中国金融信息大厦溶液调湿空调系统的节能分析.docx
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中国金融信息大厦溶液调湿空调系统的节能分析
中国金融信息大厦溶液调湿空调系统的节能分析
夏勇，孟海
（上海陆道工程设计管理有限公司）
摘要：
近年来中央空调系统的能耗占建筑总耗电量的40-60%，降低大型公共建筑的能耗，空调系统的设计上应给予足够的重视。
常规空调采用冷凝除湿的方法，要求冷源温度必须低于空气的露点温度，常规的空调只能采用5-7℃的冷水作为冷源才能保证除湿能力，而温湿度独立控制的溶液调湿空调系统采用供回水为14-19℃的冷水处理建筑的显热负荷，极大的提高了冷水机组的效率，其效率可以提高30%以上，而作为设计师更加关心整个空调系统的能耗，本文试对温湿度独立控制的溶液调湿空调系统进行能耗分析，以供设计师参考。
关键词：
溶液调湿系统能耗
EnergysavingoptimizationofliquiddesiccantairconditioningtechnologyinChinaFinancial
InformationBuilding
XiaYong，MengHai
（shanghailudaoco,ltd）
Abstrat：
Inrecentyears,energyconsumptionofcentralairconditioningaccountsfor40-60%ofthetotalpowerconsumptioninbuilding,designershouldbepayattentiontoenergyconsumptioninlargepublicbuildings.condensationdehumidificationmethodsrequirethattemperatureofcoolingwatermustbebelowthedewtemperatureofairinConventionalairconditioning,itcanonlyuse5-7℃coolingwaterascoldsource,liquiddesiccantairconditioningsystemuse14-19℃coolingwaterascoldsourcetosensibleheatinbuilding,whichgreatlyimprovestheefficiencyofchillers,theefficiencycanbeincreasedby30%,whilethedesignerismoreconcernedwiththeentireairconditioningsystemenergyconsumption,thepaperanalyzeenergyconsumptionofliquiddesiccantairconditioningsystemforreferencetodesigners.
Keyword：
liquiddesiccantairconditioning，systemenergyconsumption
1引言
随着社会经济的发展，目前公共建筑普遍采用中央空调系统。
采用中央空调系统后，室内舒适性提高了，同时也带来了能耗的大幅增加。
根据资料统计显示，我国大型公共建筑单位面积能耗100-300kWh，而空调系统的能耗在公共建筑的总能耗中占40%～60%[1]。
常规中央空调是采用冷冻除湿，降低空气温度从而使得空气中的水分凝结析出。
这种方式导致空调盘管表面潮湿，容易滋生各种细菌，成为生物污染源。
同时，这种冷冻除湿的方式，会将空气冷却到较低的温度，不仅使人感到不适，还造成了能源的浪费。
2项目简介：
中国金融信息大厦项目位于上海黄浦江第一层面陆家嘴金融贸易区，是根据中央要求和《国家十一五文化发展纲要》，保障我国金融信息安全，提高我国在世界资本要素市场话语权的“国家项目”，已列入国家发改委批准的国家核心工程、高薪技术工程、基础工程。
同时，也是上海按中央要求建设“两个中心”的重点项目。
工程总建筑面积约为69060m²，建筑设计高度为99.3m，建筑分类为一类高层。
地下4层、地上22层，地下主要是个设备机房和汽车停车库，建筑地上部分一层~四层为裙房，五层及以上为主楼。
3负荷计算
室外设计参数如下：
室外空气计算参数
夏季
冬季
空调计算干球温度（℃）
空调计算湿球温度（℃）
通风计算干球温度（℃）
34.6
-4
28.2
--
32.0
3
最热／冷月平均相对湿度（%）
83
75
大气压力（hPa）
1005.3
1025.1
室外平均风速（m/s）
3.2
3.1
室内设计参数如下：
区域
夏季（℃）
冬季（℃）
每人新风量
噪音
温度
相对湿度
温度
相对湿度
（m3/h.人）
NC
会议
25
50
20
≥40%
30
50
餐厅
25
50
20
≥40%
25
50
办公
25
50
20
≥40%
30
40
多功能厅
25
50
20
≥40%
20
50
演播厅
25
50
20
≥40%
30
40
大堂
28
50
20
≥40%
20
50
本工程定位为高档办公楼,公共建筑节能设计标准GB50189-2005中附录表B.0.5-1照明功率密度表中高档办公室照明功率密度值取18W/m²，表B.0.6-1不同类型房间人均占有的使用面积中高档办公室人均占有的使用面积为8m²/人，人均新风量取30m³/人，表B.0.7-1不同类型房间电器设备功率中高档办公室电器设备功率取13W/m²[3]，通过负荷计算得到整个大楼的冷负荷为6100kW,其中新风负荷占1440kW，中国金融信息大厦空调面积为4万m²,冷负荷和新风负荷指标分别为152.5W/m²和36W/m²，室内负荷4660kW，其中室内显热负荷为4045kW，室内潜热负荷615kW，各冷负荷指标分类见表1。
表1冷负荷指标分类
新风负荷指标
W/m²
室内全热负荷
合计
W/m²
室内显热负荷指标W/m²
室内潜热负荷指标W/m²
36
101.1
15.4
152.5
4溶液调湿空调系统的节能分析
国家已经将节能减排纳入各地经济社会发展综合评价体系，并作为政府领导干部综合考核评价和企业负责人业绩考核的重要内容，为了响应国家技能减排政策，业主对本工程的空调系统提出了较高的要求，即要求本工程空调系统工程具有很好的节效果，同时也要求室内良好的空气品质。
而溶液除湿系统刚好兼具这两个优点，溶液调湿空调系统采用供回水为14-19℃的高温冷水处理建筑的显热负荷，极大的提高了冷水机组的效率，其效率可以比常规空调系统提高30%以上，从空调设计师角度来讲，更关注的是在设计工况下的整个空调系统的能效，因为干工况的风机盘管的输送能效比远低于常规空调系统，采用溶液调湿新风机组由于里面自带热泵系统，他的能耗远远大于常规系统中的新风机组，所以溶液调湿系统与目前的常规系统相比是否具有如此的节能优势，有待进一步讨论。
4．1比较分析的基础和条件
本工程功能定位为办公，办公建筑空调系统一般采用风机盘管加新风系统，所以本文的比较分析过程中，以风机盘管加新风系统为基准，常规的风机盘管加新风机组空调系统中风机盘管处理室内冷负荷，新风机组处理新风负荷—把新风处理到室内状态点的等焓点，处理过程这里不做详细的讨论。
主要涉及到的设备有：
冷水机组、水泵、冷却塔、新风机组、末端风机盘管机组等，常规的风机盘管加新风机组空调系统见图1。
温湿度独立控制的溶液调湿空调系统干式风机盘管只处理室内显热负荷，溶液调湿新风机组处理新风负荷和室内潜热负荷，其空气处理过程见图2。
主要涉及到的设备有包括高温冷水机组、水泵、冷却塔、溶液调湿新风机组、干工况风机盘管，温湿度独立控制的溶液调湿空调系统见图3。
图1常规风机盘管加新风机组空调系统图
图2溶液调湿空调系统空气处理过程图
图3温湿度独立控制的溶液调湿空调系统图
为了使得比较结果更具有广泛的意义，消除不同规格产品的性能差异所产生的性能差异，在分析过程中，将常规空调系统的风机盘管、冷却塔和温湿度独立控制的溶液调湿空调系统各设备的性能系数的算术平均值作为该设备分析比较用的标准性能系数，干工况风机盘管的性能系数和横流式冷却塔的性能系数详见文献[2]，其他设备的性能系数计算结果见表2～3,对于输送能耗：
水泵的输送能耗,按照ER（单位制冷量使水泵产生的能耗）为0.0241计算，公共建筑节能设计标准GB50189-2005中表5.3.27空气调节冷热水系统的最大输送能效比（ER）约定空调冷水管道为0.0241；对于空调通风系统,风机的输送能耗，按照相应风机的Ws值（单位风量耗功率）0.42来计算。
公共建筑节能设计标准GB50189-2005中表5.3.26风机的单位风量耗功率值中办公建筑粗、中效过滤的两管制定风量系统的风机Ws值为0.48[3]。
表2溶液调湿机组性能
机组规格
HVF-03
HVF-04
HVF-05
HVF-06
HVF-08
HVF-10
HVF-12
HVF-15
HVF-20
HVF-25
制冷量
59
79
98
118
158
197
235
295
394
490
电功率
14.6
19.2
23.2
27.4
36.8
45.1
53.5
73.6
90.2
106.9
性能系数
4.04
4.11
4.22
4.31
4.29
4.37
4.39
4.01
4.37
4.58
平均性能系数4.31
平均性能系数（实际工况）4.14
注：
表中参数来源于相关企业的产品样本。
额定工况下的回风量等于送风量，实际运行时回风量不应小于送风量的80%，实际性能系数乘以0.96。
从节能的角度考虑，常规空调系统中的冷水机组，选用比较先进节能产品COP=5.6的离心冷水机组，冷水机组在干工况下运行参数见表3
表3干工况下离心机组的性能
制冷量kW
1200
1400
1600
1800
2000
2200
2400
2600
2800
电功率kW
159
184
209
231
255
277
300
322
345
性能系数
7.55
7.61
7.66
7.79
7.84
7.94
8
8.07
8.12
制冷量kW
3000
3200
3400
3600
3800
4000
4400
4800
5200
电功率kW
375
396
418
446
469
489
538
585
629
性能系数
8
8.08
8.13
8.07
8.10
8.18
8.18
8.21
8.27
平均性能系数
7.99
注：
表中参数源于产品样本和企业提供的相关资料，表中冷水供回水温度为14-19℃。
4．2计算结果的分析和研究
根据上述各设备参数的分析结果和各冷负荷指标，最大负荷指标情况下（负荷指标为152.5W/m²），计算单位建筑面积的系统的耗电指标，见表6
表4最大负荷情况下空调耗电指标计算结果
末端
W/m²
冷源
W/m²
冷水输送
W/m²
新风机组
W/m²
冷却塔
W/m²
合计
常规系统（COP=5.6）
2.90
27.2
7.36
1.8
0.64
39.9
溶液调湿空调系统
4.36
12.65
4.86
12.4
0.42
34.69
注：
表中计算值为各对应处理的负荷指标除以各设备的性能系数，冷水输送耗电指标包括了冷却水的输送所消耗的能源。
节能率a=（常规系统能耗-溶液调湿系统能耗）/常规系统能耗得,根据表6的计算结果和节能率公式得a=（39.9-34.69）/39.9=13.06%，得到在最大负荷情况下（负荷指标为152.5W/m²），温湿度独立控制的溶液调湿系统比常规系统节能13.06%。
而事实上，机组在满负荷运行的时间不到2%，在相当多的情况下，冷水机组处于部分负荷运行状态，因此仅仅得到最大负荷运行情况下的节能率，意义就不是很大，有必要对部分负荷情况下对系统的能耗做出比较分析。
因为本大楼为办公楼,上班时间人员密度基本不变，人员负荷在设计温度下显热负荷按58W/人，潜热负荷按123W/人[4]。
把室内显热冷负荷分类进一步分类，室内设备负荷和人员显热负荷不会随着室外气象参数而改变，把这一部分的负荷叫做不可变化负荷，而围护结构等的造成负荷会随着室外气象参数改变而改变，把这一部分的负荷叫做可变化负荷，同时新风负荷也会随着室外气象参数变化而变化，为了减少计算，先假定新风负荷和可变化显热负荷随着室外气象参数等比变化，得到75%负荷情况下冷负荷指标为114.4W/m²，其冷负荷指标分类见表5，计算单位建筑面积的系统的耗电指标见表6.
表575%冷负荷指标分类
新风负荷指标
W/m²
室内全热负荷
合计
W/m²
室内显热负荷指标W/m²
室内潜热负荷指标W/m²
可变化的负荷不变化的负荷
22.05
38.6538.3
15.4
114.4
注：
表中不可变化负荷=照明密度指标+电器设备指标+人员显热负荷指标
表675%负荷情况下空调耗电指标计算结果
末端
W/m²
冷源
W/m²
冷水输送
W/m²
新风机组
W/m²
冷却塔
W/m²
合计
常规系统（COP=5.6）
2.18
20.43
5.51
1.8
0.48
30.4
溶液调湿空调系统
3.31
9.63
3.71
9.05
0.42
26.12
注：
计算方法同表4，节能率a=（30.4-26.12）/30.4=14.1%，冷源在部分负荷
情况下效率假定不变。
50%负荷情况下冷负荷指标为76.25W/m²，其冷负荷指标分类见表7，计算单位建筑面积的系统的耗电指标见表8.
表750%冷负荷指标分类
新风负荷指标
W/m²
室内全热负荷
合计
W/m²
室内显热负荷指标W/m²
室内潜热负荷指标W/m²
可变化的负荷不变化的负荷
8.22
14.3338.3
15.4
76.25
注：
表中不可变化负荷=照明密度指标+电器设备指标+人员显热负荷指标
表850%负荷情况下空调耗电指标计算结果
末端
W/m²
冷源
W/m²
冷水输送
W/m²
新风机组
W/m²
冷却塔
W/m²
合计
常规系统（COP=5.6）
1.45
13.62
3.68
1.8
0.32
20.87
溶液调湿空调系统
2.27
6.59
2.54
5.71
0.22
17.33
注：
计算方法同表4，节能率=（30.4-26.12）/30.4=16.96%，冷源在部分负荷
情况下效率假定不变。
25%负荷情况下冷负荷指标为38.13W/m²，其冷负荷指标分类见表9，计算单位建筑面积的系统的耗电指标见表10.
表925%冷负荷指标分类
新风负荷指标
W/m²
室内全热负荷
合计
W/m²
室内显热负荷指标W/m²
室内潜热负荷指标W/m²
可变化的负荷不变化的负荷
-5.68
-9.9038.3
15.4
38.13
注：
表中不可变化负荷=照明密度指标+电器设备指标+人员显热负荷指标
表1025%负荷情况下空调耗电指标计算结果
末端
W/m²
冷源
W/m²
冷水输送
W/m²
新风机组
W/m²
冷却塔
W/m²
合计
常规系统（COP=5.6）
0.73
6.81
1.84
1.8
0.16
11.34
溶液调湿空调系统
1.22
3.55
1.37
2.35
0.12
8.61
注：
计算方法同表4，节能率=（11.34-8.61）/11.34=24.1%，冷源在部分负荷
情况下效率假定不变。
5结论
综上所叙，中国金融大厦使用温湿度独立控制的溶液调湿空调系统比常规的空调系统分在100%，75%，50%，25%负荷情况下分别节能13.06%，14.1%，16.96%，24.1%，可以清晰看出温湿度独立控制的溶液调湿空调系统比常规的空调系统有较大的节能潜力，并且在部分负荷的情况，其节能效果能加明显，同时不难发现其原因是在部分负荷下室内显热负荷所占比例更高。
为了能够更准确评价其节能效果，在这里效仿公共建筑节能设计标准GB50189-2005中IPLV的公式引入一个概念—综合节能率A。
综合节能率A=2.3%*A+41.5%*B+46.1%*C+10.1%*D
式中A:
100%负荷情况的节能率；B:
75%负荷情况的节能率；
C:
50%负荷情况的节能率；D:
25%负荷情况的节能率；
A=2.3%*13.06%+41.5%*14.1%+46.1%*16.96%+10.1%*24.1%=16.4%
得到综合节能率A为16.4%，考虑到高温冷水组比低温冷水机组在部分负荷下有更好的运行曲线，而且在同样的地点,冬季或过渡季均利用冷却塔供空调冷水,对于溶液调湿度空调系统来说,只要室外空气的湿球温度不大于12℃左右就能现；而对于常规系统来说,则需要室外空气的湿球温度不大于3℃左右才能实现，显然前者所减少的冷水机组运行时间比后者多得多[2]。
所以实际的运行过程中，温湿度独立控制的溶液调湿空调系统的节能率应该大于16.4%。
鉴于温湿度独立控制的溶液调湿空调系统如此好的节能效果和室内良好的空气品质，尽管初投资有所提高，中国金融信息大厦业主最终选择了温湿度独立控制的溶液调湿空调系统，同时本文给出了一种评价空调系统节能率的方法和提出了综合节能率的概念，供各位空调设计师参考。
参考文献
[1]李召泼，张小松，吴智深.大型公共建筑中央空调的节能与监控.建筑节能，2010，（3）：
63-65；
[2]潘云刚.基于溶液调湿处理新风的温湿度独立控制系统与常规空调系统设计能耗的比较分析.暖通空调，2011，（5）：
5-8；
[3]中国建筑科学研究院，中国建筑业协会建筑节能专业委员会.GB50189-2005公共建筑节能设计标准.北京:
中国建筑工业出版社,2005；
[4]建设部工程质量安全监督与行业发展司，中国建筑标准设计研究所.全国民用建筑工程设计技术措施（暖通空调·动力）.北京:
中国计划出版社，2003；
[5]陈晓阳，刘栓强等.溶液调湿空气处理技术的研究进展.暖通空调，2011，
（1）：
21-27；
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