城市辦公建筑空調(diào)制冷系統(tǒng)大氣排熱實(shí)測分析

中圖分類號(hào)：TU119文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-2974（2022）11-0125-08

目前中國每年城鎮(zhèn)新建公共建筑約3～4億m2，既有公共建筑約40億m2.依據(jù)現(xiàn)有的一些大城市的能耗實(shí)測資料，城市建筑中大型公共建筑的建筑總面積雖不足民用建筑總面積的5%，但特大型高檔公共建筑的單位面積能耗約為城鎮(zhèn)一般居住建筑能耗的10～15倍，一般公共建筑的能耗也是一般居住建筑能耗的5倍之多，公共建筑能耗巨大約占民用建筑總能耗的12%～14%[1].值得引起關(guān)注的是，公共建筑的全年能耗中大約有50%～60%消耗于空調(diào)制冷與采暖系統(tǒng)，因此與之對(duì)應(yīng)的公共建筑空調(diào)制冷系統(tǒng)排熱量亦不容小覷[2].來自建筑空調(diào)制冷系統(tǒng)的大量排熱在城市大氣空間進(jìn)行直接排放，勢(shì)必會(huì)轉(zhuǎn)變建筑范圍甚至城市范圍內(nèi)熱濕環(huán)境，加劇城市熱島效應(yīng)；同時(shí)，城市熱島效應(yīng)的加重使得城市高溫消失頻率加大甚至造成高溫災(zāi)難，為維持室內(nèi)舒適度，空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間更長并且擔(dān)當(dāng)負(fù)荷更大，使空調(diào)設(shè)備運(yùn)行狀況惡化而導(dǎo)致能效比降低及空調(diào)能耗增加，此時(shí)空調(diào)制冷設(shè)備需要從室內(nèi)抽取更多熱量并直接排放更多的冷凝熱至室外大氣環(huán)境，造成建筑四周熱環(huán)境進(jìn)一步惡化，如此形成惡性循環(huán)，降低人體日?；顒?dòng)范圍內(nèi)的熱、濕舒適度，最終違反了人們對(duì)工作和生活水平提高的意愿[3-5].

針對(duì)建筑空調(diào)排熱的討論在近年漸漸引起了各國學(xué)者的關(guān)注，并已開展了一系列討論.國外，Masson[6]提出城鎮(zhèn)能源收支模型TEB（TownEnergyBalance）是對(duì)城市環(huán)境中建筑人為排熱進(jìn)行模擬的早期嘗試，該模型對(duì)目標(biāo)建筑的負(fù)荷計(jì)算過于簡化；Kondo等人[7]討論了城市冠層內(nèi)人為排熱和大氣溫度兩者之間的關(guān)系，對(duì)空調(diào)設(shè)備顯熱和潛熱排熱比例作出1∶1的簡潔假設(shè)；Bueno等人[8]運(yùn)用熱阻熱容網(wǎng)絡(luò)模型RC（Resistance-CapacitanceNetworkModel）建立建筑與城市環(huán)境間的能量流淌關(guān)系并對(duì)圖盧茲市排熱與氣溫進(jìn)行計(jì)算，討論發(fā)覺夏季商業(yè)區(qū)熱排放平均值為220W/m2而導(dǎo)致氣溫上升1℃左右；Salamanca等人[9]應(yīng)用氣象討論猜測模型WRF（WeatherResearch&ForecastingModel）與多層建筑能耗模型的耦合模型對(duì)城市區(qū)域夏季連續(xù)10天的高溫氣候下空調(diào)系統(tǒng)排熱對(duì)大氣溫度的影響，討論發(fā)覺空調(diào)排熱使城市部分區(qū)域近地2m內(nèi)的平均氣溫上升大于1℃.國內(nèi)，張弛等人[10]進(jìn)行夏季空調(diào)排熱對(duì)上海市溫度影響的定性討論，通過假設(shè)空調(diào)密度與樓層高度相對(duì)應(yīng)而發(fā)覺溫度凹凸與空調(diào)排熱分布的全都性良好，說明空調(diào)排熱是造成上海城市高溫的主要因素之一；樂地[11]、杜國付[12]、呂楠[13]等人應(yīng)用CFD模擬技術(shù)對(duì)簡單城市區(qū)域建筑熱環(huán)境進(jìn)行數(shù)值模擬，并分析冷卻塔四周的氣流分布和溫度分布，以及冷卻塔冷凝排熱對(duì)周邊環(huán)境的影響.以上已有的國內(nèi)外討論工作大多屬于建筑人為排熱對(duì)城市熱氣候影響的數(shù)值模擬討論，一方面缺乏充分的現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)作為支撐，另一方面對(duì)建筑人為排熱從建筑類型和排熱方式、熱量類型缺乏細(xì)致的定量討論，因此很難更精確?????地把握建筑人為排熱和城市局地?zé)釢駳夂蛐纬芍g的互動(dòng)關(guān)系.

本文分別選取具備典型南、北方城市氣候特點(diǎn)的深圳市和北京市市區(qū)的4座大型辦公建筑作為詳細(xì)討論對(duì)象，采納現(xiàn)場實(shí)測的討論方法，對(duì)上述建筑的空調(diào)制冷系統(tǒng)各設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行持續(xù)動(dòng)態(tài)的實(shí)測測試，實(shí)現(xiàn)了對(duì)建筑空調(diào)制冷系統(tǒng)排熱的定量分析，使得城市區(qū)域范圍內(nèi)建筑人為排熱與城市熱環(huán)境互動(dòng)關(guān)系的討論具有實(shí)際意義.

1城市區(qū)域內(nèi)典型辦公建筑空調(diào)制冷系統(tǒng)

排熱實(shí)測

1.1深圳實(shí)測建筑及空調(diào)制冷系統(tǒng)概況

本實(shí)測討論中選取位于深圳市福田中心區(qū)西側(cè)的某國家機(jī)關(guān)業(yè)務(wù)綜合樓作為實(shí)測辦公建筑1，對(duì)該建筑空調(diào)制冷系統(tǒng)排熱特性進(jìn)行連續(xù)實(shí)測.選取連續(xù)實(shí)測時(shí)間為2022年8月5日（周一）至8月11日（周日）整一周的時(shí)間，在此實(shí)測期間，深圳處于典型夏季高溫天氣以晴天為主，但受海洋氣候影響，個(gè)別測試日為暴雨天氣，測試期間室外最高溫度持續(xù)35℃以上.

該建筑為典型辦公建筑，由主樓和附樓兩個(gè)部分組成.其中主樓為辦公大樓，建筑層高4.5m，共22層；附樓為集會(huì)議廳、報(bào)告廳及消遣室為一體的多功能建筑，建筑層高5m，共4層.空調(diào)制冷機(jī)房位于主樓負(fù)二層，冷源系統(tǒng)為3臺(tái)離心式中心空調(diào)冷水機(jī)組，其中2臺(tái)額定制冷量為3686kW的機(jī)組于工作日運(yùn)行，另1臺(tái)額定制冷量為1230kW的機(jī)組用于周末備用運(yùn)行.冷卻水系統(tǒng)共有5臺(tái)玻璃纖維機(jī)械通風(fēng)橫流式冷卻塔，安裝于附樓樓頂，冷卻塔詳細(xì)安裝位置的俯視圖如圖1中①～⑤位置所示，其中②～⑤號(hào)冷卻塔水流量為500m3/h，對(duì)應(yīng)于2臺(tái)額定制冷量較大的冷水機(jī)組，①號(hào)冷卻塔的水流量為350m3/h，對(duì)應(yīng)于另外1臺(tái)額定制冷量較小的冷水機(jī)組.為滿意建筑各部分不同功能要求，整個(gè)建筑的空調(diào)系統(tǒng)分為以下兩個(gè)系統(tǒng)：集中空調(diào)系統(tǒng)，主樓1～4層以及附樓1，2層為定風(fēng)量系統(tǒng)，5～19層（除12層）為變風(fēng)量系統(tǒng)；VRV空調(diào)系統(tǒng)：主樓12層、20～22層以及附樓3，4層采納VRV空調(diào)系統(tǒng).1.2北京市實(shí)測建筑及空調(diào)制冷系統(tǒng)概況

本討論還選取了位于北京市區(qū)內(nèi)采納不同空調(diào)制冷方式的3座辦公建筑2～4作為討論對(duì)象.每座辦公建筑均選取某一個(gè)典型工作日進(jìn)行連續(xù)動(dòng)態(tài)實(shí)測，在此實(shí)測期間，北京處于典型夏季高溫晴每天氣，測試期間室外最高溫度持續(xù)30℃以上.

各實(shí)測建筑基本狀況及相應(yīng)空調(diào)制冷系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)如表1所示.

1.3實(shí)測內(nèi)容及儀器

為討論建筑空調(diào)制冷系統(tǒng)的排熱規(guī)律以及對(duì)建筑四周大氣熱濕環(huán)境所產(chǎn)生的影響，對(duì)全部與空調(diào)制冷系統(tǒng)排熱有關(guān)的參數(shù)進(jìn)行實(shí)測，深圳和北京的測試參數(shù)和內(nèi)容方法相同，主要包括大氣溫濕度、冷卻塔進(jìn)、出風(fēng)口溫濕度及風(fēng)速、制冷機(jī)組冷卻水及冷凍水的供、回水逐時(shí)溫度及流量.在室外露天測試空氣溫度時(shí)，為防止太陽輻射影響而實(shí)行了相應(yīng)遮陽措施.其中，大氣溫、濕度由溫濕度自計(jì)儀測得，以實(shí)測辦公建筑1為例，實(shí)測測點(diǎn)選取距冷卻塔邊緣30m、附樓樓面以上1.5m處，如圖1中⑦點(diǎn)位置所示；冷卻塔進(jìn)風(fēng)口空氣溫、濕度由溫濕度自計(jì)儀測得，測點(diǎn)選取每臺(tái)冷卻塔進(jìn)風(fēng)口前2m處；冷卻塔出風(fēng)口風(fēng)速由熱線風(fēng)速儀測得，冷卻塔出風(fēng)口空氣溫、濕度由溫濕度自計(jì)儀測得，測點(diǎn)均布置在每臺(tái)冷卻塔風(fēng)機(jī)吸入側(cè)的收縮段喉部斷面上并按等面積環(huán)分布，如圖2中所示；冷卻水及冷凍水的進(jìn)、出口溫度由熱電偶溫度采集自計(jì)儀測得；冷凍水及冷卻水流量采納超聲波流量計(jì)測量.

以實(shí)測辦公建筑1為例，測試參數(shù)及儀器如表2所示.實(shí)測建筑1的俯視圖以及空調(diào)系統(tǒng)測點(diǎn)布置圖如圖1～圖2所示.

2實(shí)測結(jié)果與分析

2.1冷卻塔進(jìn)出風(fēng)口空氣溫、濕度實(shí)測結(jié)果

對(duì)于實(shí)測辦公建筑1，在整一周的實(shí)測期間內(nèi)，室外大氣以及冷卻塔每個(gè)進(jìn)、出風(fēng)口測點(diǎn)空氣的溫度和相對(duì)濕度實(shí)時(shí)測試值均可通過相應(yīng)測點(diǎn)處的溫濕度自計(jì)儀直接獵取，對(duì)于工作日期間多臺(tái)冷卻塔同時(shí)運(yùn)行的狀況，此處冷卻塔的進(jìn)、出口空氣溫濕度值是指全部冷卻塔進(jìn)出口空氣溫濕度的平均值，溫濕度值隨時(shí)間變化曲線如圖3～圖4所示.

從圖3中的空氣溫度變化曲線看到，在連續(xù)一周空調(diào)制冷系統(tǒng)運(yùn)行的白天時(shí)間段內(nèi)，大氣溫度平均值33.51℃，冷卻塔入口和出口空氣溫度平均值分別為32.21℃及32.63℃，環(huán)境大氣溫度高于冷卻塔進(jìn)、出口空氣溫度，而冷卻塔的出口空氣溫度較進(jìn)口空氣溫度上升幅度較小僅為0.42℃.其中工作日12：00-16：00期間，冷卻塔排出口空氣對(duì)周邊大氣產(chǎn)生較為明顯的排冷降溫作用.依據(jù)大氣溫度及冷卻水溫度的實(shí)測值，在此期間大氣溫度較高，使得入塔空氣溫度與入塔冷卻水溫兩者溫差值較小，甚至消失入塔水溫低于入塔空氣溫度的狀況，最終導(dǎo)致冷卻塔出口空氣溫度低于入塔空氣溫度.

圖4為空氣相對(duì)濕度變化曲線，由于冷卻塔式室外機(jī)主要以潛熱方式向外排熱，進(jìn)出塔空氣的相對(duì)濕度值變化很大.在白天空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行期間，冷卻塔入口空氣相對(duì)濕度平均值為67.7%，經(jīng)過與塔內(nèi)冷卻水進(jìn)行熱質(zhì)交換后，冷卻塔出塔口空氣的相對(duì)濕度平均值基本穩(wěn)定在94.4%，以接近飽和的狀態(tài)排出塔外；而在空調(diào)系統(tǒng)關(guān)閉期間，冷卻塔進(jìn)、出口空氣的相對(duì)濕度大體全都.室外大氣的相對(duì)濕度在白天時(shí)間段的平均值為40.5%，明顯低于冷卻塔排出口空氣幾近飽和的相對(duì)濕度平均值，因此冷卻塔排出的濕空氣對(duì)塔四周濕環(huán)境的轉(zhuǎn)變很明顯.

2.2空調(diào)制冷系統(tǒng)排熱的實(shí)測結(jié)果

依據(jù)如表2所示的各實(shí)測參數(shù)的測試數(shù)據(jù)，按公式（1）～（3）中所列冷卻塔全熱排熱、顯熱排熱及潛熱排熱計(jì)算公式對(duì)冷卻塔每個(gè)出風(fēng)口的排熱量進(jìn)行計(jì)算，最終經(jīng)匯總可得到整一周實(shí)測期間內(nèi)辦公建筑1的空調(diào)制冷系統(tǒng)單位建筑面積總?cè)珶?、總顯熱及總潛熱排熱量隨時(shí)間變化曲線，如圖5所示.

如圖5中所示，在工作日，該辦公建筑1的空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間為8：00-17：00，在2臺(tái)額定制冷量為3868kW離心式冷水機(jī)組先后開啟初期，空調(diào)制冷系統(tǒng)的單位建筑面積排熱量存在較大波動(dòng)而峰值達(dá)到138W/m2，運(yùn)行穩(wěn)定后，空調(diào)制冷系統(tǒng)單位建筑面積全熱排熱量變化也趨于穩(wěn)定在82.75W/m2上下波動(dòng)，其中潛熱排熱的變化規(guī)律與全熱排熱大致相同，其單位建筑面積的實(shí)測平均值達(dá)到81.8W/m2；而單位建筑面積的顯熱排熱平均值很小僅為0.95W/m2，并在某些時(shí)刻由于冷卻水入塔溫度低于空氣入塔溫度而消失顯熱值負(fù)值的狀況.在測試期間，空調(diào)制冷系統(tǒng)的潛熱排熱總值占總排熱量的98.85%，而空調(diào)顯熱排熱僅占總排熱量的1.15%.

在周末日，該辦公建筑中僅剩少量辦公室及部分消遣空間需要開啟空調(diào)，此時(shí)僅開啟一臺(tái)額定制冷量為1230kW的小型離心式制冷機(jī)組及對(duì)應(yīng)一臺(tái)水流量為350m3/h的冷卻塔，如圖5所示，空調(diào)排熱值較穩(wěn)定，單位建筑面積全熱排熱的日平均實(shí)測值保持在20.24W/m2，大約相當(dāng)于工作日的22.2%，其中單位建筑面積潛熱排熱日均實(shí)測值為19.62W/m2，所占全熱排熱的比例為96.94%，而單位建筑面積顯熱排熱日均實(shí)測值為0.62W/m2，僅占全熱排熱的比例為3.04%.

2.3建筑空調(diào)制冷系統(tǒng)排熱與大氣溫濕度關(guān)系的實(shí)測分析

為分析顯熱和潛熱排熱分別隨主要影響因素大氣溫度和相對(duì)濕度變化規(guī)律，依據(jù)4座辦公建筑空調(diào)制冷系統(tǒng)在實(shí)測期間運(yùn)行時(shí)的大氣溫濕度實(shí)測數(shù)據(jù)，并利用如表2所示實(shí)測參數(shù)的測試數(shù)據(jù)按公式（1）～（3）計(jì)算得到各辦公建筑在對(duì)應(yīng)時(shí)間的單位建筑面積顯熱和潛熱排熱量隨時(shí)間變化值，變化規(guī)律分別如圖6～圖7所示.

圖6～圖7中，雖然各建筑實(shí)測期間對(duì)應(yīng)的室外氣候條件各異，同時(shí)各建筑設(shè)計(jì)冷負(fù)荷指標(biāo)及空調(diào)制冷系統(tǒng)型式也不盡相同，但4座實(shí)測辦公建筑的空調(diào)制冷系統(tǒng)單位建筑面積顯熱排熱量和潛熱排熱量都呈現(xiàn)隨室外大氣溫度和相對(duì)濕度上升而降低的全都趨勢(shì).這是由于隨著室外大氣溫度及相對(duì)濕度值上升，入塔空氣干、濕球溫度與入塔水溫的溫差值減小，空氣水界面的水蒸氣分壓力差值減小使冷卻塔內(nèi)部熱濕交換驅(qū)動(dòng)力下降，導(dǎo)致冷卻塔熱質(zhì)交換效率降低，顯熱及潛熱換熱量減小.圖6中建筑1，2，4空調(diào)制冷系統(tǒng)單位建筑面積的顯熱排熱值在-15～15W/m2范圍內(nèi)，而建筑3空調(diào)制冷系統(tǒng)單位建筑面積顯熱排熱值消失負(fù)值且數(shù)值較大約為-30～-70W/m2.分析緣由是建筑3實(shí)測當(dāng)日空調(diào)運(yùn)行期間內(nèi)室外大氣溫度平均值偏高為34.5℃左右，入塔空氣溫度和室外大氣溫度接近為33.9℃，同一時(shí)間段內(nèi)冷卻水進(jìn)塔水溫的實(shí)測平均值僅為31.4℃而明顯低于入塔空氣溫度.依據(jù)熱質(zhì)交換原理，濕式冷卻塔的散熱方式主要是接觸傳熱和蒸發(fā)散熱，此時(shí)塔內(nèi)水和空氣產(chǎn)生的接觸換熱使得空氣向水傳熱，因此空氣溫度下降明顯，而蒸發(fā)散熱主要表現(xiàn)在空氣側(cè)水蒸氣含量的增加，由此所引起的空氣溫度變化卻很小，因此，經(jīng)過塔內(nèi)熱質(zhì)交換過程，該建筑的出塔空氣溫度實(shí)測平均值為27.2℃反而低于入塔空氣溫度，并且進(jìn)出口空氣溫差較大為7.3℃，因此建筑3的單位建筑面積顯熱排熱呈現(xiàn)較大負(fù)值.

圖7中建筑1，3，4空調(diào)制冷系統(tǒng)單位建筑面積的潛熱排熱平均值在75～130W/m2范圍內(nèi)，而建筑2空調(diào)制冷系統(tǒng)單位建筑面積潛熱排熱值為160W/m2較大于其他建筑.分析其緣由是該建筑除常規(guī)的辦公房間外還包括多個(gè)干凈試驗(yàn)室，其空調(diào)冷負(fù)荷值大于其他一般辦公建筑，因此相應(yīng)當(dāng)建筑空調(diào)制冷系統(tǒng)全熱排熱量及占全熱排熱量絕大比例的潛熱排熱量也偏大于其他建筑.

2.4建筑空調(diào)制冷系統(tǒng)全熱排熱及制冷量與大氣溫濕度關(guān)系的實(shí)測分析

為分析辦公建筑空調(diào)系統(tǒng)全熱排熱、制冷量在室外大氣溫度和相對(duì)濕度兩個(gè)參數(shù)共同影響下的分布規(guī)律，依據(jù)4座辦公建筑空調(diào)制冷系統(tǒng)在實(shí)測期間運(yùn)行時(shí)的大氣溫濕度實(shí)測數(shù)據(jù)，以及利用如表2所示的實(shí)測參數(shù)的測試數(shù)據(jù)按公式（1）和（5）計(jì)算得到的各辦公建筑相應(yīng)時(shí)間內(nèi)單位建筑面積全熱排熱量及制冷量隨時(shí)間變化值，變化規(guī)律的三維分布圖如圖8～圖9所示.

從整體分布規(guī)律來看，當(dāng)室外氣候條件從低溫低濕到高溫高濕變化時(shí)，冷卻塔傳熱傳質(zhì)性能下降，冷卻塔出水溫度進(jìn)而偏高，從而導(dǎo)致建筑空調(diào)制冷系統(tǒng)的冷凝效果減低，最終使得實(shí)測辦公建筑空調(diào)制冷系統(tǒng)的單位建筑面積制冷量及全熱排熱量也隨之下降.

從詳細(xì)數(shù)值來看，正如前面所分析，由于辦公建筑2的空調(diào)冷負(fù)荷值較其他辦公建筑偏大，因此辦公建筑2的空調(diào)制冷系統(tǒng)單位建筑面積全熱排熱量及制冷量均大于其他辦公建筑1，3，4.另外，各辦公建筑空調(diào)制冷系統(tǒng)的單位建筑面積全熱排熱量均大于對(duì)應(yīng)的單位建筑面積制冷量，并且由于各實(shí)測辦公建筑的空調(diào)制冷機(jī)組實(shí)際運(yùn)行性能參數(shù)不同，這4座辦公建筑實(shí)測期間單位建筑面積全熱排熱量與制冷量平均值的比值也不同，大致在1.29～1.56范圍內(nèi)，為體現(xiàn)建筑空調(diào)制冷系統(tǒng)向大氣排熱效率，此處提出建筑空調(diào)制冷系統(tǒng)大氣排熱效率比HRER（heatrejectionefficiencyratio）的概念，并可按如下公式進(jìn)行描述：

HRER=Q.T/Q.E.（6）

式中：Q.T為空調(diào)制冷系統(tǒng)單位建筑面積全熱排熱量，W/m2；Q.E為空調(diào)制冷系統(tǒng)單位建筑面積制冷量，W/m2.由公式（6）可知，大氣排熱效率比HRER的數(shù)值越大，則表明建筑空調(diào)制冷機(jī)組制取單位制冷量時(shí)向室外排放的熱量越多，反映了該建筑為維持建筑內(nèi)部熱舒適環(huán)境要求所需向外界的排熱對(duì)大氣熱濕氣候帶來的影響越大.

3結(jié)論

1）在連續(xù)一周