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不同的室外设计条件对空调设备制冷性能和设计冷负荷的影响
MehmetAzmiAktacira,*,OrhanBu¨yu¨kalacab,Hu¨samettinBuluta,TuncayYılmazb
a哈若恩大学机械工程学院，奥斯曼贝校区，土耳其；b切库罗瓦大学机械工程系学院，亚达那，土耳其
摘要：
室外设计条件是建筑物的能源效率重要的参数。
不正确选择户外设计条件的结果是产生可预见的舒适性降低和能源的消耗。
在这项研究中，对空调系统中的不同的户外设计条件的影响统进行调查。
为此，冷负荷和空调设备制冷量一样的建筑，在分别位于阿达纳，土耳其计算时，应采用不同的户外ASHRAE推荐的设计条件，目前，在土耳其使用的设计数据是每日最高干湿球温度的7月21日，这是大家普遍认同的作为设计日。
冷却盘管的能力，从不同的户外设计条件产生的冷却盘管的能力被考虑在这项研究中，进行互相比较。
空调系统的成本分析也要被确定。
很明显选择室外设计条件是一个很关键的一步，在计算建筑冷负荷和设计空调设备的制冷能力方面。
2007年Elsevier有限公司保留所有权利。
关键词：
天气设计数据，暖通空调系统，冷负荷，成本分析
1导言
当地的气候条件是建筑物能源效率的重要参数。
因为建筑物中的能源消耗和建筑物系统的能效变化一样，取决于当地的气候条件。
在暖通空调系统应用中，气候条件好的设计会提高舒适度和增加建筑物的能效。
气象资料信息的室外设计条件是设计的宗旨，它显示了某一特定地点在它气候里的特点。
它影响着建筑物负荷和经济性设计。
不正确的选择室外条件会导致产生不好的精神和舒适性。
如果一些非常保守的，极端的情况采取了，会产生不经济的设计和超出规定规格。
如果负荷被低估了，设备和系统操作会受到影响。
为了克服这个问题，Yoshida和Terai建造了自回归移动平均天气模型，通过应用一种确定技术恢复为原始天气数据。
Lietal.研究了亚热带地区气候对冷负荷的影响。
他们发现发达国家室外气候条件对冷负荷的影响较少，相比于目前的室外设计数据和方法，通过当地的建筑和工程实践。
ZogouandStamatelos提供了一个关于气候条件对热泵系统影响的讨论，并且指出气候条件显著改变了热泵系统的性能，这显著导致了一个情况就是家庭可能取暖或制冷。
这个选择作为征求各界对可持续发展的理由。
Lam研究了气候对建筑物空调上的消耗能量影响后发现并预报每年的冷负荷，最高冷负荷和每年的电力消耗以14的速率增加。
Bulutetal.采用了土儿其最新的制冷和加热数据。
他们使用了当前的本地区的数据来研究且发表在他们的研究中，为了评估出气象数据字在制热和制冷负荷上的影响。
他们发现这个原因在制热和制冷上升到25和32。
室外设计条件相应的规范水平在美国的几个城市中最先发展，然后在通过美国供暖，制冷和空调工程师协会发展起来。
气象数据包括干球温度、湿球温度以及露点温度，它们的数值在一定形式上必须一致，同样还有相应的湿度。
这些设计数据就是室外空气条件，它们超越了一个特殊时期段。
温暖的季节温度和湿度条件相
符的年度百分值是0.4，1.0和2.0。
冷季条件是基于关于年度百分的99.6和99.0。
这些0.4％，1.0％和2.0％的年度代表的数值发生或超过的一共有35h，88h和175h，分别是，平均来说，每一年，在这段期间的纪录。
在实际应用中主要依据风险水平做为选择的频率。
代表气候设计数据数频率发生还将使设计者能考虑各种业务高峰期的条件。
本设计的主要目标是探讨在空调系统中选择室外设计条件产生的影响。
该分析共分三个主要步诹。
第一步，利用不同的室外设计条件，例如ASHRAE给出的数据和在土尔其工程师们给出的数据，针对同一个建筑，计算出其总负荷。
第二步，为一样的建筑物依据设计选型全空气中央空调设备，各项户外设计条件考虑在研究中。
最后，分析了在制冷季节的空调系统的费用消耗。
2描述该样本建筑
为了进行分析，一所高中的建筑物被选中。
这所样本建筑物位于土尔其的阿达纳。
阿达纳，农业和工业中心，全国第五大城市，靠近地中海。
它是炎热和潮湿的制冷季节。
样本房间有三个几乎一样的地板。
图1显示了第一层的建筑平面图。
总的建筑物面积是1628MM，墙的外表面是浅色的，最长的墙面是北墙和南墙。
样本建筑被用做高校，使用时间是08：
00到17：
00。
这所学校有224个学生，15个教师，4个官员和3个劳工。
这个建筑物有14个教室，3个实验室5个办公室，1个图书馆，1个计算机房和3个走廊。
整个建筑符合土尔其国家标准TS-825的热绝缘规定，图1显示了这个建筑外层的传热
图1样本建筑建筑平面图
表1样本建筑维护结构传热系数（U）
外墙地面屋顶窗户
U（w/（m2k）0.7380.5080.7572.8
3室外设计条件
在分析中，采用阿达纳的各种户外设计工况数据。
详细的数据由表2给出。
正象表中显示的那样，有五个数据规定。
第一个数据规定是被土尔其工程师使用的当前的室外设计条件。
第二和第三个数据规定是满足系统冷凝和蒸发的室外设计条件，依据ASHRAE规定的分别在0.4，1和2的频率下。
第四个数据设定是最个干球温度和最大湿球温度，它们是由ASHRAE分别在0.4，1和2的频率下给出的。
最后一个数据设定是以7月21日作为设计日的每日最高干球温度，其中的计算的气象数据取自于土耳其国家气象服务中心。
表2土耳其亚达那不同室外设计条件
序数数据集描述数据集名称风险水平干球温度湿球温度
1当前设计当前-38.026.0
2ASHRAE-制冷ASHRAE-040.436.121.6
ASHRAE-1134.621.8
ASHRAE-2233.222.3
3ASHRAE-蒸发ASHRAE-EVAP-040.431.726.0
ASHRAE-EVAP-1130.525.4
ASHRAE-EVAP-2229.924.9
4ASHRAE-最大ASHRAE-MAX-040.436.126.0
ASHRAE-MAX-1134.625.4
ASHRAE-MAX-2233.224.9
5日常-最大日常最大—35.224.1
4空调系统
样本建筑物采用了全空气定风量空调系统。
这个系统主要由空气处理单元，空气冷却设备，供回风机，管道和控制器件组成。
图2是一个完整的中央空调空气处理系统典型的运行方式。
回风与经空气处理设备处理过的新风混合，然后经过空气冷却设备，室外空气比回风要热和湿一些。
因此，这个冷却过程主要包括冷却和除湿，被处理过的空气离开空气冷却器到达状态点（S）。
经处理过的空气源源不断的送入需要被空调的房间，到达状态点（R），完成整个循环。
图3在图表上显示了夏天空调系统处理过程的各个状态点。
图2全空气空调系统的空气流动示意图
图3夏季空调运行时焓湿图上对应的空气状态点
5计算冷负荷
为了设计和选择空调系统的形式，确定这个建筑物的热负荷和冷负荷很重要。
天气数据对计算正确的负荷很重要。
然而，选择大部分正确的数据可能是一个困难的问题。
传统的负荷计算方法是分成两部分进行，是最高负荷判断和年负荷。
每个周期的天气数据模拟计算，负荷判断和天气元素是相互关系，也就是温度，太阳的放射线，湿气含量，等等，但很难被考虑。
年天气数据被用来参考年负荷计算，对于详细的负荷变化由于数据时期的短小无法取得数据。
一个建筑的冷负荷由通过建筑围护结构的外部负荷和来自人，灯光，器械和其他的热来源产生的内负荷两部分组成。
为了设计和选择一个合理型号的空调系统，每个地域的的最大冷负荷一定是基于设计日子，包括室内和室外设计条件。
在这项研究中，建筑物的室内条件选用作50的相对湿度和26度干球温度。
RTS方法被用做计算冷负荷。
RTS方法，被Spitleretal.介绍在2001ASHRAE手册原则7是一中新的单一化方法设计冷负荷计算而且它是起源于“热平衡方法”。
该样本建筑物的总冷负荷和部分冷负荷和显热比的计算是利用当前的室外设计数据（表2）给出的在表3列明的不同的小时。
从这个表中可以看出该建筑物的冷负荷最大值（127.51KW）发生在14：
00，总计的冷负荷的39%的负荷来源于窗户，16%是来自于围护结构，剩余的部分是来自于内在的热源。
该样品建筑物每小时的冷负荷是利用不同的户外设计数据组计算出来的，通过图表4可以看出来冷负荷受到了那些被挑选的天气数据组的影响，虽然趋势是相同的。
最大值冷负荷是通过当前数据组获得。
它是根据被ASHRAE推荐的冷却和蒸发温度数据组波动。
DAILYMAX和ASHRAE-1数据组产生几乎一样的结果。
户外最大设计冷负荷和SHR是参考表4给出的数据计算的，最大设计冷负荷（127.51KW）是通过当前数据组算出的。
表4也表明了比率设计冷负荷依据设计冷负荷也是从当前组获得的。
设计冷却负荷用ASHRAE_04、ASHRAE_1ASHRAE_2ASHRAE_EVAP_04ASHRAE_EVAP_1和ASHRAE_EVAP_2是在2%、4%、7%、9%、11%和12%比当前数据组算出负荷分别要少。
DAILYMAX数据组情况下，设计负荷要比当前组少4%。
SHR几乎不依赖数据组变化，它在有的组是大约0.88（表4）。
运行期间的总冷负荷的天气相关的负荷的比例的变化示于图5。
从图中可以看出，天气相关组件构成的总负荷的50％左右。
6使用不同室外设计条件的空调设备性能的计算
鉴于以上给出建筑物的最大冷负荷（Qroom）和SHR计算出冷却盘管的最大设计容量（Qcoil,max）和最大供应空气比率（Mtot），最小新选空气流量（Mout）要求和供应空气温度作为输入参数。
在计算过程中规定一个迭代办法，一个计算机程序[11]为此被编写出来。
在计算中，被供应温度的空调房间设定为16度，根据ASHRAE标准62[12]通风率要求，该样本建筑物的最低新鲜空气通风要求为7000平方米每小时。
表格5给出了冷却盘管的设计量（Qcoil,max），本研究中所有室外设计条件参考的总的新风流动比率（MtotandMout）和混合比（U=Mout/Mtot）。
通过这个表可以看出冷却盘管的负荷设计（184.05kW）和总的混合风流速（39525kg/h）都是以当前数据组取的最大值。
表格5也给出了冷却盘管的设计能力与最大设计能力的比率，它是建立在当前数据组的基础上，以及最大混合风的比率，在考虑了所有室外设计条件的基础之上。
通过表格5可以看出ASHRAE数据组（ASHRAE_04，ASHRAE_1和ASHRAE_2）情况下冷负荷产生了最小冷盘管负荷。
通过这些数据组比较，这个冷却盘管的设计能力比当前的数据组少了21%。
在DAILYMAX数据组情况下，通过七月21日的往年最大干球和最大湿球温度设计出来的冷却盘管的负荷比当前数据组低了11%。
值的注目的是结果之一是表格5给出的结果，它显示了从ASHRAE设计情况（ASHRAE_MAX_04为0.4水平线挑选出的最大干球和湿球温度计算出的冷负荷大约等有当前数据组获得的设计冷负荷。
这表明了土尔其（CURRENT）当前的设计数据来源与最大干球温度和最大湿球温度。
除此之外，当数据组互相比较后，考虑最大值供给空气流程率（Mtot），最高块流程率还是来源于当前数据组。
因此，可以得出结论就是目前在土尔其为设计和选择空调系统的室外设计条件基本上是严格的。
暖通空调设备设计负荷过大不符合经济性原则，因为它会导致空调系统初次投资和经营成本同时增加。
7空调系统成本分析
在这部分的研究中，全空气中央空调系统的成本分析数据来源于ASHRAE_04、ASHRAE_1和ASHRAE_2数据设定。
当前数据组产生的负荷只与ASHRAE_04,ASHRAE_1和ASHRAE_2数据集相比较，因为依据它们设计的冷却盘管负荷比其他数据组的低一些。
空气处理机组（AHU）和制冷系统是从当地的暖通设备供应商中挑选出来的。
空气处理机组包含风扇，冷却盘管，过滤器，混合和排气装置。
该机组对空气流动速率采集的数据值是40000KG/H。
在空气处理机组中给风机和回风机需提供的电源分别是15千瓦和12.5千瓦。
对于空调系统，在整个系统运作时质量流是连续的，因此，即使是部分负荷的情况，风机也需要最大的电源。
对于目前的设计数据组，额定工作条件下（38_C冷凝器空气入口温度，10_C蒸发器入口和6_C出口温度）的制冷机系统的净冷却能力为185千瓦和该单元的功率要求为80千瓦。
该机组的压缩机是一个按比例控制系统负荷运作的单位。
很明显，这是众所周知的压缩机根据不同的冷却负荷在实际运行中通常部分运行。
每当操作负荷低于设计负荷，制冷机组中的压缩机就按比例相应减少制冷能力，为了节省能源。
在案例ASHRAE_04、ASHRAE_1和ASHRAE_2中，制冷系统额定操作条件下净产冷量是146千瓦，而电力需要是66千瓦。
压缩机在制冷系统中分四个部分按比例控制其为部分负荷运作。
空调系统的经营成本在有风机和制冷机组的电力消耗。
阿达纳的供冷期是184天，从4月15日到9月15日。
中央空调系统的每日运行时间是9小时（从8：
00到17：
00）。
电力价格是0.10元/千瓦每小时。
在这项研究中，Aktaciretal.[13]等人给出了程序用于计算空调系统的季节性经营成本。
首先，使用每小时冷却负荷（Qcoil）的冷却季节冷却盘管制冷情况是21天，计算逐时冷负荷需要每小时室外空气数据。
利用Bulutetal.[14]给出的气象数据模型可以把每小时气象数据计算出来。
超出21天以外的冷却日子不用计算负荷。
因此，基于小时计算的每个月21天的负荷得出，由辛普森积分法和季节平均值计算出了冷却盘管的逐时冷负荷（Qcoil,av）。
其次，制冷机组的制冷性能和室外空气温度的变化和COP的承担的部分负荷变化被考虑进来。
部分负荷比被定义为：
PLR¼Qchil=Qchil;full
（1）
这里Qchil是制冷机的逐时冷负荷，大约等于冷却盘管每小时的负荷（Qcoil），Qchil,full是冷凝器的全部冷负荷。
自动控制系统的制冷机组，将依靠PLR的值为压缩机选择一个合适的操作步骤。
在制冷季节的21个月里，利用生产商和室外逐时温度提供的数据通过在电源（Pchil）要求下控制室外逐时冷负荷（Qchil）来决定是满负荷还部分负荷运转。
利用辛普森积分法可以把平均季节冷负荷（Qchil,avandPchil,av）计算出来。
利用冷却盘管的冷负荷（Qchil,av）求出的平均季节冷负荷（Qchil,full,av）和季节平均每小时部分负荷比（PLRav），压缩机的季节平均负荷（STav）被测定出来。
最后，从Qchil,av,Pchil,av运行时的相应负荷，可以计算出季节性能源的消耗，也就是，制冷机组的经营成本。
表6和表7分别给出了制冷机组在当前组和ASHRAE_04ASHRAE_1andASHRAE_2的季节平均运营成本。
季节平均每小时部分负荷比（PLRav），季节平均每小时运行台数（STav），季节平均每小时电能消耗（Pchil,av）也都在表中给出。
制冷机组的压缩机在实际运行中通常处于部分负荷运行情况，因为冷负荷的变化。
从表6可以看出，从选定的当前组制冷系统的运行1小时，在第2步（25-50％），4h在第3步（50-75％）及四小时在第4步（75-100％）。
在样本ASHRAE_04ASHRAE_1，4andASHRAE_2组中，制冷系统运行1小时，在第2步（20-40％），4h在第3步（40-60％）和5h在第4步（60-80％）。
因此，制冷系统在整个制冷季节从来没有满负荷运转过。
空调系统的初始和总经营成本列于表8。
根据ASHRAE组数据计算的空调系统，其初始投资比当前组数据设定的系统减少了8%。
不过，依据当前组数据设定的空气处理系统在实际运行中与按比例控制的基本上没有区别。
这是因为制冷系统的压缩机是根据负荷的大小按比例来进行运行的这一事实。
但是，如果制冷机组与负荷是已选定而不是按比例运行的，则其运营成本比当前组低了大约5%。
当该控制系统与同一设计数据比较时，它的开关控制系统的运营成本比当前组数据大12%，比按比例控制的ASHRAE数据组大6%。
在计算开关系统在实际运行时的经营成本时，假设最高启动负荷比额定的高5倍。
8结论
在这项研究中，室外设计条件对空调系统系统和冷负荷的影响被研究出来了。
很明显可以看出来室外气候条件是计算冷负荷的一个因素。
在土尔其阿达纳的样本建筑物的大约一半的冷负荷来源于建筑物围护结构，受天气影响很重。
研究结果表明，目前土尔其使用的用来设计和选择空气空调系统的户外设计条件一般都很严格。
暖通空调设备设计负荷过大不符合经济原则，因为它会导致空调系统初次投资和经营成本同时增加。
可以看到，制冷机组的控制系统是一个空调系统重要的组成部分，是一个节省能源很重要的方面。
根据实际经营条件，暖通空调系统运行于部分负荷，因此，能效高的设备应该被选中。
工程师和建筑设计师应该选择和评估适当的户外设计条件，在可接受的风险水平之下根据他们的应用选择最佳的空气调节设备。
在暖通空调系统的设计和选型阶段，设计师和工程师和工程师也应考虑超负荷情况。
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