冰蓄冷空调“除热量”分析

[摘要] 1、问题的提出 在这里首先强调“除热量”的概念，“除热量”是大家所熟悉的一个概念

1、问题的提出

在这里首先强调“除热量”的概念，“除热量”是大家所熟悉的一个概念，当空调系统间歇使用时，室温有一定的波动，引起围护结构额外的蓄热和放热，结果使得空调设备要从室内多取走一些热量，该总热量称为除热量。常规空调系统制冷机的设计制冷量系按照（设计日）建筑物空调时间内最大逐时冷负荷确定，即：

Q_z=max( Q_j) (1)

式中 Q_z---常规空调制冷机设计（空调工况）制冷量 KW；

　　 Q_j--空调过程中j时刻建筑物的逐时冷负荷 KW。

所以，在投入空调运行时制冷机具有比较大的制冷能力，而且常规空调系统还可以在空调开始时刻之前提前一段时间开机运行等，这些对于消除除热量都是有利的，故在进行冷源设计时，一般认为常规空调系统可以消除除热量，对于除热量可不予考虑。

由于冰蓄冷空调系统冷源设计需要以建筑物空调时间内逐时冷负荷为依据，而除热量在空调时间内也呈逐时分布，即在空调时间内任意时刻都应有：

Q_oj=Q_cj+ Q_j(2)

式中 Q_oj---空调过程中j时刻冰蓄冷空调系统的逐时冷负荷 KW；

　　 Q_cj---空调过程中j时刻的逐时除热量 KW；

　　 Q_j---同（1）式，空调过程中j时刻常规空调系统的逐时冷负荷 KW。

由（2）式可知，当Q_cj不能忽略时，应对除热量予以适当的考虑。

2 、冰蓄冷空调系统除热量的构成

众所周知，冰蓄冷空调适用于在夜间停止空调运行或夜间空调负荷比较小的建筑物，以便于其冷源在夜间低谷用电时段进行蓄冷。因此，在第二天空调系统开始运行时，空调房间的室内温度和围护结构材料的温度接近当时的环境温度，空调冷水系统中的冷水温度也有一定程度的上升，每一项都会产生蓄热量。这些蓄热量在数值上等于冰蓄冷空调的除热量，需要在第二天空调系统开始投入运行后予以消除，其有以下几项：

2.1 空调冷冻水的蓄热

对于室内、室外机械循环供冷（温差5℃），空调冷冻水系统水容量可分别按照31.2 升/千瓦和23.5 升/千瓦估算，本文取二者的平均值，即按照L_s=27.35 升/千瓦估算，根据管道的保冷情况和各地的气象数据，通过编程计算，在夜间空调系统停止运行期间，空调冷冻水的平均温度约上升6～13℃（北方取较低值），这里可取Δt=9.5℃进行估算。

2.2 围护结构蓄热

在夜间空调系统停止运行期间，围护结构材料的温度、空调空间内空气的温度与室外温度的关系比较复杂，为了简化，这里取在空调系统投入运行时围护结构材料的温度、空调空间内空气的温度、室外温度三者相同。

2.3 室内空气蓄热及其它蓄热

在夜间空调系统停止运行期间，空调房间内的空气也会由于温度的升高而产生蓄热，由于该项蓄热数值比较小，这里不做详细考虑。另外，空调房间内的所有家具、设备等物品也都会由于温度的升高而产生蓄热，由于这些物品的材质、规格、数量等因房间而异，差别较大，这里不做详细考虑。

3 、除热量数值估算

3.1 冷冻水除热量数值估算

估算时取冷负荷指标为150W/m²，按照2.1的数据计算得到冷冻水除热量数值为45.3 W/m²。需要说明的是，冷冻水除热量需要在空调运行开始后的1个小时内除去，此后的空调连续运行时间内，冷冻水除热量为零。

3.2 围护结构除热量数值估算

围护结构的蓄热特性及其估算方法，这里给出作者对三种围护结构除热量的估算结果，围护结构的热工特性见表1，围护结构的结构见图1。

图1（a）为楼板和内墙结构示意图，其中N表示室内侧，1、2为不同材料层编号，3为对称轴。图1(b)为外墙结构示意图，其中N表示室内侧，W表示室外侧，1、2为不同材料层编号。对于表1中序号1的楼板，由于ΣD_n<2，各材料层表面蓄热系数按下式计算：

Y_n=(R_nS_n²+Y_n+1)/(1+R_nY_n+1) (3-a)

对于表1中序号2、3的内墙或外墙，由于D_n+D_n+1≥1，各材料层表面蓄热系数按下式计算：

Y_n=(R_nS_n²+S_n+1)/(1+R_nS_n+1)(3-b)

式中 Y_n---编号为n的材料层的表面蓄热系数 W/m²·K；

　　 R_n---编号为n的材料层的热阻 m²·K/W；

　　 S_n---编号为n的材料层的蓄热系数 W/m²·K；

　　 Y_n+1--编号为n+1的材料层的表面蓄热系数 W/m²·K；

　　 S_n+1--编号为n+1的材料层的蓄热系数 W/m²·K。

对于楼板、内墙和有：

ν_n=0.95(α_n+Y_n)/ α_n(4-a)

ξ_n={arctg[Y_n/(Y_n+1.414α_n)]}/15（4-b）

ν_o=0.9e^ΣD/1.414(α_n+Y₁)(S₁+Y₂)(S₂+Y₃)/[ α_n(S₁+Y₁)(S₂+Y₂)](4-c)

ξ_o={40.5×ΣD+arctg[α_n/(α_n +1.414 Y_n)]}/15(4-d)

式中 ν_n---室内空气到内表面的衰减倍数；

　　 ξ_n---室内空气到内表面的延迟时间 h；

　　 ν_o---总衰减倍数；

　　 ξ_o---总延迟时间 h；

　　 α_n---（外）围护结构内表面对流放热系数，取8.7 W/m²·K；

表2为表1中围护结构的有关计算数据。这里就不进行外墙的有关计算了。

按照上面计算数据做出的序号1的楼板和序号2的内墙的表面温度变化见图2。图2中，曲线1为室内温度变化，该曲线显示，空调系统投入运行1小时后室内温度稳定在26℃，曲线2为序号1楼板的表面温度变化，曲线3为序号2内墙的表面温度变化，其与材料的热工（和蓄热）特性有关。图2表明，在空调投入运行约10个小时后，楼板和内墙表面温度接近室温。楼板和内墙的表面温度变化确定后，其除热量可以按下式计算：

q =α_nΔt (5)

式中 q---单位面积除热量 W/m²；

　　 Δt---楼板或内墙表面温度与室内温度差 ℃。

如果设一个只有一面外墙的3.3m(W) ×5m(L) ×2.6m(H)的有吊顶的标准间，其楼板和内墙折合单位建筑面积的除热量见表3。计算时，没有考虑外墙和屋顶的除热量，并对空调投入运行1个小时内的数据进行了处理。冷冻水、楼板和内墙在不同空调运行时间折合单位建筑面积的除热量见表4。

4、除热量影响分析

从表4中除热量的分布情况来看，空调运行的开始阶段除热量数值比较大，甚至为主要空调冷负荷，而且，空调运行开始阶段的逐时空调冷负荷可能并不低于常规空调负荷计算时最不利时刻（一般为15点）的冷负荷。我们对深圳某大厦的空调运行情况进行了实测，该大厦共33层，总高度155.6m，总建筑面积85391m²，空调面积49394 m²，其中裙房部分6058 m²，四层以上办公室部分43332 m²，设有5台1760kw（500冷吨）离心式冷水机组，制冷剂为R134a,采用常规空调系统进行空调，运行时间为8点到20点。该大厦运行资料比较齐全，每隔半小时记录一次制冷机运行机号（台数）和冷冻水供、回水温度，只是没有记录冷冻水流量，这为我们测取其空调逐时冷负荷提供了很大的方便，只要补测出实际运行时不同制冷机机号（台数）组合的冷冻水流量，便可以方便地计算出当时的总供冷负荷。我们使用DCT7088超声波流量计对每台冷水机组单台运行、二台组合、三台组合、四台组合和五台全部运行时空调系统的冷冻水流量进行了测量，结合运行资料计算出了空调系统在某一天的空调逐时冷负荷。图3为2001年5月11日该大厦空调逐时冷负荷分布，图4为2001年6月25日该大厦空调逐时冷负荷分布。图3和图4表明，虽然在上午8点至10点时的环境温度并不是当天的最高温度，但该大厦在8点和10点之间出现了最大空调逐时冷负荷，当天的最高气温出现在下午2点左右，但该大厦在下午2点时的空调逐时冷负荷却不是当天的最大值。这和本文的理论分析结果是一致的。

5、结论

通过本文的分析可知，虽然常规空调在进行负荷计算时可以不考虑除热量，但由于冰蓄冷空调系统冷源（制冷机组和蓄冷设备）设计需要以建筑物空调时间内逐时冷负荷为依据，除热量对冰蓄冷空调有着重要的影响，如果不考虑除热量逐时分布，就不符合冰蓄冷空调的特性，是不合理的。因此，在进行冰蓄冷空调负荷计算时，必须要对除热量予以适当的考虑。有人可能会说，此前没有考虑除热量的一些冰蓄冷空调工程照样能够满足空调要求，作者认为，这是不负责任的说法，（比较大地）增加了制冷机的设计制冷量和冰蓄冷器的有效蓄冷量当然就能够满足空调要求，关键是冰蓄冷空调技术必须建立科学的基础，必须以正确的理论为指导，而且冰蓄冷空调对设计失误的允许误差比较小，否则就有可能使冰蓄冷空调工程达不到预期的设计目标。最后，再提一点建议，既然冰蓄冷空调系统冷源设计需要以建筑物空调时间内逐时冷负荷为依据，在进行冰蓄冷空调逐时负荷计算时，就要对逐时负荷进行比较仔细、准确的考虑，如各个因素的同时系数和中午休息时间段内人员、照明、设备等各项负荷的变化等情况。

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