摘要：以重慶市某采用THIC空調(diào)系統(tǒng)的試驗房為研究對象，采用TRNSYS建立了該空調(diào)系統(tǒng)的仿真平臺，通過夏季設(shè)計工況的計算模擬，發(fā)現(xiàn)其存在熱舒適性欠佳、能耗較高等問題.針對上述現(xiàn)象，在原系統(tǒng)中增設(shè)了室內(nèi)排風(fēng)顯熱回收裝置進(jìn)行改進(jìn)和模擬，計算結(jié)果表明，相比原空調(diào)系統(tǒng)，室內(nèi)熱舒適性達(dá)標(biāo)時段增加約13.58%，能耗降低約6.79%.

　　關(guān)鍵詞：THIC空調(diào)系統(tǒng);室內(nèi)排風(fēng)顯熱回收;熱舒適性;能耗

　　THIC(溫濕度獨立控制)空調(diào)系統(tǒng)的實現(xiàn)形式為高溫冷源提供冷水，以輻射供冷方式處理顯熱負(fù)荷從而控制室內(nèi)溫度，同時采用低溫冷源所提供的冷水去除濕負(fù)荷，以達(dá)到室內(nèi)溫濕度獨立控制的目的，以上兩套系統(tǒng)分別稱之為THIC空調(diào)系統(tǒng)的溫度控制系統(tǒng)和濕度控制系統(tǒng)[1].由于THIC空調(diào)系統(tǒng)的室內(nèi)負(fù)荷處理方式及制冷主機設(shè)置方式均有別于傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)，因此其室內(nèi)熱舒適性及制冷主機能耗成為了有待研究的問題[2-4].本文擬采用TRNSYS對所研究的重慶市某試驗房THIC空調(diào)系統(tǒng)的室內(nèi)熱舒適性及制冷主機能耗進(jìn)行模擬分析.

　　空調(diào)論文投稿刊物：《潔凈與空調(diào)技術(shù)》Contamination Control & Air-conditioning Technology(季刊)曾用刊名：潔凈技術(shù)，1994年創(chuàng)刊，是國內(nèi)唯一技術(shù)為主要報道內(nèi)容的，向國內(nèi)外公開發(fā)行的科技期刊，由信息產(chǎn)業(yè)部主管，中國電子工程設(shè)計院和中國電子學(xué)會潔凈技術(shù)分會主辦。內(nèi)容涉及潔凈室技術(shù)、潔凈室各系統(tǒng)及輔助系統(tǒng)，如潔凈室、建筑裝飾、空調(diào)系統(tǒng)、高純水、高純氣體制備及其輸配系統(tǒng)，防靜電、防微震設(shè)施、潔凈系統(tǒng)等方面的國內(nèi)外最新科技成果，澩術(shù)論文設(shè)備開發(fā)、工程設(shè)計、施工和運行管理經(jīng)驗，相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范實施情況，以及國內(nèi)外學(xué)術(shù)動態(tài)與活動，產(chǎn)品市場信息。

　　1試驗房空調(diào)系統(tǒng)概況

　　試驗房THIC空調(diào)系統(tǒng)原理，高溫冷源選用一臺額定冷量為14kW的空氣源熱泵，夏季供水溫度為16℃，末端采用毛細(xì)管輻射頂板進(jìn)行輻射供冷;低溫冷源選用一臺額定冷量為11.5kW的空氣源熱泵，夏季制備7℃的低溫冷水，末端采用地板送風(fēng)形式將表冷盤管深度除濕后的新風(fēng)送入室內(nèi).試驗房THIC空調(diào)系統(tǒng)控制邏輯為：當(dāng)控制系統(tǒng)探測到室內(nèi)溫度小于24℃時，關(guān)閉溫度控制系統(tǒng)，當(dāng)室內(nèi)溫度大于28℃時，開啟溫度控制系統(tǒng);當(dāng)控制系統(tǒng)探測到室內(nèi)相對濕度高于65%時，開啟濕度控制系統(tǒng)，當(dāng)室內(nèi)相對濕度低于55%時，關(guān)閉濕度控制系統(tǒng).

　　2模擬方法及實測驗證

　　2.1室內(nèi)溫濕度及制冷主機能耗的模擬計算

　　根據(jù)前述各空調(diào)系統(tǒng)部件，在TRNSYS中搭建了空調(diào)系統(tǒng)仿真平臺.將氣象參數(shù)、負(fù)荷參數(shù)導(dǎo)入TRNSYS所建立的建筑模型后，與選定的風(fēng)冷冷水機組、表冷盤管、新風(fēng)換氣機、管道等部件相連接，進(jìn)行空氣焓濕狀態(tài)計算，并利用在線圖表儀導(dǎo)出計算后的室內(nèi)溫度、相對濕度.制冷主機的能耗是通過計算其實時名義性能系數(shù)(COPnom)來確定.根據(jù)相關(guān)參考文獻(xiàn)[5-6]，能耗計算模型的數(shù)學(xué)描述如式(1)-式(3)所示：冷水機組實時名義性能系數(shù)為COPnom=COPrated*COPratio(1)冷水機組制冷量計算公式為Qload=m×Cp(Tchw，in-Tchw，set)

　　(2)冷水機組耗電量為W=QloadCOPnom(3)COPrated—冷水機組實時額定性能系數(shù);COPratio—冷水機組實時名義COP因子;m—冷水機組冷水質(zhì)量流量，kg/h;Cp—冷水機組冷水比熱容，kJ/kg·K;Tchw，in—冷水機組進(jìn)水溫度，℃;Tchw，set—冷水機組預(yù)設(shè)出水溫度，℃.在風(fēng)冷冷水機組中輸入氣象參數(shù)、負(fù)荷參數(shù)后，根據(jù)式(1)-式(3)進(jìn)行耗電量的計算，并輸出至在線圖表儀導(dǎo)出計算結(jié)果.

　　2.2模擬方法的校驗分析

　　根據(jù)文獻(xiàn)[6-7]，采用逐時模擬值校驗比逐月模擬值校驗具有更高的準(zhǔn)確性.當(dāng)選用逐時模擬值進(jìn)行校驗時，文獻(xiàn)[7]認(rèn)為與逐時模擬值相對照的實測數(shù)據(jù)應(yīng)當(dāng)選取典型日的逐時測量值.本文選取空調(diào)系統(tǒng)運行較平穩(wěn)的典型日(2017年6月25日)對該試驗房的室內(nèi)溫濕度、空調(diào)系統(tǒng)逐時耗電量進(jìn)行了現(xiàn)場測試.為盡量排除氣象參數(shù)不確定性的影響[8]，在氣象數(shù)據(jù)文件中選擇6月20日至6月30日之間與實測日氣象參數(shù)最為接近的一天作為模擬日，將其氣象參數(shù)導(dǎo)入仿真平臺中計算出室內(nèi)溫濕度、空調(diào)系統(tǒng)逐時耗電量的模擬值，再與現(xiàn)場測試結(jié)果進(jìn)行校驗對比.

　　對比結(jié)果表明，房間溫度、相對濕度及空調(diào)系統(tǒng)耗電量的模擬值與實測值變化規(guī)律基本一致.本文采用ASHRAEGuideline14-2014中NMBE(逐時平均偏差)和CV(均方差變異系數(shù))作為運用逐時值進(jìn)行校驗時的判定依據(jù)，NMBE為分析時段內(nèi)模擬值與測量值的誤差，反映數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性;CV為標(biāo)準(zhǔn)差與平均數(shù)的比值，反映數(shù)據(jù)的離散性.對比結(jié)果表明，房間溫度NMBE為-3.46%，CV值為3.64%;房間相對濕度NMBE為3.64%，CV值為3.92%;空調(diào)系統(tǒng)耗電量NMBE為9.85%，CV值為15.74%.以上計算結(jié)果均滿足ASHRAE中關(guān)于模擬校驗誤差|NMBE|≤10%、|CV|≤30%的要求，表明本文擬采用模擬方法是可靠的.

　　3設(shè)計工況模擬分析

　　設(shè)計工況采用TRNSYS所提供的典型氣象年夏季工況日數(shù)據(jù)進(jìn)行計算.在氣象數(shù)據(jù)文件中選擇試驗房所在地的典型年氣象參數(shù)后，選取第2880～6580h作為夏季工況日.

　　3.1熱舒適性分析

　　設(shè)計工況下室內(nèi)溫度、相對濕度的模擬結(jié)果在夏季供冷周期內(nèi)，室內(nèi)平均溫度為24.30℃、平均相對濕度為59.20%，其中有63.88%時段溫度控制在24℃～28℃區(qū)間內(nèi)，35.31%時段室內(nèi)溫度低于24℃，0.81%時段室內(nèi)溫度大于28℃;另外有84.52%時段相對濕度控制在55%～65%區(qū)間內(nèi)，9.96%時段相對濕度低于55%，5.52%時段相對濕度大于65%.相對而言，室內(nèi)相對濕度較為穩(wěn)定，室內(nèi)溫度波動較大.

　　根據(jù)文獻(xiàn)[9]，在制冷工況下，當(dāng)室內(nèi)溫度處于24℃～28℃、室內(nèi)相對濕度處于55%～65%時，室內(nèi)熱舒適度較好，而該空調(diào)房間有部分時間處于室內(nèi)溫度低于24℃、室內(nèi)相對濕度在55%～65%區(qū)間以外的熱舒適性較差狀態(tài)，造成此現(xiàn)象的主要原因是經(jīng)過表冷盤管后的除濕新風(fēng)溫度較低，該送風(fēng)將導(dǎo)致室內(nèi)溫度、相對濕度偏離舒適標(biāo)準(zhǔn).

　　3.2制冷主機能耗分析

　　制冷主機包括溫度控制系統(tǒng)主機與濕度控制系統(tǒng)主機，其逐時耗電量模擬結(jié)果.根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果，制冷主機逐時耗電量主要在2kW·h以下，其中濕度控制系統(tǒng)主機約有49.38%時段逐時耗電量處于0～1kW·h之間，37.72%時段耗電量為0kW·h，8.96%時段逐時耗電量處于1～2kW·h之間，3.73%時段逐時耗電量為2kW·h以上;另外溫度控制系統(tǒng)主機約有78.73%時段耗電量為0kW·h，17.18%時段逐時耗電量處于0～1kW·h之間，2.57%時段逐時耗電量處于1～2kW·h之間，1.52%時段逐時耗電量為2kW·h以上.在夏季供冷周期內(nèi)，濕度控制系統(tǒng)主機約有1396h處于停機狀態(tài)，溫度控制系統(tǒng)主機約有2914h處于停機狀態(tài)，二者逐時耗電量之和約為2424.99kW·h.由上述分析可知，制冷主機能耗偏高且溫度控制系統(tǒng)主機有較長時間處于停機狀態(tài)，出現(xiàn)此情況的主要原因是主機選型偏大且室內(nèi)溫度較低，從而導(dǎo)致溫度控制系統(tǒng)主機停機時段內(nèi)室內(nèi)熱濕負(fù)荷均由制備低溫冷水的濕度控制系統(tǒng)主機承擔(dān)，增大了制冷主機的耗電量.

　　4優(yōu)化方案及模擬分析

　　4.1優(yōu)化方案

　　根據(jù)文獻(xiàn)[10]，送風(fēng)溫度為影響地板送風(fēng)和頂板輻射供冷復(fù)合系統(tǒng)氣流組織、舒適度、能耗水平的主要影響因素之一.為改進(jìn)設(shè)計工況的上述現(xiàn)象，擬適當(dāng)提高送入室內(nèi)的新風(fēng)溫度，采用送風(fēng)再熱的優(yōu)化方式.目前工程上常用的再熱方法有電加熱、室內(nèi)排風(fēng)顯熱回收、室外新風(fēng)熱回收、利用冷凝熱再熱[11].考慮現(xiàn)場改進(jìn)的技術(shù)可行性和經(jīng)濟(jì)性，顯熱回收裝置進(jìn)行排風(fēng)顯熱回收，以降低能耗、提高熱舒適性.經(jīng)過表冷盤管后的除濕新風(fēng)與室內(nèi)排風(fēng)在顯熱回收裝置內(nèi)進(jìn)行熱交換，再將溫度升高后的除濕新風(fēng)送入室內(nèi).

　　其顯熱傳遞量的數(shù)學(xué)描述如式(4)所示：Qsens=εsensCmin(Texhaust，in-Tfresh，in)(4)Qsens—新排風(fēng)顯熱交換量，kJ/h;εsens—設(shè)備顯熱交換效率;Cmin—最小熱容氣流，kJ/h·K;Texhaust，in—排風(fēng)進(jìn)口溫度，℃;Tfresh，in—新風(fēng)進(jìn)口溫度，℃.結(jié)合文中2、3節(jié)所述模擬方法，在TRNSYS中對優(yōu)化工況下的室內(nèi)溫濕度、能耗進(jìn)行模擬計算.

　　4.2熱舒適性優(yōu)化分析

　　優(yōu)化工況下室內(nèi)溫度、相對濕度的模擬結(jié)果.在夏季供冷周期內(nèi)，室內(nèi)平均溫度為24.71℃、平均相對濕度為59.02%，其中，72.56%時段室內(nèi)溫度控制在24℃～28℃區(qū)間內(nèi)，26.43%的時段室內(nèi)溫度低于24℃，1%時段室內(nèi)溫度大于28℃，相比設(shè)計工況，處于24℃～28℃的溫度達(dá)標(biāo)時段增加，室內(nèi)溫度波動減少，熱舒適性有明顯提升;另外相對濕度有90.67%時段控制在55%～65%區(qū)間內(nèi)，7.98%時段低于55%，1.35%時段大于65%，相比設(shè)計工況，處于55%～65%的相對濕度達(dá)標(biāo)時段增加，室內(nèi)相對濕度水平得到了一定程度的改善.優(yōu)化后室內(nèi)熱舒適性達(dá)標(biāo)時段增加約13.58%.

　　4.3制冷主機能耗優(yōu)化分析優(yōu)化工況下制冷主機逐時耗電量的模擬結(jié)果.

　　根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果，制冷主機逐時耗電量主要在2kW·h以下，其中濕度控制系統(tǒng)主機約有47.67%時段耗電量為0kW·h，39.58%時段逐時耗電量處于0～1kW·h之間，9.23%時段逐時耗電量處于1～2kW·h之間，3.52%時段逐時耗電量為2kW·h以上;另外溫度控制系統(tǒng)主機約有72%時段耗電量為0kW·h，22.35%時段逐時耗電量處于0～1kW·h之間，5.17%時段逐時耗電量處于1～2kW·h之間，0.49%時段逐時耗電量為2kW·h以上.在夏季供冷周期內(nèi)，濕度控制系統(tǒng)主機約有1764h處于停機狀態(tài)，溫度控制系統(tǒng)主機約有2664h處于停機狀態(tài).由于送風(fēng)溫度升高，室內(nèi)熱舒適度得到改善，溫度控制系統(tǒng)主機運行時間相比設(shè)計工況增加約9%，其耗電量略有增加;濕度控制系統(tǒng)主機運行時間相比設(shè)計工況減少約26%，其耗電量得到了降低.二者逐時耗電量之和為2260.26kW·h，相比設(shè)計工況節(jié)能約6.79%.

　　4.4優(yōu)化方案的動態(tài)投資經(jīng)濟(jì)性分析

　　優(yōu)化方案的經(jīng)濟(jì)性分析采用動態(tài)投資回收期的評價方法[12]，動態(tài)投資回收期(P′t)計算公式如式(5)所示：P′t=-ln(1-Iic/R)/ln(1+ic)(5)優(yōu)化方案所增設(shè)設(shè)備的期初投資I為1100元;根據(jù)優(yōu)化后的節(jié)能效益，結(jié)合重慶市主城區(qū)居民用電價格確定投資后每年的凈收益R為206.9元;重慶地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)收益率ic為5%.可得該方案動態(tài)投資回收期(P′t)為6.3年，小于項目壽命n=15年，表明此方案的經(jīng)濟(jì)性合理.

　　5結(jié)論

　　1)本文通過TRNSYS搭建了試驗房THIC空調(diào)系統(tǒng)的仿真平臺，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了實測數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果的對比校驗分析，驗證了該仿真平臺模擬計算結(jié)果的可靠性.2)分析表明，采用室內(nèi)排風(fēng)顯熱回收的優(yōu)化方式可增加室內(nèi)溫度達(dá)標(biāo)時段，減少室內(nèi)溫度的波動，改善室內(nèi)相對濕度水平.采用該種優(yōu)化方式后室內(nèi)熱舒適性達(dá)標(biāo)時段比設(shè)計工況增加約13.58%.3)優(yōu)化工況下延長了溫度控制系統(tǒng)主機的運行時間，充分發(fā)揮了溫濕度獨立控制系統(tǒng)的優(yōu)點，制冷主機能耗比設(shè)計工況降低6.79%;結(jié)合優(yōu)化方案的經(jīng)濟(jì)性分析結(jié)果，表明此方案技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理.

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　　作者：陳雋鋒，張永東，黎強，熊偉成