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熱平衡技術(shù)在建筑能耗節(jié)能中的應(yīng)用研究
文章來源:地大熱能 發(fā)布作者: 發(fā)表時間:2022-06-22 10:43:42瀏覽次數(shù):2040
我國建筑能耗現(xiàn)狀可以概括為“建筑能源消耗水平低、能源浪費嚴重、用能效率不高、能耗增長潛力大”。目前,我國城市綜合體節(jié)能形式非常嚴峻。這主要表現(xiàn)在:一方面新建公建中城市綜合體的比例不斷提高,面積越來越大、檔次越來越高。另一方面,既有城市綜合體經(jīng)過十幾年的運行,相繼進入大修改造期,片面的追求技術(shù)上“三十年不落后”、理念上“與國際接軌”等,忽視綜合體自身在招商、運營等方面的特性,往往會導致能耗的大幅增加而得不償失。
國內(nèi)城市綜合體的能耗
大量調(diào)查研究表明,與采暖能耗不同,公共建筑除采暖外的單位面積能耗跟地域的關(guān)系不大,而是跟公共建筑的體量和規(guī)模相關(guān) ̄。統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明,單棟面積超過2萬平米、并且采用中央空調(diào)的大型公共建筑,其單位建筑面積能耗是單棟建筑面積小、不采用中央空調(diào)的小型公共建筑的3-8倍,并且其能耗特點與存在的問題也與小型公共建筑不同m。大型公共建筑單位建筑面積折合電耗指標為70-300kWh/(m2·a),中小型公共建筑單位建筑面積折合電耗指標為50-70kWh/(m2·a)。
辦公樓能耗現(xiàn)狀
辦公類建筑一般每周運行五天,每天運行9-12小時,平均運行時間約10小時,全年使用時間約為200-250天。周末時通常只有局部樓層或區(qū)域在使用。不同辦公類建筑的能耗差異也比較大,產(chǎn)生這種差異的原因是因為辦公樓的檔次、位置。檔次越高的辦公樓單位面積能耗越高。而越是靠近市中心的辦公樓因為租價高昂,人員密度越高,所以單位面積能耗也明顯高于郊區(qū)。在辦公樓所用電量中,空調(diào)系統(tǒng)所占比例最大,達40%-50%,其次為辦公用電,包括照明和辦公設(shè)備,如打印機、電腦,電梯在上下班高峰期使用率較高,其它時間使用率并不高。耗能占比不大,一般都在5%以內(nèi)。
商場能耗現(xiàn)狀
商場類建筑一般面積較大,層高5-6m,新建建筑往往有多層挑空空間,屋面采用自然采光,平均每日運行12小時以上,全年運行,能耗比辦公類、酒店類建筑高出較多。商場類建筑通常包括百貨商場、超市、書店、服裝店、餐飲店、影院、冰場、兒童樂園等功能組成。在各功能區(qū)中,以餐飲店的能耗為最高,年每平米耗電量高達300-500kWh/(m2·a)。超市都配有大量的冷藏設(shè)施、設(shè)備,通常也有簡單的烹飪攤位,年每平米耗電量也達300kWh/(m2·a)左右。商場類建筑建筑面積體量較大,通常達5萬m2以上,大型商場建筑面積甚至達30多萬m2。
酒店能耗現(xiàn)狀
酒店類建筑與的特點與辦公類、商場類建筑有非常大的差別。酒店都是24小時營業(yè)的,不同功能區(qū)的使用時間差別很大,如客房主要是在晚上使用率較高,宴會廳主要使用時間段為中午和晚上,一般以晚上居多,全日餐則早中晚使用率都比較高。
大多數(shù)時間酒店設(shè)施設(shè)備都是在部分負荷下工作。但不同類型的用能能耗是不同的,如在酒店類建筑的全年能耗中,照明、動力的電耗基本上是穩(wěn)定的,而供冷、采暖能耗則是隨著季節(jié)而波動的。
目前國內(nèi)城市綜合體節(jié)能技術(shù)存在的問題
統(tǒng)設(shè)備容量普遍偏大。目前國內(nèi)城市綜合體的機電系統(tǒng)通常是按照每種建筑類型分別配置一套。這種配置存在的問題是每套系統(tǒng)的設(shè)備容量均按該類型建筑的最大計算負荷選取,導致綜合體設(shè)備總?cè)萘科蟆?o:p>
熱回收范圍應(yīng)用窄。熱回收集中在排風、冷機冷凝熱、鍋爐煙氣余熱。在對排風進行熱回收時,通常選取客房排風、空調(diào)箱排風進行熱回收,對變壓器房、洗衣房等存在大量排風余熱的場所未回收,導致有相當大一部分熱量被浪費掉。
免費供冷使用率低。在新建項目中,冷卻塔免費供冷得到推廣,使用率在逐漸增大,但空氣側(cè)免費制冷應(yīng)用較少,即使是有應(yīng)用的項目,系統(tǒng)管路設(shè)計未按全新風工況進行設(shè)計,系統(tǒng)也僅能實現(xiàn)部分新風供冷。
采用多種冷熱源結(jié)合的復(fù)合式能源系統(tǒng)偏低。復(fù)合式能源系統(tǒng)是指區(qū)別于傳統(tǒng)的單一制冷/制熱系統(tǒng),通常由兩種或兩種以上制冷/制熱系統(tǒng)構(gòu)成,根據(jù)不同系統(tǒng)高效運行時段不同進行合理組合以提高能源效率的系統(tǒng)形式。
利用板式換熱器作為媒介,把辦公樓、酒店、商場之間的余熱/余冷進行轉(zhuǎn)移,與常規(guī)設(shè)計相比,避免了冷熱抵消帶來的能量損耗,減少了冷水機組的開啟時間,從而既節(jié)省了冷水機組的運行費用、又節(jié)省了冷熱抵消的能耗損失,更為節(jié)能。
將水環(huán)熱泵與冷水機組的冷卻水聯(lián)系起來,在已經(jīng)采用冷凝熱回收式冷水機組回收熱量的基礎(chǔ)上,把冷水機組的冷卻水與水環(huán)熱泵的水環(huán)聯(lián)系起來,對冷水機組的冷凝熱進行梯級回收利用。
建筑熱平衡理論
在工程熱物理中,當物體同外界接觸時,其內(nèi)部各處溫度均勻且等于外界溫度的狀態(tài)稱之為熱平衡。用公式表示為Q吸=Q放,即吸收的熱量等于放出的熱量。
當熱平衡處于一個動態(tài)變化過程中時,稱之為動態(tài)熱平衡。建筑物的熱平衡即是一種動態(tài)熱平衡。
建筑物為了滿足使用要求,必須處于某種溫度狀態(tài),且這種狀態(tài)受到內(nèi)外部因素的影響隨時在變化,隨著建筑外部溫度的變化,建筑內(nèi)部有些地方內(nèi)部產(chǎn)生的熱量不足以抵消向外散發(fā)的熱量,這些地方需要供暖;在同一時刻,建筑物內(nèi)部的另外一些地方則產(chǎn)生的熱量大于向外散發(fā)的熱量,這些地方需要供冷。將建筑物內(nèi)部按不同分隔空間分別計算,用Q代表分隔空間的冷熱負荷,冷負荷為正、熱負荷為負。建筑物對外的放熱或吸熱量表現(xiàn)為下列公式:
∑Q=Q1+Q2+····+Qn (2-1)
當∑Q>0時,建筑物整體表現(xiàn)為冷負荷,需要供冷,反之,則表現(xiàn)為熱負荷,需要供暖。
設(shè)E代表能耗,ε代表能效比,E1ε1、E2ε2、····、Enεn可以用來代表Q1、Q2、…、Qn,∑E代表了建筑物的總能耗,即∑E代表的是各項Q所對應(yīng)能耗的總和。在以往的建筑機電系統(tǒng)設(shè)計中,通常是先對每一個Q進行處理,即如果Q〉0則開啟冷源供冷,如果Q<0則開啟熱源供暖。此時:
∑Q=|Q1|+|Q2|+....+|Qn| (2-2)
而根據(jù)熱平衡理論,則是先對Q1+Q2+····+Qn求代數(shù)和,由此可知:(2-1)的和小于等于(2-2)。
5-10月Q1、Q2、…、Qn均為正,即建筑物只有供冷需求,當城市綜合體處于另外6個月時間段內(nèi)時,則既有供冷需求、也有供暖需求。這就提示我們是否可以把內(nèi)部多余的冷量或熱量進行回收,轉(zhuǎn)移給需要供冷、或供熱的地方。考慮到當外部氣溫合適時,可以通過空氣側(cè)或冷卻水供冷,故將包裹在綜合體外部的大氣與綜合體視為一個整體,可將大氣視為一個熱容量無限大的容器,綜合體的吸熱、放熱都在這個整體范圍內(nèi)進行。這部分余熱量較大,還需利用室外溫度較低的空氣或冷卻塔直接供水給內(nèi)區(qū)降溫,這樣可以避免或降低冷熱源能量抵消帶來的能量損失。這里所說的內(nèi)區(qū)、外區(qū)不僅是針對單一建筑,在冬季時辦公樓全樓需要供暖,而商場內(nèi)區(qū)仍需供冷,所以此時的外區(qū)就包含了商場的外區(qū)、辦公樓全樓,甚至可以包括酒店,這種節(jié)能理念是建立在綜合體的整體和室外大氣的熱平衡上的。
建筑熱平衡技術(shù)分類
熱平衡就是通過自然冷卻或熱回收等技術(shù)把冷量、熱量在建筑內(nèi)部與室外或建筑內(nèi)部不同部位或不同建筑之間進行轉(zhuǎn)移的技術(shù)。是從整體上先對內(nèi)部冷熱進行平衡后,對不足或多余的冷熱量再通過開啟冷熱源進行補償?shù)?a href="http://mhkwt.com/t/技術(shù).html" >技術(shù)。常用的自然冷卻有空氣自然冷卻、冷卻塔免費供冷,這兩種技術(shù)都是在室外氣溫迖到一定數(shù)值時利用室外空氣直接或間接向室內(nèi)供冷的技術(shù)。
熱回收技術(shù)則較多,如排風熱回收、空氣源熱泵、冷凝熱回收、地源/水源熱泵、水環(huán)熱泵等,熱回收技術(shù)就是把室內(nèi)的冷量或熱量通過交換設(shè)備進行交換后,再次送回房間內(nèi)的技術(shù)。
從上述分析可以看出,熱平衡技術(shù)就是那些能夠利用自然冷熱源或建筑體內(nèi)熱回收的技術(shù),所有的熱平衡技術(shù)都是節(jié)能技術(shù),但節(jié)能技術(shù)不一定是熱平衡技術(shù),如應(yīng)用變頻器可以降低水泵、風機的運行能耗,是一種普遍使用的節(jié)能技術(shù),但其不屬于熱平衡技術(shù),熱平衡技術(shù)被包含于節(jié)能技術(shù)中。熱平衡技術(shù)按熱回收技術(shù)、自然冷卻技術(shù)分類如下:
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