清華大學  呂偉華，李先庭

       【摘  要】為降低建筑空調供熱系統能耗，自然能源的種類和應用形式越來越多，而傳統度時數方法只能用于自然通風的潛力評價，因此急需一種對各種自然能源應用形式的潛力進行公平評價的通用評價指標。本文針對傳統度時數方法存在的不足，提出基于自然能源利用能效的修正度時數方法，并結合TRNSYS仿真軟件對該方法的合理性進行驗證。結果表明，修正度時數與系統節能量之間存在線性關系，根據修正度時數的大小能夠估算自然能源利用系統相比傳統空調供熱系統的節能量，從而實現對不同自然能源種類以及不同應用方式的節能潛力進行公平評價。

       【關鍵詞】自然能源；修正度時數；建筑節能；HVAC

       【基金項目】國家重點研發計劃項目（編號：2016YFC0700302），國家自然科學基金資助項目（編號51638010）

0 引言

       為了降低建筑能耗，大量國內外專家學者研究利用可再生能源構建低能耗綠色建筑的解決方案。其中，直接利用自然能源進行建筑空調和供熱的節能效果非常顯著^[1-2]。最常見的應用方式包括自然通風、機械通風、蒸發冷卻通風空調技術、利用土壤溫度冷卻和加熱新風，以及近年來發展的利用自然能源冷卻和加熱圍護結構從而顯著降低建筑空調和供熱能耗的高效應用方式等?？梢?，廣泛存在的空氣源、地源、水源等各種自然能源都具有用于室內環境營造的潛力，而且其應用的形式多樣，既能直接用于室內冷卻，也能用于冷卻和加熱新風以及圍護結構。那么如何才能選擇較為高效的自然能源利用方式呢？不同自然能源的不同應用方式的潛力如何評價？

       為了證明某種自然能源應用方式的可行性，現有研究大多采用實驗以及模擬仿真的方法對某一種自然能源應用形式的潛力進行詳細分析，這種設計具體算例的分析方法難以對多種自然能源的多種應用形式在不同的氣候區的適應性進行研究。Ghiaus 和 Allard ^[3] 基于室內溫度和室外環境溫度的溫差提出采用度時數對自然通風在不同氣候區的免費供冷潛力進行研究。度時數作為一種通用評價方法能夠較好的對自然通風在不同地區的適應性進行評價，因為自然通風本身不消耗能源。但是度時數不適合用于評價其他自然能源的應用方式，因為度時數不能考慮不同應用方式的能效差異。例如，當室內外溫差很小時，采用機械通風降溫的能效會低于傳統空調系統，這種情況下就不宜采用機械通風，但是度時數卻不能反應這種情況。再比如，采用度時數評價蒸發冷卻系統時，露點蒸發冷卻的潛力在任何情況下都一定大于直接蒸發冷卻的潛力，但事實上由于露點間接蒸發冷卻器的結構相對復雜，露點間接蒸發冷卻器的能效不一定始終大于直接蒸發冷卻。因此，需要一種能夠兼顧溫差和能效的通用評價方法對不同自然能源的不同應用方式進行公平評價。

       因此，本文針對傳統度時數方法存在的不足，引入能夠反映不同自然能源不同應用方式能效的修正系數對傳統的度時數方法進行修正，得到修正度時數的評價方法。采用TRNSYS仿真軟件模擬得到的結果對修正度時數方法的合理性進行驗證，并得到了修正度時數與節能量的關系。

1 修正度時數方法

       修正度時數包括度時數和修正系數，度時數反應的是自然能源應用系統的換熱量；修正系數反應的是不同自然能源應用系統的能效差異。

       度時數是指自然能源的可利用時間與可利用溫差的乘積，該溫差指的是自然能源的溫度和對應的換熱位置的溫度（基準溫度）的差，如式（1）和（2）所示。其中，不同自然能源利用形式的基準溫度和自然能源溫度如表1所示。 

       DHc=Σmax(t_base,i-t_out,i,0)            (1)

       DHh=Σmax(t_out,i-t_base,i,0)          （2）

       式中，DHc 和 DHh分別是冷卻度時數和加熱度時數；t_base,i是基準溫度，t_out,i是自然能源溫度。

表1 常見自然能源利用方式對應的基準溫度和自然能源溫度

       引入修正系數的目的是從能效的角度對度時數進行修正，在評價不同自然能源利用方式的能效時，將傳統空調供暖系統的能效作為比較基準，自然能源利用系統的能耗相對于傳統空調供暖系統的節能率可表示成式（3）所示：

                            (3)

       式中，Q_n,i 是自然能源利用系統處理的逐時負荷；COP_m,i 和 COP_n,i分別是傳統空調供暖系統和自然能源利用系統的能效。

       當自然能源用于冷卻和加熱圍護結構時，例如與地埋管或冷卻塔相結合的嵌管式圍護結構系統，自然能源系統會同時和室內室外進行換熱，因此只有部分換熱量能夠起到降低室內負荷的作用，該部分換熱量占總換熱量的比例稱之為自然能源利用效率[4-5]，因此，修正系數可表示為式（4）：

                            (4)

       式中，μ表示修正系數；η 表示自然能源利用效率，當將自然能源用在冷卻和加熱圍護結構時，其值為60%~80%；當自然能源用在室內冷卻或處理新風時，其值為100%。

       從不同自然能源應用方式的換熱過程可以看出，自然能源利用系統的能耗主要包括自然能源的生產能耗、輸配能耗以及末端的利用能耗三部分，因此，自然能源利用系統的COP可表示為式（5）。

                                        (5)

       式中，Wi是自然能源利用系統的總能耗；Wg,i，Wd,i和Wu,i分別是自然能源的生產、輸配和末端的利用能耗。

       綜上，結合式（1）~（5），修正度時數的表達式如式（6）和（7）。

                        (6)

                        (7)

       式中，RDHc 和 RDHh分別是冷卻修正度時數和加熱修正度時數。

2．修正度時數方法的可行性驗證

       以利用地埋管和冷卻塔與嵌管窗相結合的自然能源應用方式為例，分析修正度時數用于評價自然能源應用潛力的可行性。以一個長83米，寬10米，層高3米的建筑為例，建筑南向外窗，窗墻比0.4，南向外窗的面積約1000平方米。所采用的嵌管窗模型參考文獻[6-7]，在TRNSYS平臺上分別模擬地埋管和冷卻塔與嵌管窗相結合的冷卻系統，得到在不同工況下地埋管和冷卻塔的逐時出水溫度、冷卻系統的逐時COP以及該冷卻系統相比傳統空調系統的節能量。節能量的計算式如式（8）所示，為簡化計算，傳統空調系統的COPm設為4：

                                              （8）

       式中，ΔEi是利用地埋管或者冷卻塔等自然能源的嵌管窗系統相對于傳統空調系統的節能量；Qpw,i和Qtw,i分別為通過嵌管窗引起的室內冷負荷和與嵌管窗具有相同結構的雙層皮幕墻（嵌管窗不通水工況）引起的室內冷負荷；Wi是嵌管窗系統的風機和水泵的總能耗。

       嵌管窗通入冷卻水之前，百葉吸收太陽輻射熱量，溫度升高，熱量以導熱的形式進入室內。通水之后，冷卻水帶走太陽輻射熱，百葉溫度降低，進入室內的熱量大大降低，因此將百葉溫度作為計算嵌管窗系統修正度時數的基準溫度。參考文獻[8-9]，百葉溫度的計算式如式（9）：

                                    （9）

       式中，α_bl是百葉的總吸收率；I為太陽輻射強度；t_bl是百葉溫度；t_ambi和t_indoor分別是環境溫度和室內溫度；R_ambi-bl和R_in-bl分別是室外到百葉和室內到百葉的傳熱熱阻。

       為了得到嵌管窗系統的修正度時數與節能量的關系，首先采用TRNSYS模擬得到的冷卻塔和地埋管的逐時出水溫度作為嵌管窗系統修正度時數計算的自然能源溫度，TRNSYS模擬得到的嵌管窗系統的逐時COP作為嵌管窗系統修正度時數計算的系統COP，熱網絡模型計算得到的百葉溫度作為基準溫度，由此分別計算出采用地埋管和冷卻塔作為嵌管窗的冷源時，嵌管窗系統的逐時修正度時數。以月為單位統計出供冷季各月的累積修正度時數和累計節能量，如圖1所示，其中北京和上海的供冷計算時間是5月1號~9月30號，共計5個月；廣州的供冷計算時間是4月1號~10月31號，共計7個月。

（a）冷卻塔-嵌管窗冷卻系統                    （b）地埋管-嵌管窗冷卻系統
圖1 各月累積節能量與其對應的累積修正度時數的關系

       由圖1可知，修正度時數與節能量之間具有較好的線性關系，因此能夠用修正度時數對自然能源利用系統的節能效果進行評價。如何快速準確的計算出修正度時數是利用修正度時數評價自然能源應用潛力的關鍵。

       如果將嵌管窗看作是傳熱能力為Kf，效能為εwin的換熱器，根據文獻[7]，嵌管窗百葉被冷卻之后的溫度接近嵌管窗的出水溫度，因此嵌管窗的熱流和嵌管窗系統的COP可表示為式（10）和式（11）。

                    （10）

                    （11）

       式中，twin,i和two,i分別為嵌管窗的逐時進出口水溫；  為嵌管窗系統的平均效能。

       將嵌管熱流代入到公式（4）可得，嵌管窗相對于傳統空調系統的節能量可表示為式（12）：

                           （12）

       因此，結合圖1可得該算例所采用的嵌管窗系統的節能量與修正度時數的關系近似為式（13）：

       ΣΔE_i=0.81ΣRHD_i            （13）

       當采用冷卻塔冷卻嵌管窗時，由冷卻塔的濕球效率的計算公式可以得到冷卻塔的出水溫度為式（14）：

                                         （14）

       式中，ηCT是冷卻塔濕球效率；ΔtCT是系統設計溫差。

       冷卻塔的濕球效率與冷卻塔的結構和冷卻塔運行的風水比相關，本算例中北京、上海和廣州三個地區所采用的冷卻塔的濕球效率分別為0.6、0.65和0.65，由于北京地區的濕球溫度相對較低，冷卻塔的設計風水比較小，因此濕球效率較低。因此對于采用冷卻塔作為冷源的嵌管窗系統，根據系統設計就能夠得到計算修正度時數所需的自然能源溫度。

       當采用地埋管冷卻嵌管窗時，地埋管的出水溫度與土壤的性質以及設計的地埋管換熱器的面積和熱流密度等參數有關。本文模擬所用的土壤的性質參數參考文獻[10]，模擬得到了不同地區，與嵌管窗連接的地埋管換熱器在不同的設計工況下，地埋管的出水溫度與土壤溫度的平均溫差和每延米設計換熱量的關系，如圖2所示。

圖2 地埋管的出水溫度與土壤溫度的平均溫差隨每延米設計換熱量的變化關系

       因此，在特定的設計工況下，地埋管的平均出水溫度可簡化為式（15）。

       t_out,i=t_soil+Δt    （15）

       分別將公式（11）以及公式（14）和（15）代入到修正度時數的計算式（6）中即可分別計算得到該嵌管窗系統采用冷卻塔和地埋管換熱器時的修正度時數，進而結合修正度時數與節能量的線性關系能夠計算出該系統的節能量。利用修正度時數得到的節能量與采用TRNSYS系統仿真模擬得到的節能量相比，相對誤差如圖3所示。由圖3（a）可知，當嵌管窗系統與冷卻塔相結合時，采用修正度時數方法在供冷季各月的相對誤差為-20%~20%，從整個供冷季來看，相對誤差在5%以內。由圖3（b）可知，當嵌管窗系統與地埋管相結合時，采用修正度時數方法的誤差相對較大，最大誤差為15.8%，誤差基本在可接受范圍內。因此修正度時數方法能夠作為評價自然能源應用潛力的通用方法。

（a）冷卻塔-嵌管窗冷卻系統                    （b）地埋管-嵌管窗冷卻系統
圖3 修正度時數計算的節能量與模擬量的相對誤差

3 結論

       自然能源種類和應用形式越來越多，而傳統度時數方法只能用于自然通風的潛力評價，因此急需一種通用評價方法對各種自然能源應用形式的可行性進行公平評價。本文針對傳統度時數方法存在的不足，提出基于自然能源利用能效的修正度時數方法，利TRNSYS軟件對該評價方法的合理性進行了驗證。結果表明，修正度時數與系統節能量之間存在線性關系，根據修正度時數的大小能夠估算自然能源利用系統相比傳統空調供熱系統的節能量，其估算誤差在可接受范圍內，因此修正度時數方法可對不同自然能源種類以及不同應用方式的應用潛力進行評價。

參考文獻

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       [10] 楊艷芳.土壤新風換熱系統應用研究[D].西安:西安建筑科技大學，2013

       備注：本文收錄于《建筑環境與能源》2020年10月刊總第37期（第22屆全國暖通空調制冷學術年會文集）。版權歸論文作者所有，任何形式轉載請聯系作者。