深圳市公共建筑空调系统设计综合能效比方法研究

钟媛玲^{1, 2}，邓启红¹，刘刚²

(1. 中南大学 能源科学与工程学院，湖南 长沙，410083；

2. 深圳市建筑科学研究院有限公司，广东 深圳，518049)

摘要：通过对深圳市公共建筑空调系统的调研分析发现，空调系统大部分时间都在部分负荷下运行，且国内的标准细则对空调系统的评价指标只是针对单个设备，对系统暂时还没有一套简单可行的评价指标。因此，从空调系统部分负荷能效系数的影响因素方面提出空调系统设计综合能效比的概念和计算方法，为国家对空调系统标准的制定和完善以及正在推广执行的民用建筑能效测评标识工作中对空调系统的评价提供理论依据。

关键词：公共建筑；空调系统；综合能效比

中图分类号：U491.1            文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2012)S1-0015-05

Analysis of method of designing integrated energy efficiency ratio for air-conditioning system of public buildings in Shenzhen

ZHONG Yuan-ling^{1, 2}, DENG Qi-hong¹, LIU Gang²

(1. School of Energy Science and Enginering, Central South University, Changsha 410083, China;

2. Shenzhen Institute of Building Reaseach, Shenzhen 518049, China)

Abstract: Through analyzing the air-conditioning systems in Shenzhen public buildings, it is found that the air-conditioning systems mainly run under partial load, and the domestic standard rules on the evaluation of the air-conditioning system are just for a single device, the system temporarily does not have a simple and feasible evaluation index. According to the impact factors of air-conditioning system partial load energy efficiency coefficient, the concept of air-conditioning system designing integrated energy efficiency ratio is proposed, which provides theoretical basis for drafting and improving standard rules for air-conditioning system as well as evaluation of air-conditioning systems for civil building energy efficiency evaluation technical system.

Key words: public buildings; air-conditioning system; integrated energy efficiency ratio

全国乃至全世界都在关注能源效率的问题，节能越来越成为大家关注的焦点^[1]。随着我国节能事业的发展，对空调系统设备能效评价指标也越来越多。如：2004年颁布实施的《冷水机组能效限定值及能源效率等级》(GB 19577—2004)中对不同冷量范围的冷水机组的能源效率和能源效率等级指标作了规定^[2]；2005年颁布的《公共建筑节能设计标准》(GB 50189—2005)中对单个空调设备的能耗限值作了规定，同时对冷水(热泵)机组制冷性能系数(COP)、冷水(热泵)机组综合部分负荷性能系数、单元式机组能效比、溴化锂吸收式冷水机组性能系数等分别作了限定^[3]，但这些评价指标目前仅停留在对单个设备额定工况下的性能评价，而对整个空调系统还缺少一套完整可行的评价指标。一般而言，由于环境温度不断发生变化，建筑的负荷也随之发生变化^[4]，因此，为了节能，空调系统的容量也在相应的变化。另外，针对采用变频节能技术的系统，其空调系统的制冷量可以随整个建筑负荷的需求变化而做出相应的调整^[1]。如果评价此类系统和不采用变频技术的空调系统一样都用计算最大负荷值来计算，则体现不出采用变频技术的优越性。因此评价空调系统的指标应该从单一的能效比向全年的综合能效比转变。针对这些情况，本研究提出了深圳市公共建筑空调系统综合能效比的概念和计算方法，以便为进一步优化设计和评价空调系统提供理论依据。

1  深圳市公共建筑空调系统设计  现状

对深圳市34栋宾馆建筑、23栋商场建筑和52栋办公楼建筑的能源审计报告进行统计分析，结果如图1所示。从图1可见：深圳市公共建筑的空调系统只有少数系统在运行峰值时的负荷率达到100%，大部分建筑空调系统运行峰值时的负荷率都低于100%，空调系统的主机安装容量偏大，“大马拉小车”的现象非常严重。

图1  空调系统运行峰值负荷率分布图

Fig.1  Distribution of the running peak load

对以上建筑冷源形式的统计分析结果如图2所示，深圳市公共建筑空调系统的系统冷源形式主要以水冷式为主。宾馆饭店水冷式机组占85.29%，商场建筑水冷式机组占96.70%，办公建筑水冷式机组也占90.91%；各种建筑类型对冷负荷需求的不同，系统形式也各不相同。结合调研分析结果以及冷水机组在建筑中的广泛使用^[5]，本研究主要分析冷水机组的综合能效比。

图2  不同冷源形式的空调系统比例分布图

Fig.2  Percentage of different kinds of refrigeration

2  空调系统设计综合部分负荷能效比的定义及计算方法

公共建筑空调系统设计综合能效比(DIEER，Designing Integrated Energy Efficiency Ratio)^[6-8]：以年为计算单位，在设计工况下空调系统部分负荷能效比的加权平均值，是一个用单一数值表示空调系统部分负荷效率的指标，既考虑了空调系统满负荷时的能源效率，也考虑了部分负荷下的情况。

为了使计算简单可行，通常可选择少数几个典型的部分负荷工况点来近似估算空调系统综合能效比。典型工况点的选取应满足以下几个基本要求：

(1) 典型负荷工况点应分布在不同的部分负荷率区间内，如75%~100%负荷段、50%~75%负荷段、25%~50%负荷段和0~25%负荷段。

(2) 同一负荷区间内部分负荷下的系统设计能效比要相对均匀，典型工况点的设计能效比能有效地代表这一负荷段区间内的系统设计能效比平均水平。

(3) 每个典型工况点代表的同一负荷区间段内的系统设计能效比分布的变化趋势应该一致，否则要增加典型工况点数目，尽量使每个典型工况点能代表这一负荷区间内的系统设计能效比的分布规律。

结合以上部分负荷典型工况点的选取基本原则，本研究选取部分负荷率分别为25%，50%，75%和100% 4个典型工况点，从而将部分负荷率划分为0~25%，25%~50%，50%~75%和75%~100% 4部分负荷率段。则空调系统设计综合能效比的计算公式定义为：

γ_DIEER=f₁×γ_DEER1+f₂×γ_DEER2+

f₃×γ_DEER3+f₄×γ_DEER4

式中：f₁，f₂，f₃和f₄分别表示空调系统在0~25%，25%~50%，50%~75%和75%~100% 4个负荷率段运行时间的权重系数；γ_DEER1，γ_DEER2，γ_DEER3和γ_DEER4分别表示空调系统在25%、50%、75%和100% 4个负荷率工况下空调系统的设计能效比。

空调系统设计能效比γ_DEER的计算公式^[9]：

γ_DEER=∑Q/∑N

式中：∑Q是空调系统的设计总冷负荷，kW；∑N是空调系统各个设备额定功率总和，kW。其中：

∑N=N₁+N₂+N₃+N₄+N₅

式中：N₁为电动驱动压缩机的冷水机组、单元式空气调节器和多联式空调机组在额定制冷工况下输入电功率之和，kW；N₂为直燃型溴化锂吸收式水冷机组额定制冷工况下单位时间燃料耗量的折算电功率、燃烧系统、风系统及溶液泵配用电机铭牌功率之和，kW；N₃为冷却水泵和冷却塔配用电机铭牌功率之和，kW；N₄为冷冻水泵配用电机铭牌功率之和，kW；N₅为空调系统组合式空气处理机组、新风处理机组所含风机及其他风机配用电机铭牌功率之和，以及风机盘管铭牌输入功率之和，kW。

从上式可以看出：要计算γ_DIEER，需要得到空调系统在25%，50%，75%和100% 4个负荷下空调系统的设计能效比，以及0~25%，25%~50%，50%~75%和75%~100% 4个负荷率段的运行时间频率。

3  深圳市空调系统设计综合能效比计算分析

空调系统综合部分负荷能效比主要受时间权重系数和设计能效比的影响。图3所示为空调系统综合部分负荷能效比分析的结构图。下面分别从时间权重系数和设计能效比分析深圳市公共建筑空调系统设计部分负荷综合能效比。

图3  空调系统综合能效比分析结构图

Fig.3  Structure chart of designing integrated energy efficiency ratio

3.1  深圳市公共建筑时间权重系数分析

本研究采用DeST-C软件模拟深圳市建筑的能耗。通过模拟软件模拟得到空调负荷全年逐时数据，计算可以得到深圳市宾馆饭店、商场建筑和办公建筑的设计综合部分负荷能效比的权重系数如表1~3所示。

表1  宾馆饭店建筑权重系数

Table 1  Weighting coefficient of hotel buildings

表2  商场建筑权重系数

Table 2  Weighting coefficient of commercial building

表3  办公建筑加权系数

Table 3  Weighting coefficient of office building

从表1、表2和表3可以发现：深圳地区3类公共建筑系统时间权重系数存在明显差异。宾馆建筑空调系统全年0~25%负荷率的时间占66.61%；商场建筑加权系数最大值集中在25%~50%和0~25% 2个负荷率段，所占比例将近80%；办公建筑在25%~50%负荷率时间权重系数也高达61.55%。这主要是由于不同建筑类型的功能不同，对系统的要求以及系统的开启时间等要求也各不相同，因此，系统时间权重系数的分析对空调制冷主机的选取具有重要意义。

3.2  部分负荷率工况下的设计能效比

通过对能源审计报告的统计分析发现：深圳市的空调系统很多都是2台主机的情况。下面假设主机有2台，单台额定输入功率为N₁，3台冷却水泵，2用1备；单台额定输入功率为N₂，3台冷却塔，2用1备；单台额定输入功率为N₃，3台冷冻泵，2用1备；单台额定输入功率为N₄，风系统为风机盘管和新风机的半集中空调系统，所有末端设备的额定输入功率为N₅。主要分析不同方案条件下空调系统各部分设备的能耗情况。

方案A为制冷机组为制冷量无级调节，冷冻水量根据其调节成比例关系；冷冻水泵采用台数调节，水泵工况点发生变化，依靠末端设备的阀门调节满足用户的需要；冷却水泵采用台数调节，冷却塔也采用台数调节；空调末端设备分2种情况考虑：全部设备在部分额定负载率下运行和停运部分的末端设备。

方案B为制冷机组为制冷量无级调节，冷冻水量根据其调节成比例关系；冷冻水泵采用变频调节，水泵工况点不发生变化；冷却水泵采用台数调节，冷却塔采用变频调节；空调末端设备分2种情况考虑：全部设备在部分额定负载率下运行和停运部分的末端 设备。

表4所示为部分负荷下各设备的能耗情况，通过表4的比较发现：系统在不同的运行策略下，对于同一组空调系统，采用变频技术的方案B比采用台数控制的方案A总能耗值相差非常大；末端在部分负荷下分空调系统末端设备全部在部分负载率下运行和空调系统停运部分的末端设备2种情况考虑的能耗也各不相同，停运部分设备要节能很多。由此可见：不同的控制策略导致在不同的负荷率下系统设计能效比相差很大。

表4  部分负荷下各设备的能耗情况

Table 4  Energy consumption results of devices under partial load

4  结论

(1) 提出深圳市公共建筑空调系统设计综合能效比(DIEER)的概念，并给出其计算方法。在空调系统的设计阶段可以通过系统综合能效比的比较分析，简单快捷地比较出设计的空调系统节能优劣情况，为进一步优化设计和合理选择配置空调系统的各部件提供理论依据。

(2) 通过模拟分析比较得到深圳市宾馆饭店、商场建筑和办公建筑3类建筑类型的部分负荷率段的时间权重系数、不同的建筑类型时间权重系数相差特别大，这主要与建筑的功能类型有很大关系。

(3) 通过一个假设案例的比较分析，空调系统的控制策略对整个系统的综合能效比的影响非常大。因此，控制策略对系统综合能效比的影响还有待进一步研究和探索。

参考文献：

[1] Perez-lombard L, Ortiz J, Pout C. A review on building energy consumption information[J]. Energy and Buildings, 2008, 40(3): 394-398.

[2] GB19577—2004, 冷水机组能效限定值及能源效率等级[S].
GB19577—2004, Theminimum allowabl evalues of the energy efficiency and energy efficiency grades for waterchillers[S].

[3] GB50189—2005, 公共建筑节能设计标准5[S].
GB50189—2005, Energy Saving Designing Standard in Public Buildings[S].

[4] Kwok S S K, Yuen R K K, Lee E W M. An intelligent approach to assessing the effect of building occupancy on building ccooling load prediction[J]. Building and Environment, 2011, 46(8): 1681-1690.

[5] Yu F W, Chan K T. An alternative approach for the perpormance rating of air-cooled chillers used in air-conditioning building[J]. Building and Environment, 2006, 41(12): 1723-1730.

[6] ARI. ARI 550/590-2003, Standard for performance rating of water-chilling packages using the vapor compression cycle[S].

[7] DING Yong, LI Bai-zhan, YAO Run-ming, et al. Part load operation coefficient of air-conditioning system of public building[J]. Energy and Buildings, 2010(42): 1902-1907.

[8] ZHANG Lun, LIU Xiao-hua, JIANG Yi. A new concept for analyzing the energy efficiency of air-conditioning systems[J]. Energy and Buildings, 2012, 44: 45-53.

[9] 杨李宁. 公共建筑空调工程能效比的研究[D]. 重庆: 重庆大学城市建设与环境工程学院, 2007: 5-7.
YANG Li-ning. Study on energy efficiency ratio about air-conditoning engineering of commercial building[D]. Chongqing: Faculty of Urban Construction and Environmental Engineering,Chongqing University, 2007: 5-7.

(编辑 何运斌)

收稿日期：2012-01-15；修回日期：2012-02-15

通信作者：邓启红(1973-)，男，河南潢川人，博士，教授，从事城市环境及其健康效应研究；电话：0731-88877175；E-mail：qhdeng@csu.edu.cn