CN105371423B - 基于湿日数的温湿度独立控制空调系统设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于湿日数的温湿度独立控制空调系统设计方法。目前基于降温的度日数概念和降温负荷峰值的普通空调系统设计，降温与除湿同时进行，很难适应室内热湿比的大范围变化。本发明提出了涵盖度日数的湿日数的概念，以涵盖建筑降温和除湿的要求，并计算降温除湿的负荷峰值和相应的总负荷；还提出基于湿日数的总负荷的温度和湿度独立控制方式空调系统的空调能耗量计算方法，与目前普通空调系统采用低温冷凝降温除湿控制方式的能耗量相比的节能效果分析，及两种控制方式的空调系统设备投资比较，形成建筑工程的温湿度独立控制空调系统设计方法。本发明实现了空调系统节能效果明显、设备投资合理的基于湿日数的温湿度独立控制空调系统设计。

Description

基于湿日数的温湿度独立控制空调系统设计方法

技术领域

本发明涉及建筑温、湿舒适度和建筑节能领域，具体地说是一种基于湿日数的温湿度独立控制空调系统设计方法。

背景技术

当今世界能源短缺和生态环境恶化日益突出，节能减排是可持续发展的重要方面，建筑能耗是与工业能耗、交通能耗并列的三大社会能耗。改善建筑室内舒适度的主动调控方式和用能是建筑能耗的重要构成，例如建筑物冬季采暖升温和夏季空调降温。涉及建筑室内舒适度的参数包括温度和湿度，目前基于降温的“度日数”概念和降温负荷峰值的普通空调系统设计，采取低温冷凝除湿对空气进行处理的方式同时对室内温度、湿度进行调控，是根据建筑最大热负荷峰值进行空调设备选型。降温与除湿同时进行，很难适应室内热湿比的大范围变化，且在不同气候区域(涉及建筑室外气温和湿度的影响)、不同建筑类型(涉及建筑室内人员、设备对温度和湿度的影响)均采用低温冷凝除湿处理方式时，或者造成室内相对湿度过高，或者通过降低室温来改善热舒适度而造成空调系统能耗增加。

即使是在不同气候区域，不同类型、不同规模的建筑中采用温度和湿度独立控制方式空调系统，也需要相应负荷分析、不同控制方式的设备性能分析、总能耗比较和节能效果分析、不同控制方式的配套应用系统设备投资增量的比较，进一步确定该建筑工程是否适合采用温湿度独立控制空调方式替代普通空调系统低温冷凝除湿处理空调方式，以及设计选择何种温湿度独立控制空调设备系统、运行方式，从而达到降低能耗和合理投资的目的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术存在的缺陷，提供一种在夏季和过渡季的南方高温高湿地区，在保证建筑室内温度、湿度的同时，实现空调系统节能效果明显、设备投资合理的基于湿日数的温湿度独立控制空调系统设计方法。

为此，本发明采用的技术方案如下：基于湿日数的温湿度独立控制空调系统设计方法，其步骤如下：

1)建立空调年“湿日数”概念，以夏季空调室内设计参数温度为26摄氏度、相对湿度60％时对应的含湿量12.79g/kg干空气为基准，年“湿日数”定义为一年中当某天室外日平均含湿量高于12.79g/kg干空气时，将该日平均含湿量与12.79g/kg干空气的差值数乘以1天，所得出的乘积的累加值，其单位为g/kg干空气·d，d为天数，大于该数值的即表示该日人体感觉热湿或者闷湿，必须降温除湿或者必须除湿；

2)在上述“湿日数”的基础上，增加设置“干燥高温度日数”，即含湿量低于12.79g/kg干空气、平均气温高于26℃的天数，不需除湿，但是必须降温；

3)依据闷湿过渡季及高温潮湿夏季的长短，计算得到全国各个城市的年“湿日数”天数、年“湿日数”，绘制相应各个城市的年“湿日数”及其天数的数据表格及数据柱状图；依据干燥高温季节长短，计算各个城市的年“干燥高温度日数”，叠加到“湿日数”的天数上，即叠加到数据柱状图上；同时列入通常建筑空调设计采用的“度日数”概念相关数据进行比较；

4)依据年“湿日数”和“干燥高温度日数”概念，针对处于不同城市的不同类型公共建筑的具体某幢建筑，计算其室外新风降温的显热负荷、新风除湿的潜热负荷、室内降温的显热负荷、室内除湿的潜热负荷及空调总负荷；

5)理论的、完全的温湿度独立控制空调系统将上述空调总负荷划分为：由高温冷源机组系统承担室内降温的全部显热负荷和室外新风降温的显热负荷；由新风除湿机组系统输出等温的干燥新风，承担室外新风除湿的潜热负荷和室内除湿的潜热负荷；

由于目前空调的降温、除湿设备不具备上述完全温湿度独立控制功能，工程实际应用中的温湿度独立控制空调系统将上述空调总负荷划分为：由高温冷源机组系统输出冷水温度18℃，承担室内降温的部分显热负荷；由新风机组系统(例如溶液除湿系统)输出20℃的干燥新风，承担室外新风降温的显热负荷、新风除湿的潜热负荷、室内除湿的潜热负荷及室内部分显热；

6)依据上述“湿日数”的概念，针对处于不同城市的不同类型的公共建筑，计算基于“湿日数”和“干燥高温度日数”的空调总负荷，以及计算整个降温除湿季，新风除湿机组和高温冷源机组的单位建筑面积空调能耗；

7)依据上述“湿日数”和“干燥高温度日数”概念的空调总负荷，针对处于不同城市的不同类型的公共建筑，计算整个降温除湿季采用普通空调系统的单位建筑面积空调能耗，与上述采用温湿度独立控制空调系统的空调能耗比较，得到的差值为单位建筑面积的空调节能量；

8)利用上述不同城市、不同类型公共建筑的单位面积空调能耗差值，乘以相应建筑面积，得到采用上述温湿度独立控制空调系统的年空调节能量，再乘以设备系统的使用年限，得到采用温湿度独立控制空调系统使用全周期的总节能量，进而分析与总节能量相应的经济效益和节能减排的社会效益；

9)采用独立的新风溶液除湿机组，还可以利用高温冷源机组的废热或者可再生热源进行盐溶液浓缩再生处理，可进一步再降低新风溶液除湿机组的能耗；计算利用废热或者可再生能源相应节约的能量，并计入建筑的年节能量、使用全周期节能量、相应节能经济效益和节能减排的社会效益；

10)根据“湿日数”和“干燥高温度日数”概念的建筑空调总能耗及降温功率峰值、除湿功率峰值参数，可分别设计选择温湿度独立控制空调系统设备方案和普通空调系统设备方案，确定相应方案设备价格，比较两个不同设计方案的投资增量；

11)将该建筑的温湿度独立控制空调系统的总节能经济效益和投资增量比较，并结合考虑温湿度独立控制空调系统全周期的节能减排社会效益，最终确定该建筑是否合适应用温湿度独立控制空调系统。

本发明在保证建筑物的温、湿舒适度同时，提出了涵盖“度日数”的“湿日数”的概念，以涵盖建筑降温和除湿的要求，并计算降温除湿的负荷峰值和相应的总负荷；还提出基于湿日数的总负荷的温度和湿度独立控制方式空调系统的空调能耗量计算方法，与目前普通空调系统采用低温冷凝降温除湿控制方式的能耗量相比的节能效果分析，及两种控制方式的空调系统设备投资比较，形成建筑工程的温湿度独立控制空调系统设计方法。

附图说明

图1为过渡季节需要除湿的区域图。

图2为夏季需要降温除湿的区域图。

图3为夏季干燥高温需要降温的区域图。

图4为各典型城市年“湿日数+干燥高温度日数”天数和“度日数”天数柱状图。

图5为建筑面积均为1.21万平方米(商场、宾馆和办公)建筑的建筑立面图和平面图，建筑体型系数为0.18(图5-1为办公和宾馆的建筑标准层平面图，图5-2为办公和宾馆的建筑南立面图，图5-3为商场的建筑标准层平面图，图5-4为商场的建筑南立面图)。

图6为各典型城市基于“湿日数+干燥高温度日数”和“度日数”的商场建筑空调总负荷柱状图。

图7为各典型城市基于“湿日数+干燥高温度日数”和“度日数”的宾馆建筑空调总负荷柱状图。

图8为各典型城市基于“湿日数+干燥高温度日数”和“度日数”的办公建筑空调总负荷柱状图。

图9为各典型城市商场建筑降温除湿季温湿度独立控制空调系统能耗柱状图。

图10为各典型城市宾馆建筑降温除湿季温湿度独立控制空调系统能耗柱状图。

图11为各典型城市办公建筑降温除湿季温湿度独立控制空调系统能耗柱状图。

图12为各典型城市商场建筑按照“湿日数+干燥高温度日数”负荷的两种空调系统能耗比较柱状图。

图13为各典型城市宾馆建筑按照“湿日数+干燥高温度日数”负荷的两种空调系统能耗比较柱状图。

图14为各典型城市办公建筑按照“湿日数+干燥高温度日数”负荷的两种空调系统能耗比较柱状图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明做详细说明。

空调的年“湿日数”定义：以夏季空调室内设计参数温度为26摄氏度、相对湿度60％时对应的含湿量12.79g/kg(干空气)为基准，年“湿日数”定义为一年中当某天室外日平均含湿量高于12.79g/kg(干空气)时，将该日平均含湿量与12.79g/kg(干空气)的差值数乘以1天，所得出的乘积的累加值，其单位为g/kg(干空气)·d。大于该数值的即表示该日人体感觉热湿或者闷湿，必须降温除湿或者必须除湿，如图1、图2所示。

在上述“湿日数”的基础上，增加设置“干燥高温度日数”，即含湿量低于12.79g/kg，但是平均气温高于26℃，不需除湿，但是必须降温，如图3所示。

依据闷湿过渡季及高温潮湿夏季的长短，计算得到全国各个城市的年“湿日数”天数、年“湿日数”，可绘制相应各个城市的年“湿日数”及其天的数据表格及数据柱状图。依据干燥高温季节长短，计算各个城市的年“干燥高温度日数”，叠加的“湿日数”的天数上，叠加到数据柱状图上。同时列入通常建筑空调设计采用的“度日数”概念相关数据进行比较。表1、图3的数据显示，南方高温潮湿地区的“湿日数”天数加上“干燥高温度日数”的天数，大大高于仅计入热负荷的“度日数”的天数，且越往南方，天数差值越大。采用“湿日数”加“干燥高温度日数”概念设计计算建筑空调负荷更合理。

表1：各典型城市“年湿日数+干燥高温度日数”和度日数

依据全国各地过渡季和夏季的气候数据，按照上述“湿日数”的定义，可计算得到全国各典型城市的年“湿日数”天数和年“湿日数”，以及“干燥高温度日数”。同时可计算通常建筑空调设计采用的空调“度日数”天数和年“度日数”。两者比较，南方高温潮湿地区的“湿日数”和“干燥高温度日数”天数大大高于仅计入降温热负荷的“度日数”的天数，且越往南方，天数差值越大，北京相差21天，杭州相差69天，广州相差83天，如图4所示。采用“湿日数”概念进行南方地区建筑降温除湿的空调系统负荷设计更合理。

依据年“湿日数”和“干燥高温度日数”概念，对于不同城市的某个类型的具体某幢建筑，根据其建筑立面、建筑平面、体系系数、窗墙比和使用功能(如商场、宾馆、办公等)，计算其室外新风降温的显热负荷、新风除湿的潜热负荷、室内降温的显热负荷、室内除湿的潜热负荷及空调总负荷。以建筑面积均为1.12万平方米(建筑体型系数为0.18)，建筑立面图和平面图如图5所示的商场建筑、宾馆建筑、办公建筑为例，窗墙比和外围护平均传热系数见下表所示。

全楼窗墙比汇总表

朝向	窗墙比
		东	0.08
南	0.35
		西	0.09
北	0.30

全楼外围护结构平均传热系数汇总表

利用相关设计分析软件，依据年“湿日数”和“干燥高温度日数”概念，计算不同地区典型城市建筑相应的空调总负荷。同时按照“度日数”概念计算该建筑相应的空调总负荷。两者比较，采用“湿日数”和“干燥高温度日数”计算的建筑空调热、湿的总负荷大大高于“度日数”相应的总负荷，利用基于年“湿日数”和“干燥高温度日数”概念的空调总负荷，进行不同空调系统的总能耗分析计算和比较，更为准确。三种建筑案例在不同城市对应的空调总负荷如表2及图6-8所示。

表2：各典型城市基于“湿日数”和“度日数”的建筑空调总负荷比较

图表中空调总负荷数据表明，采用“湿日数”和“干燥高温度日数”计算的建筑空调热、湿的总负荷大大高于“度日数”相应的总负荷，更符合南方地区气候特性和空调控制能耗需要的实际，利用基于“湿日数”和“干燥高温度日数”的空调总负荷，进行不同空调系统的总能耗分析计算和比较，更为准确。进行建筑温湿度独立控制空调系统方案设计时，确定由新风除湿机组(例如等温溶液除湿系统)承担室外新风除湿的全部潜热负荷；确定由高温冷源机组承担新风降温和室内降温的全部显热负荷、以及承担室内人员和设备除湿的潜热负荷。

针对不同城市的商场、宾馆、办公楼公共建筑，基于上述“湿日数+干燥高温度日数”的空调总负荷，利用相关分析软件，计算整个降温除湿季采用上述温湿度独立控制空调系统单位建筑面积空调能耗，包括：新风除湿机组对新风的除湿能耗和高温冷源机组承担的降温能耗和室内除湿能耗。计算所得不同城市的商场、宾馆、办公楼公共建筑案例在降温除湿季的新风除湿机组和高温冷源机组的单位建筑面积空调能耗，如表3-表5及图9-图11所示。

表3：各典型城市商场建筑降温除湿季温湿度独立控制空调系统能耗(单位(KWh/m²))

表4：各典型城市宾馆建筑降温除湿季温湿度独立控制空调系统能耗(单位(Wh/m²))

表5：各典型城市办公建筑降温除湿季温湿度独立控制空调系统能耗(单位(Wh/m²))

依据上述“湿日数”和“干燥高温度日数”概念的空调总负荷，针对处于不同城市的商场、宾馆办公楼公共建筑，计算整个制冷季采用普通空调系统(常规风机盘管和普通新风机组)的单位建筑面积空调能耗，并且与上述采用温湿度独立控制空调系统的空调能耗比较，得到的差值为采用温湿度独立控制空调系统时单位建筑面积的空调节能量，如图12-图14所示。

根据计算得出所在城市的该幢公共建筑的单位面积空调能耗差值，乘以相应建筑面积，得到采用温湿度独立控制空调系统的年空调节能量。再乘以设备系统的使用寿命年限，得到该建筑采用温湿度独立控制空调设备系统使用全周期的总节能量，进而乘以电能单价 计算总节能量的经济价值，并且计算总节能量相应的二氧化碳减排量。

比较该建筑采用的温湿度独立控制空调设备系统的投资资金和普通空调设备系统的投资资金，得到差价或者投资增量。

综合比较设备投资增量和总节能量经济价值的经济效益、总节能量的二氧化碳减排量的社会效益，最终确定该建筑是否应用温湿度独立控制系统。

Claims (1)

1.基于湿日数的温湿度独立控制空调系统设计方法，其步骤如下：

1)建立空调年“湿日数”概念，以夏季空调室内设计参数温度为26摄氏度、相对湿度60%时对应的含湿量12.79g/kg干空气为基准，年“湿日数”定义为一年中当某天室外日平均含湿量高于12.79g/kg干空气时，将该日平均含湿量与12.79g/kg干空气的差值数乘以1天，所得出的乘积的累加值，其单位为g/kg干空气·d，d为天数，大于含湿量12.79g/kg的即表示该日人体感觉热湿或者闷湿，必须降温除湿或者必须除湿；

2)在上述“湿日数”的基础上，增加设置“干燥高温度日数”，即含湿量低于12.79g/kg干空气、平均气温高于26℃的天数，不需除湿，但是必须降温；

3)依据闷湿过渡季及高温潮湿夏季的长短，计算得到全国各个城市的年“湿日数”天数、年“湿日数”，绘制相应各个城市的年“湿日数”及其天数的数据表格及数据柱状图；依据干燥高温季节长短，计算各个城市的年“干燥高温度日数”，叠加到“湿日数”的天数上，即叠加到数据柱状图上；同时列入通常建筑空调设计采用的“度日数”概念相关数据进行比较；

4)依据年“湿日数”和“干燥高温度日数”概念，针对处于不同城市的不同类型公共建筑的具体某幢建筑，计算其室外新风降温的显热负荷、新风除湿的潜热负荷、室内降温的显热负荷、室内除湿的潜热负荷及空调总负荷；

5)理论的、完全的温湿度独立控制空调系统将上述空调总负荷划分为：由高温冷源机组系统承担室内降温的全部显热负荷和室外新风降温的显热负荷；由新风除湿机组系统输出等温的干燥新风，承担室外新风除湿的潜热负荷和室内除湿的潜热负荷；由于目前空调的降温、除湿设备不具备上述完全温湿度独立控制功能，工程实际应用中的温湿度独立控制空调系统将上述空调总负荷划分为：由高温冷源机组系统输出冷水温度18℃，承担室内降温的部分显热负荷；由新风机组系统输出20℃的干燥新风，承担室外新风降温的显热负荷、新风除湿的潜热负荷、室内除湿的潜热负荷及室内部分显热；

6)依据上述“湿日数”和“干燥高温度日数”的概念，针对处于不同城市的不同类型的公共建筑，计算基于“湿日数”和“干燥高温度日数”的空调总负荷，以及计算整个降温除湿季，新风除湿机组和高温冷源机组的单位建筑面积空调能耗；

7)依据上述“湿日数”和“干燥高温度日数”概念的空调总负荷，针对处于不同城市的不同类型的公共建筑，计算整个降温除湿季采用普通空调系统的单位建筑面积空调能耗，与上述采用温湿度独立控制空调系统的空调能耗比较，得到的差值为单位建筑面积的空调节能量；

8)利用上述不同城市、不同类型公共建筑的单位面积空调能耗差值，乘以相应建筑面积，得到采用上述温湿度独立控制空调系统的年空调节能量，再乘以设备系统的使用年限，得到采用温湿度独立控制空调系统使用全周期的总节能量，进而分析与总节能量相应的经济效益和节能减排的社会效益；

9)采用独立的新风溶液除湿机组，还利用高温冷源机组的废热或者可再生热源进行盐溶液浓缩再生处理，进一步再降低除湿新风机组的能耗；计算利用废热或者可再生能源相应节约的能量，并计入建筑的年节能量、使用全周期节能量、相应节能经济效益和节能减排的社会效益；

10)根据“湿日数”和“干燥高温度日数”概念的建筑空调总能耗及降温功率峰值、除湿功率峰值参数，分别设计选择温湿度独立控制空调系统设备方案和普通空调系统设备方案，确定相应方案设备价格，比较两个不同设计方案的投资增量；

11)将该建筑的温湿度独立控制空调系统的总节能经济效益和投资增量比较，并结合考虑温湿度独立控制空调系统全周期的节能减排社会效益，最终确定该建筑是否合适应用温湿度独立控制空调系统。