2674350711068769132.17

276304386909704023.85

285133736752618916.42

293953137605543810.46

3028526514654791 6.13

2.5　封闭房间不开空调时的室内空气温度

不开空调时封闭,顶层房间比下层房间温度高

暖通空调HV&A C　2004年第34卷第5期专题研讨

113～116℃,见表6。

表6　封闭房间室内空气温度

℃

804

厅卧室客房厨卫904

厅卧室客房厨卫

最高温度34.936.135.334.636.437.436.936.2最低温度28.127.728.127.927.026.727.126.9

3　室内温度和空调能耗实测结果3.1　房间温度测试

904房温度控制:8月3～5日除厨房、卫生

间、客房外,所有厅房均开空调,温度设定为28

℃。8月6～30日按生活习惯开关空调,温度仍预设为28℃。804房温度控制:按生活习惯开关空调,预设温度为26℃。3. 1.1　主卧室的温度比较(见图2

)

图2　主卧室温度比较

8月6～22日,904主卧室平均温度30.3℃,

而804主卧室平均温度29.0℃,比904低1.3℃。每晚22:00～8:00主卧室一般使用空调,

904主卧室平均温度29.0℃,而804主卧室平均温度28.0℃,比904低1.0℃。由于904在顶层,主卧室最高温度明显高于804。3. 1.2　小卧室的温度比较(见图3

)

图3　小卧室温度比较

8月6～22日,904小卧室平均温度29.4℃,

而804小卧室平均温度27.0℃,比904低2.4

℃。每晚22:00～8:00的空调使用期间,904小卧室平均温度29.0℃,而804小卧室平均温度26.3℃,比904低2.7℃。3. 1.3　厅的温度比较(见图4

)

图4　厅温度比较

8月3～6日,804厅的温度高于904厅;8月7～

19日,804厅的温度低于904厅;8月20～24日,804厅温度高于904厅;之后两室厅的温度接近,

说明两室在温度控制上按生活需要,随机性大。测温期间,804厅平均温度30.2℃,904厅平均温度30.3℃。3. 1.4　间歇空调与不开空调房间的平均温度比较

904客房不开空调,对比封闭情况下室内温度

的变化,与904小卧室的空气温度比较见图5

。

图5　904客房与小卧室温度对比

客房受东向窗太阳辐射的影响,最高温度出现

在上午8:00～10:00;客房的平均温度为30.7℃,小卧室间歇使用空调平均温度为29.2℃,客房温度高1.5℃;在小卧室使用空调的22:00～8:00期间,平均温度为27.6℃,而同期客房的平均温度为30.6℃,客房高3℃。

3. 1.5　间歇空调与不开空调房间一天中温度变化比较在904房,选间歇空调的主卧室和不开空调的书房进行比较,两室均处于南向,8月28日天气晴朗,室外最高气温33.0℃,主卧室夜间休息时开空调,两室的温度比较见图6。

在6:30以前,主卧室开空调降温,温度低于书房温度;7:00以后,主卧室空调关闭,室温上升,主卧室由于窗的面积大,吸收太阳辐射热多于书房,

?02?专题研讨暖通空调HV &A C 2004年第34卷第5期

图6　间歇空调和不开空调房间温度比较(8月28日)

在下午14:00～18:00期间,温度高于书房,最高值达到31.8℃;晚间22:00开空调,温度开始下降。

由于夜间通风的原因,书房温度在8:30前一直下降,之后,随室外温度的升高而上升,下午18:00时达到最高值31.3℃。

3.2　用电量统计

904,804房的电能统计采用逐时电表记录的方式,在对两户的家用电器、电炊具的功率和使用频率调查后,取904房的基础能耗为4kWh,804房的基础能耗,除8月3,4,25日因很少有人活动取4kWh外,其余平均取6kWh,统计结果见表7。

表7　住户用电量统计kWh 日期3日4日5日6日7日8日9日10日11日12日13日14日15日16日904用电量　111922181291311161475613空调能耗7151814859712103129 804用电量　97422833413832243119273124空调能耗53362227353226182513212518　日期17日18日19日20日21日22日23日24日25日26日27日28日29日30日904用电量　991023223136208138887空调能耗5561918273216494443 804用电量　172326132541341832236311813空调能耗1117207193528120163025127

　注:8月4日、25日,804房家中无人,8月14日904房家中无人。

由表7可知,室内有无人及生活习惯对空调用电量的影响较大,室内空调预设温度是关键因素; 8月22～23日,室外气温高,两户用电量均较高。

在测试期间,804房总用电726kWh,其中空调用电569kWh,占总用电量的78.4%,平均每天总用电25.9kWh;904房总用电388kWh,其中空调用电276kWh,占总用电量的71.1%,平均每天总用电9.2kWh。

3.3　904房空调的使用习惯

904房测试期间空调开关时间统计见表8。

表8　904房空调开关时间统计表h 日期3日4日5日6日7日8日9日10日11日12日13日14日15日16日17日主卧室24242421117.5 2.51013.59.57.5234

小卧室242424203 5.59317612.518

厅2424242011 3.5 2.520.5书房522

日期18日19日20日21日22日23日24日25日26日27日28日29日30日合计平均主卧室11.5 1.5109.578 6.5 4.516992568.4小卧室 1.51316131820.514.5103 4.5 1.5912.52949.7厅 1.5 1.567.510.5 3.54137 4.6书房615 3.8

8月14日,904房无人,没有开空调。除恒温控制阶段外,卧室空调使用最频繁,以满足住户下班后及夜间睡眠室内温度舒适的需要。统计804, 904两户各空调房间空调使用时间,厅在周末空调使用时间明显高于平时,书房空调使用带有随机性,见表9。

3.4　904房主卧室空气温度和屋面温度的比较(见图7)

表9　各房间空调使用时间h

904

厅小卧书房主卧

804

厅小卧书房主卧周末8.213.2 2.013.47.820.30.817.1平时 4.412.1 2.68.0 5.119.79.112.2 8月3～6日18:00,904房全空调控温,主卧室的平均温度为28.3℃,屋面的内表面温度波动大,平均29.5℃。

8月6～25日,904主卧室的平均温度为30.5

暖通空调HV&A C　2004年第34卷第5期专题研讨

图7　904房主卧室空气温度和屋面温度

℃,屋面内表面温度平均为31.2℃。8月7日18:00最高温度达到33.7℃,高于当天室外最高

气温。

屋面内表面的最高温度出现在19:00～20:00,最低温度出现在6:30～7:00。

8月25～30日,屋面架空层的平均温度为2919℃,同期主卧室空气平均温度为30.9℃,

但架空层内温度波动大,12:00高达38.0℃,5:00～6:30最低,只有25.6℃,低于屋面内表面温度,说明夜间架空层散热,一定程度减少了空调能耗。4　试验结果分析

4.1　空调能耗与室外温度的关系

将测试期间28天的室外温度按增序排列,其对应的空调能耗初看没有什么规律,但认真分析数据,剔除一些使用上的异常因素,可以得到空调能耗与室外空气温度的关系,见图8

。

图8　空调能耗与室外温度的关系

从图中可以看出,随着室外温度的升高,空调

能耗呈线性增加,由于室内空调预设温度不同,804房的空调能耗明显高于904房。4.2　周末与工作日空调能耗比较

周末由于住户在家的时间相对较长,开空调时

间较平时为多,排除某些能耗使用明显异常的天

数,实测数据分析表明,周末能耗高于工作日,详见表10。

表10　空调能耗

工作日/(kWh )周末/(kWh )

周末比平时

增加能耗/%

80419.522.013904

9.2

9.9

4.3　间歇空调与全空调能耗关系(见表11)

表11　间歇空调与全空调能耗比较

日期

性质室外温度

/℃空调能耗

/(kWh )

3日全空调　26.6730日间歇空调27.0328日间歇空调27.544日全空调　28.51515日间歇空调28.5218日间歇空调28.5519日间歇空调28.565日全空调　29.01813日间歇空调29.0317日间歇空调29.058日

间歇空调

29.5

由表11中数据可以计算出,间歇空调的平均能耗比全空调减少50%～76%,且随室外温度的升高,节能率有所提高。4.4　室温控制与空调能耗关系

904房处于顶层,由于屋面的影响,其能耗理

应比804房高,但是结果相反,804房的空调能耗反而明显高于904室,根据分析,这是因为两户的热舒适要求和生活习惯不同,804房的空调设定温度比904房低2℃,说明室内控制温度是空调能耗的决定性因素。DOE 22的计算结果也表明,空调耗电量随设定温度的升高而减小(见表5)。5　结论

5.1　对试验建筑,DOE 22程序理论计算全年空调耗电量为32.17kWh/m 2。按实测数据推算,804房全年空调耗电量为35.56kWh/m 2,904房

全年空调耗电量为17.25kWh/m 2。

5.2　试验建筑建造于20世纪90年代初,窗墙面积比较小,按90年代后来的建造风格,窗墙面积比增大,空调能耗要大于试验建筑。

5.3　空调负荷中,通风负荷占40%～50%,在相

(下转第58页)

科技综述热管在空调中的应用

上海交通大学　余　霞☆　王　文　王如竹

摘要　介绍了热管的工作原理和热管技术的特点,回顾了热管在空调中的应用情况,分析了热管技术在空调系统热回收、房间空调除湿、冰蓄冷系统、汽车空调及太阳能吸收式空调中

应用的可行性和有效性,对热管式空气换气装置进行了实验研究,结果表明热管技术有很大的节能潜力。

关键词　热管　空调　热回收　应用

Ap p li c a ti o n of h e a t p i p e t o a ir c o n diti o ni n g

By Y u X ia ★,Wang Wen and Wang Ruzhu

Abs t r a ct Presents t he op erating p rinciple of heat pip e and t he characteristics of heat pip e technology.Reviews its application t o air conditioning.A nalyses t he f easibility and validit y of applying it in heat recovery ,dehumidification ,ice st orage system ,aut omobile air conditioning and solar air conditioning.The exp eriment results of t he heat pip e air exchanger show t hat heat pip e technology has a wide saving energy p otential.

Keywor ds heat pip e ,air conditioning ,heat recovery ,application ★Shanghai Jiao Tong University ,Shanghai ,China

①

0　引言近年来,由于空调的不断普及,空调耗能量几乎占发

达国家总耗能量的30%～40%。而且空调系统耗能特点之一是系统同时存在供热(冷)和排热(冷)的处理过程,如果能将需排掉的热(冷)量移向需热(冷)的地方,即热能回收,就能有效地利用能源。热管可以将大量热量通过很小的截面积远距离传输,且无需外加压缩动力。因此可以将热管技术用于空调系统中,减少空调系统能耗。1　热管工作原理

典型的热管结构如图1所示。先将管密闭,抽成1.3×10-1～1.3×10-4Pa 的负压,

在此状态下充入适量

1热管壳　2热管芯　3蒸气　4液体

图1　热管原理图

的工作液体(即工质),将紧贴管内壁的吸液芯毛细多孔材料中充入液体后加以密封。当热管的一端受热后,吸液芯中的液体吸收外界热量迅速汽化,在微小压差下流向热管的另一端,向外界放出热量后冷凝成为液体,液体借助于

贴壁金属网的毛细抽吸力返回到加热段,并再次受热汽化。如此不断循环,热量就从管的一端传向另一端。由于是相变传热,且热管内部热阻很小,所以能以较小的温差获得较大的传热量。

2　热管技术的特点

与常规换热技术相比,热管技术具有如下重要特点。

a )传热效率高。热管具有很强的导热性,与银、铜、铝等金属相比,单位质量的热管可以多传递几个数量级的热量。因此热管换热器的效率往往可达到80%以上,而且可以有效地利用工业废热、太阳能、地热能等低品位能源和回收空调系统的新、排风之间的小温差能。

b )热管管壁温度具有可调性。调整管壁温度,使冷端温度低于冷流体露点温度,达到回收显热和增强去湿、降低潜热负荷的目的,从而改善空调系统的效果。

c )恒温特性。可变导热管的开发可以实现变工况情况下冷、热源的恒温特性,既可以在热负荷或热源温度发生很大变化时,保持冷凝段或热汇的温度不变,又可成功地用于保持热管或热源温度不随热负荷或热汇温度的变化而

变化。热管的这种特性使其在空调工程中显示出其他换热

①☆余霞,女,1979年2月生,硕士研究生

200030上海市华山路1954号上海交通大学低温及制冷

研究所

(021)62934060

E νmail :miniyx2001@https://www.wendangku.net/doc/f813534209.html, 收稿日期:20021115

方式所不具备的优势。

d)适应性强。由热管组成的换热设备的受热部分和放热部分结构设计和位置非常灵活,汇源分离的距离可以根据实际需要及所采用的热管性能来定,可以从几十cm到100m,可以实现冷热流体之间零泄漏。在空调工程中特别适用于有毒环境下的废热、余热回收。

此外,热管换热器还有安全可靠、阻力小、单向导热(热二极管)等特性。热管换热器几乎没有什么机械障碍,属于二次间壁换热,热管一般不可能在蒸发段和冷凝段同时损坏,所以大大增强了设备运行的可靠性。热管换热器非常适合于回收各种连续生产工艺的余热作为空调工程的热源。热二极管原理在太阳能、地热能利用及空调系统进排风热回收工程中有很重要的应用价值。

3　热管技术在空调中的应用情况

3.1　空调系统热回收

空调系统热回收一直是暖通空调工程界研究的课题之一。在空调系统中,大部分空调回风经冷却和再热后作为送风送到空调房间,而其余的回风则排出室外。这部分回风携带的热(冷)量就白白浪费了,同时送风进入空调房间时必须经过加热(冷却)处理,需要消耗相当多的能量,因而研究如何将空调系统的回风热(冷)量回收,再用于空调系统,对空调系统节能将具有重要的意义。另外,如军火工业的火工品车间、生物药剂厂、医院手术室等,必须使用直流式空调系统,这种系统不仅用电量大,造价高,而且排风消耗能量相对一般空调而言更多,节能更为重要。在空调热回收系统中,已研制出相应的转轮式换热器、板肋式换热器和盘管式换热器等,并在空调工程中得到广泛应用[1]。由于热管具有很高的传热系数,因而近年来热管用于空调热回收系统中的研究有很大进展[2～4]。

在国外,热管技术在空调中的应用已经渗透到了很多领域。它在大型集中空调中的应用已是一项成熟的技术。在日本,许多大的空调设备制造公司已将热回收技术广泛用于工业及民用建筑的空调系统中[5～6]。文献[7]报道了将热管技术用于医院外科手术室的余热回收,设计、加工并制造了换热量为800W的重力式热管换热器,并将其与计算机模拟结果进行比较,结果证明,热管蒸发段的平均换热量为84.5W,与数值模拟结果100W相近,换热效率为0.16,显然偏低,究其原因,此热管换热器设计比较简单,既没有考虑管外加肋片,也没考虑热管的优化问题,其长径比太大(600/15),而且空气的迎面速度也偏大。

Mathur一直致力于研究空调系统的热回收问题[8～10]。他针对美国许多城市的气候条件,研究热管换热器对现有空调系统的能量消耗和高峰需求的影响,主要用热管换热器回收排风的余热(或冷量)用以加热(或冷却)新风。为了计算实际热回收量,Mathur使用BIN Weather Data编制了一个预测热回收量的模拟程序来计算热负荷和冷负荷。同时经济分析表明,对现有空调系统加装热管换热器的简单改装费用不到一年的时间即能收回。另外,Mathur还对热管换热器中使用直接蒸发冷却和间接蒸发冷却作了对比分析[11～14],充分显示了间接蒸发冷却的优越性和广阔的应用前景。例如,在夏季使用直接蒸发冷却时,热管换热器可使进风温度降低7.5℃左右,若使用间接蒸发冷却,则同样条件下可使进风温度降低11℃左右。

在国内,随着我国空调用户的不断增加,对热管的研究也在不断地开展,如潘阳等人研究的热管式空调通风换热器[15]、热管式空调换气换热器[16]等。同时,热管的应用也在不断升温,如上海市民用建筑设计院和航天部五院501设计部共同研制的氨-铝低温热管换热器[17],该装置用于上海游泳馆的空调余热回收,风量为10000m3/h,显热回收效率为60%,换热器效率为80%,运行效果良好。

从节能方面考虑,热管技术用在空调热回收中也是极具潜力的。空调系统的负荷中,新风负荷一般占总负荷的20%～30%,利用热管换热器从排风中回收能量,减少新风负荷,可减少新风能耗70%～80%,节约空调负荷10%～20%[18]。文献[19]指出,热管用于有排风的大型空调系统中,比通常使用的空调系统节能25%～30%。

3.2　用于房间空调的除湿

针对潮湿地区空调总热负荷中潜热负荷所占比例较大这一问题,在常规大型空调系统中利用除湿转轮或回转盘管换热器来增加系统的除湿能力,能较好地控制室内湿度,满足室内舒适性要求[20～21]。将热管换热器用于空调系统中,同样可使除湿量显著增加,而且总能耗量和高峰负荷减少,使空调器的送风温湿度适宜,从而达到舒适性的要求。

文献[22]对进风温度对房间空调器的影响进行了实验分析。当冷凝器进风温度、风量,蒸发器进风含湿量、风量等不变时,随着蒸发器进风温度的降低,除湿量显著增加,而制冷量、耗功率变化不大;当冷凝器进风温度、风量,蒸发器进风温度不变时,随着蒸发器风量的减少,除湿量增加,但不显著,同时制冷量却减少较多。针对这样的情况,文中提出通过在空调器上加重力式热管换热器来降低蒸发器进风温度,同时可使除湿量显著增加,而制冷量和耗功率基本不变,并且空调器的出风温度和相对湿度适中,增加了舒适感。另外,文中还提出可在不改变房间空调器原有配置(压缩机、冷凝器、蒸发器及毛细管)的情况下,达到预期效果,开拓了热管技术的应用范围。

文献[23]从理论上探讨了将热管换热器用于间接蒸发冷却和干燥除湿的可行性。文中采用毛细泵回路(CPL)热管换热器,CPL换热器的蒸发段和冷凝段分别作为送风的冷却器和回风的加热器。间接蒸发冷却和干燥除湿的应用降低了送风的干球温度和湿球温度;而CPL热管换热器的应用,提高了空调系统的制冷能力,达到了节能效果。

文献[24]在制冷量为17.6kW、能效比为8的空调系统中安装了热管换热器,用于改善冷却和除湿效果。通过使用热管换热器,新风在进入冷却盘管之前被预冷,从而可在冷却盘管中增加除湿量(0.134kg/min),同时可减少操作费用和高峰负荷。

暖通空调HV&A C　2004年第34卷第5期科技综述

3.3　在冰蓄冷系统中的应用

冷量贮存系统的使用在空调负荷随季节以及每天不同时刻变化较大的情况下,能够大大降低制冷机的容量,降低高峰负荷,制冷机可以利用夜间的电力,均衡电网负荷,从而节约资金。以前,冷量贮存系统使用的蓄冷工质是水,所需的蓄水容器大,需要大的建筑空间,从而使系统的推广应用受到限制。解决的办法是使用冰蓄冷系统,由于冰有较大的熔化热,这就使蓄冷容器体积大大减小。文献[25]介绍了热管用于冰蓄冷系统的初步实验。

图2为采用热管的冰蓄冷系统的原理图,系统由热管

、

图2　热管冰蓄冷系统制冷机和蓄冷容器组成,热管垂直放置。热管将蓄冷容器中水的显热带走传给制冷机蒸发器中的工质,制冷工质在蒸发器内变为高温高压的过热蒸气,经压缩机压缩并经冷凝器冷凝后再循环。当

蓄冷容器中的水温降到0℃时,在热管外表面开始结冰。一般的制冷管由于存在轴向温度梯度,使蒸发器不能充分发挥作用。利用热管的等温性将使蒸发器的结构简单,而且个别热管的损坏不影响系统的工作。

3.4　在汽车空调中的应用

现代社会中,人们对生活质量的要求越来越高,空调设备在车辆上特别是公交车上的应用也越来越普及。目前车辆的换气主要采用开窗换气,这样就会使车厢内冷量或热量大量流失。P.T.Worshington等人将热管应用于汽车空调中,他们采用两根热管,一根缠绕在冷却盘管上,将进入盘管的空气的热量传给盘管内的冷空气,相对没有加装热管的相同的盘管而言,冷却盘管可从预冷空气中冷凝出更多的水,当空气离开冷却盘管时将具有100%的相对湿度,同时热管的另一端用来预热空气,降低它的相对湿度;另一根热管放在新风和排风之间,用于吸收排风的冷量来冷却新风[26]。通过加装热管的设计能减少空调能耗、增加热阻、降低热传递势能,同时通过降低车厢内的相对湿度提高干球温度、减少来自电池组或发动机的能量消耗,因此将热管技术应用于汽车空调系统是极具潜力的,它能利用现有技术节约汽车空调用能。

3.5　太阳能空调技术的发展和应用

以热管技术为主要技术基础之一的太阳能热水器产业的迅速发展,使得我国成为世界上最大的太阳能热水器产销国。由于规模效应,生产成本大幅度下降,这就为太阳能空调迈入实用化和推广普及奠定了现实基础。目前,广东、北京等地已开始使用太阳能空调系统[27]。近年来有很多学者注重太阳能热管吸收式空调的研究,如文献[28～29]中分别对该系统的构造、设计和性能作了分析,并且介绍了山东省乳山市建成的一套太阳能吸收式空调及供热综合系统,该系统运行效果良好。

4　热管式热回收在换气装置中的应用

笔者研制了如图3所示的热管式热回收换气装置。

热管图3　热管式热回收换气装置

采用铝—氨重力

热管(可适应

50～200℃工作

环境),管材为

整体挤压肋片

管。换热器采用

10支热管时,

其外部尺

寸为440mm×

262mm×99

mm。表1是其部

分实验数据。

表1　10支热管换热情况℃

冷风进气量57m3/h

热风排气量54m3/h

实验1实验2

冷风进气量48m3/h

热风排气量46m3/h

实验1实验2

冷风进口温度13.014.013.513.6

冷风出口温度28.530.625.419.7

热风进口温度41.845.835.426.3

热风出口温度19.219.818.316.8

在较大的风量下,从加热的角度看节约能源79%,从冷却的角度看节约能源55%;在较小的风量下,从加热的角度看节约能源74%～79%,从冷却的角度看节约能源48%～53%。加热和冷却效果的不同,主要是由于换热器进排气量有差异,而设计中二者相等。

表2是采用5支热管的换热情况,此时换热器外部尺寸为440mm×262mm×50mm。

表2　5支热管换热情况℃

冷风进气量57m3/h

热风排气量54m3/h

实验1实验2

冷风进气量48m3/h

热风排气量46m3/h

实验1实验2

冷风进口温度11.912.611.511.6

冷风出口温度20.533.622.037.4

热风进口温度31.154.333.461.2

热风出口温度20.027.720.428.7

在较大的风量下,从加热的角度看节约能源57%～64%,从冷却的角度看节约能源46%～50%;在较小的风量下,从加热的角度看节约能源60%～66%,从冷却的角度看节约能源48%～52%。

由上面实验数据可知,热管换热器的换热效率相当可观。如果将其用于家庭换气,不仅可以提高室内空气品质,还可减少能耗,起到节约用电的效果。

?科技综述暖通空调HV&A C　2004年第34卷第5期

5　水平热管空调换气装置

上述热管节能换气装置有两点不足:一是虽然热管尺

寸小,但与之配套的风机尺寸较大;二是由于在空调工程中,夏季和冬季排风与新风之间要求的传热方向不同,所以热管的两端———蒸发段和冷凝段也需随季节的变化而交替切换。而重力型热管在运行时,需要保持一定的倾角。因此如果此装置在冬季和夏季都使用的话,需要改动进排风相对热管的位置。

为此,水平热管空调换气装置被提了出来。其目的在为新风换气要求小的空调单元提供一种体积小、结构紧凑、节能效果更好的新型通风换气装置。这种装置如图4所示

图4　水平热管空调换气装置

风机采用同轴双翼通风机,气流在流入和流出风机时,方向

不变。换热器采用水平热管,换热效果好而成本较层叠式或板式换热器低,并且没有重力热管换热器需要的冬季和夏季换气的进排风换向问题。表3是其部分实验测试数据。

表3　风量和风温测量

贯流风叶侧离心风叶侧

通风量/(m 3/h )

85.5　

116.4进风均温/℃26.1239.85出风均温/℃

32.36

34.96

由表3可知,在小风量情况下,贯流风叶侧的温度效

率为45.5%,离心风叶侧的温度效率为35.6%,此装置可在改善室内空气品质的同时减少能耗,在家庭换气方面应用潜力很大。6　结论6.1　热管技术在空调系统中的应用是多方面的,既可用于空调系统热回收,又可用于提高室内空气品质等。6.2　通过对近几十年来热管技术在空调系统中的应用分析,以及对热管式空调换气装置的实验研究,充分证明了热管技术用于空调系统,不论从技术方面,还是从经济性方面考虑,都是可行的。6.3　从换热效率的角度考虑,热管换热器相对其他换热器而言,具有更高的换热效率以及其他换热器所不具备的优点,决定了热管技术将具有巨大的应用潜力。

6.4　随着我国经济的迅速发展和人民生活水平的日益提

高,空调能耗在总能耗中的份额将进一步增加,因此,节能、环保的空调是今后的发展方向。热管技术经过30几年的发展已经日趋成熟,并且在很多领域有很多卓有成效的应用。如果能将热管技术与现代空调技术结合,不仅可以提高能源的利用效率,保护人类资源,而且可以提高人体舒适度。参考文献

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(下转第46页)

92? 暖通空调HV &A C 2004年第34卷第5期科技综述