城市办公建筑空调制冷系统大气排热实测分析
中图分类号：TU119 文献标识码：A
文章编号：1674-2974（2015）11-0125-08
目前中国每年城镇新建公共建筑约3～4亿m2，既有公共建筑约40亿m2.根据现有的一些大城市的能耗实测资料，城市建筑中大型公共建筑的建筑总面积虽不足民用建筑总面积的5%，但特大型高档公共建筑的单位面积能耗约为城镇普通居住建筑能耗的10～15倍，一般公共建筑的能耗也是普通居住建筑能耗的5倍之多，公共建筑能耗巨大约占民用建筑总能耗的12%～14%[1].值得引起关注的是，公共建筑的全年能耗中大约有50%～60%消耗于空调制冷与采暖系统，因此与之对应的公共建筑空调制冷系统排热量亦不容小觑[2].来自建筑空调制冷系统的大量排热在城市大气空间进行直接排放，势必会改变建筑范围甚至城市范围内热湿环境，加剧城市热岛效应；同时，城市热岛效应的加重使得城市高温出现频率加大甚至造成高温灾害，为维持室内舒适度，空调系统运行时间更长并且承担负荷更大，使空调设备运行状况恶化而导致能效比降低及空调能耗增加，此时空调制冷设备需要从室内抽取更多热量并直接排放更多的冷凝热至室外大气环境，造成建筑周围热环境进一步恶化，如此形成恶性循环，降低人体日常活动范围内的热、湿舒适度，最终违背了人们对工作和生活水平提高的意愿[3-5].
针对建筑空调排热的研究在近年逐渐引起了各国学者的关注，并已开展了一系列研究.国外，Masson[6]提出城镇能源收支模型TEB（Town EnergyBalance）是对城市环境中建筑人为排热进行模拟的早期尝试，该模型对目标建筑的负荷计算过于简化；Kondo等人[7]研究了城市冠层内人为排热和大气温度两者之间的关系，对空调设备显热和潜热排热比例作出1∶1的简单假设；Bueno等人[8]运用热阻热容网络模型RC（Resistance-Capacitance Network Model）建立建筑与城市环境间的能量流动关系并对图卢兹市排热与气温进行计算，研究发现夏季商业区热排放平均值为220 W/m2而导致气温升高1 ℃左右；Salamanca等人[9]应用气象研究预测模型WRF（Weather Research & Forecasting Model）与多层建筑能耗模型的耦合模型对城市区域夏季连续10天的高温气候下空调系统排热对大气温度的影响，研究发现空调排热使城市部分区域近地2 m内的平均气温升高大于1 ℃.国内，张弛等人[10]进行夏季空调排热对上海市温度影响的定性研究，通过假设空调密度与楼层高度相对应而发现温度高低与空调排热分布的一致性良好，说明空调排热是造成上海城市高温的主要因素之一；乐地[11]、杜国付[12]、吕楠[13]等人应用CFD模拟技术对复杂城市区域建筑热环境进行数值模拟，并分析冷却塔周围的气流分布和温度分布，以及冷却塔冷凝排热对周边环境的影响.以上已有的国内外研究工作大多属于建筑人为排热对城市热气候影响的数值模拟研究，一方面缺乏充足的现场实测数据作为支撑，另一方面对建筑人为排热从建筑类型和排热方式、热量类型缺乏细致的定量研究，因此很难更准确地把握建筑人为排热和城市局地热湿气候形成之间的互动关系.
本文分别选取具备典型南、北方城市气候特点的深圳市和北京市市区的4座大型办公建筑作为具体研究对象，采用现场实测的研究方法，对上述建筑的空调制冷系统各设备的运行参数进行持续动态的实测测试，实现了对建筑空调制冷系统排热的定量分析，使得城市区域范围内建筑人为排热与城市热环境互动关系的研究具有实际意义.
1 城市区域内典型办公建筑空调制冷系统
排热实测
1.1 深圳实测建筑及空调制冷系统概况
本实测研究中选取位于深圳市福田中心区西侧的某国家机关业务综合楼作为实测办公建筑1，对该建筑空调制冷系统排热特性进行连续实测.选取连续实测时间为2013年8月5日（周一）至8月11日（周日）整一周的时间，在此实测期间，深圳处于典型夏季高温天气以晴天为主，但受海洋气候影响，个别测试日为暴雨天气，测试期间室外最高温度持续35 ℃以上.
该建筑为典型办公建筑，由主楼和附楼两个部分组成.其中主楼为办公大楼，建筑层高4.5 m，共22层；附楼为集会议厅、报告厅及娱乐室为一体的多功能建筑，建筑层高5 m，共4层.空调制冷机房位于主楼负二层，冷源系统为3台离心式中央空调冷水机组，其中2台额定制冷量为3 686 kW的机组于工作日运行，另1台额定制冷量为1 230 kW的机组用于周末备用运行.冷却水系统共有5台玻璃纤维机械通风横流式冷却塔，安装于附楼楼顶，冷却塔具体安装位置的俯视图如图1中①～⑤位置所示，其中②～⑤号冷却塔水流量为500 m3/h，对应于2台额定制冷量较大的冷水机组，①号冷却塔的水流量为350 m3/h，对应于另外1台额定制冷量较小的冷水机组.为满足建筑各部分不同功能要求，整个建筑的空调系统分为以下两个系统：集中空调系统，主楼1～4层以及附楼1，2层为定风量系统，5～19层（除12层）为变风量系统；VRV空调系统：主楼12层、20～22层以及附楼3，4层采用VRV空调系统. 1.2 北京市实测建筑及空调制冷系统概况
本研究还选取了位于北京市区内采用不同空调制冷方式的3座办公建筑2～4作为研究对象.每座办公建筑均选取某一个典型工作日进行连续动态实测，在此实测期间，北京处于典型夏季高温晴天天气，测试期间室外最高温度持续30 ℃以上.
各实测建筑基本情况及相应空调制冷系统相关参数如表1所示.
1.3 实测内容及仪器
为研究建筑空调制冷系统的排热规律以及对建筑周围大气热湿环境所产生的影响，对所有与空调制冷系统排热有关的参数进行实测，深圳和北京的测试参数和内容方法相同，主要包括大气温湿度、冷却塔进、出风口温湿度及风速、制冷机组冷却水及冷冻水的供、回水逐时温度及流量.在室外露天测试空气温度时，为防止太阳辐射影响而采取了相应遮阳措施.其中，大气温、湿度由温湿度自计仪测得，以实测办公建筑1为例，实测测点选取距冷却塔边缘30 m、附楼楼面以上1.5 m处，如图1中⑦点位置所示；冷却塔进风口空气温、湿度由温湿度自计仪测得，测点选取每台冷却塔进风口前2 m处；冷却塔出风口风速由热线风速仪测得，冷却塔出风口空气温、湿度由温湿度自计仪测得，测点均布置在每台冷却塔风机吸入侧的收缩段喉部断面上并按等面积环分布，如图2中所示；冷却水及冷冻水的进、出口温度由热电偶温度采集自计仪测得；冷冻水及冷却水流量采用超声波流量计测量.
以实测办公建筑1为例，测试参数及仪器如表2所示.实测建筑1的俯视图以及空调系统测点布置图如图1～图2所示.
2 实测结果与分析
2.1 冷却塔进出风口空气温、湿度实测结果
对于实测办公建筑1，在整一周的实测期间内，室外大气以及冷却塔每个进、出风口测点空气的温度和相对湿度实时测试值均可通过相应测点处的温湿度自计仪直接获取，对于工作日期间多台冷却塔同时运行的情况，此处冷却塔的进、出口空气温湿度值是指所有冷却塔进出口空气温湿度的平均值，温湿度值随时间变化曲线如图3～图4所示.
从图3中的空气温度变化曲线看到，在连续一周空调制冷系统运行的白天时间段内，大气温度平均值33.51 ℃，冷却塔入口和出口空气温度平均值分别为32.21 ℃及32.63 ℃，环境大气温度高于冷却塔进、出口空气温度，而冷却塔的出口空气温度较进口空气温度升高幅度较小仅为0.42 ℃.其中工作日12：00-16：00期间，冷却塔排出口空气对周边大气产生较为明显的排冷降温作用.根据大气温度及冷却水温度的实测值，在此期间大气温度较高，使得入塔空气温度与入塔冷却水温两者温差值较小，甚至出现入塔水温低于入塔空气温度的情况，最终导致冷却塔出口空气温度低于入塔空气温度.
图4为空气相对湿度变化曲线，由于冷却塔式室外机主要以潜热方式向外排热，进出塔空气的相对湿度值变化很大.在白天空调系统运行期间，冷却塔入口空气相对湿度平均值为67.7%，经过与塔内冷却水进行热质交换后，冷却塔出塔口空气的相对湿度平均值基本稳定在94.4%，以接近饱和的状态排出塔外；而在空调系统关闭期间，冷却塔进、出口空气的相对湿度大体一致.室外大气的相对湿度在白天时间段的平均值为40.5%，明显低于冷却塔排出口空气几近饱和的相对湿度平均值，因此冷却塔排出的湿空气对塔周围湿环境的改变很明显.
2.2 空调制冷系统排热的实测结果
根据如表2所示的各实测参数的测试数据，按公式（1）～（3）中所列冷却塔全热排热、显热排热及潜热排热计算公式对冷却塔每个出风口的排热量进行计算，最后经汇总可得到整一周实测期间内办公建筑1的空调制冷系统单位建筑面积总全热、总显热及总潜热排热量随时间变化曲线，如图5所示.
如图5中所示，在工作日，该办公建筑1的空调系统运行时间为8：00-17：00，在2台额定制冷量为3 868 kW离心式冷水机组先后开启初期，空调制冷系统的单位建筑面积排热量存在较大波动而峰值达到138 W/m2，运行稳定后，空调制冷系统单位建筑面积全热排热量变化也趋于稳定在82.75 W/m2上下波动，其中潜热排热的变化规律与全热排热大致相同，其单位建筑面积的实测平均值达到81.8 W/m2；而单位建筑面积的显热排热平均值很小仅为0.95 W/m2，并在某些时刻因为冷却水入塔温度低于空气入塔温度而出现显热值负值的情况.在测试期间，空调制冷系统的潜热排热总值占总排热量的98.85%，而空调显热排热仅占总排热量的1.15%.
在周末日，该办公建筑中仅剩少量办公室及部分娱乐空间需要开启空调，此时仅开启一台额定制冷量为1 230 kW的小型离心式制冷机组及对应一台水流量为350 m3/h的冷却塔，如图5所示，空调排热值较稳定，单位建筑面积全热排热的日平均实测值保持在20.24 W/m2，大约相当于工作日的22.2%，其中单位建筑面积潜热排热日均实测值为19.62 W/m2，所占全热排热的比例为96.94%，而单位建筑面积显热排热日均实测值为0.62 W/m2，仅占全热排热的比例为3.04%.
2.3 建筑空调制冷系统排热与大气温湿度关系的实测分析
为分析显热和潜热排热分别随主要影响因素大气温度和相对湿度变化规律，根据4座办公建筑空调制冷系统在实测期间运行时的大气温湿度实测数据，并利用如表2所示实测参数的测试数据按公式（1）～（3）计算得到各办公建筑在对应时间的单位建筑面积显热和潜热排热量随时间变化值，变化规律分别如图6～图7所示.
图6～图7中，虽然各建筑实测期间对应的室外气候条件各异，同时各建筑设计冷负荷指标及空调制冷系统型式也不尽相同，但4座实测办公建筑的空调制冷系统单位建筑面积显热排热量和潜热排热量都呈现随室外大气温度和相对湿度升高而降低的一致趋势.这是由于随着室外大气温度及相对湿度值升高，入塔空气干、湿球温度与入塔水温的温差值减小，空气水界面的水蒸气分压力差值减小使冷却塔内部热湿交换驱动力下降，导致冷却塔热质交换效率降低，显热及潜热换热量减小. 图6中建筑1，2，4空调制冷系统单位建筑面积的显热排热值在-15～15 W/m2范围内，而建筑3空调制冷系统单位建筑面积显热排热值出现负值且数值较大约为-30～-70 W/m2.分析原因是建筑3实测当日空调运行期间内室外大气温度平均值偏高为34.5 ℃左右，入塔空气温度和室外大气温度接近为33.9 ℃，同一时间段内冷却水进塔水温的实测平均值仅为31.4 ℃而明显低于入塔空气温度.根据热质交换原理，湿式冷却塔的散热方式主要是接触传热和蒸发散热，此时塔内水和空气产生的接触换热使得空气向水传热，因此空气温度下降明显，而蒸发散热主要表现在空气侧水蒸气含量的增加，由此所引起的空气温度变化却很小，因此，经过塔内热质交换过程，该建筑的出塔空气温度实测平均值为27.2 ℃反而低于入塔空气温度，并且进出口空气温差较大为7.3 ℃，因此建筑3的单位建筑面积显热排热呈现较大负值.
图7中建筑1，3，4空调制冷系统单位建筑面积的潜热排热平均值在75～130 W/m2范围内，而建筑2空调制冷系统单位建筑面积潜热排热值为160 W/m2较大于其他建筑.分析其原因是该建筑除常规的办公房间外还包括多个洁净实验室，其空调冷负荷值大于其他一般办公建筑，因此相应该建筑空调制冷系统全热排热量及占全热排热量绝大比例的潜热排热量也偏大于其他建筑.
2.4 建筑空调制冷系统全热排热及制冷量与大气温湿度关系的实测分析
为分析办公建筑空调系统全热排热、制冷量在室外大气温度和相对湿度两个参数共同影响下的分布规律，根据4座办公建筑空调制冷系统在实测期间运行时的大气温湿度实测数据，以及利用如表2所示的实测参数的测试数据按公式（1）和（5）计算得到的各办公建筑相应时间内单位建筑面积全热排热量及制冷量随时间变化值，变化规律的三维分布图如图8～图9所示.
从整体分布规律来看，当室外气候条件从低温低湿到高温高湿变化时，冷却塔传热传质性能下降，冷却塔出水温度进而偏高，从而导致建筑空调制冷系统的冷凝效果减低，最终使得实测办公建筑空调制冷系统的单位建筑面积制冷量及全热排热量也随之下降.
从具体数值来看，正如前面所分析，由于办公建筑2的空调冷负荷值较其他办公建筑偏大，因此办公建筑2的空调制冷系统单位建筑面积全热排热量及制冷量均大于其他办公建筑1，3，4.另外，各办公建筑空调制冷系统的单位建筑面积全热排热量均大于对应的单位建筑面积制冷量，并且由于各实测办公建筑的空调制冷机组实际运行性能参数不同，这4座办公建筑实测期间单位建筑面积全热排热量与制冷量平均值的比值也不同，大致在1.29～1.56范围内，为体现建筑空调制冷系统向大气排热效率，此处提出建筑空调制冷系统大气排热效率比HRER（heat rejection efficiency ratio）的概念，并可按如下公式进行描述：
HRER=Q.T/Q.E.（6）
式中：Q.T为空调制冷系统单位建筑面积全热排热量，W/m2；Q.E为空调制冷系统单位建筑面积制冷量，W/m2.由公式（6）可知，大气排热效率比HRER的数值越大，则表明建筑空调制冷机组制取单位制冷量时向室外排放的热量越多，反映了该建筑为维持建筑内部热舒适环境要求所需向外界的排热对大气热湿气候带来的影响越大.
3 结 论
1）在连续一周空调制冷系统运行的白天时间段内，出塔空气温度平均值较进塔空气温度平均值升高幅度较小仅为0.42 ℃，甚至在某些时段内由于受到入塔冷却水温偏低的影响，使出塔空气温度不升反降而对周边大气产生较为明显的排冷降温作用；而冷却塔出风口空气的相对湿度平均值为94.4%左右，几乎呈饱和状态向外排出，使塔周围空气的相对湿度明显升高.总体上冷却塔排热对建筑周围大气相对湿度的改变大于温度.
2）采用冷却塔作为排热设备的建筑空调制冷系统主要以潜热排热方式向室外排放，实测办公的建筑空调制冷系统全热排热日均值在85～106 W/m2范围内，其中潜热排热所占比例为95%～98.85%，显热排热所占比例很小仅为1%～5%；而在休息日的全热排热日平均实测值仅为工作日的22.2%.并且在入塔冷却水温度低于入塔空气温度的时间段内，由于出塔空气温度明显低于入塔空气温度而导致显热排热值出现较大负值.
3）室外高湿高热气候条件不利于建筑空调制冷系统向外排热排湿.4座实测办公建筑的空调制冷系统单位建筑面积的全热、显热和潜热排热量都呈现随室外大气温度和相对湿度升高而降低的一致趋势.由于各建筑冷负荷设计指标、空调制冷系统性能参数及实测期间室外气候条件各不同，各实测建筑空调制冷系统排热的数值大小和变化幅度也不同，并提出利用大气排热效率比HRER的定义来反映建筑空调制冷系统排热对大气热湿气候带来的影响程度大小.
致谢：深圳市建筑科学研究院开放课题“多用途建筑区域热气候与热岛强度评估方法的研究与模型建立”（YN2012001-1）的项目经费资助.
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