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1、在香港住宅建筑采用水冷空调在香港住宅建筑采用水冷空调摘要:本研究的目的是对香港住宅建筑使用水冷空调的势能节省进行一个现实的预测。为了实验研究，拥有空气冷却(AAC)和水冷却(WAC)设备的拼装式空调在不同的室内和室外的条件被建立，两个设备的冷却输出、功率消耗及性能系数(COP)被测量和比较。实验结果表明, 在平均情况下WAC的COP比AAC的高17.4%。在不同操作条件及负荷特性下，结果证实WACs和AACs性能的数学模型，而WACs的数学模型记录在更早的文件中，本文着重论述了AAC的实验研究。在香港的住宅建筑，数学模型被进一步用于预测WACs节能潜力。预测是基于实际房屋开发和现实的运行特性，
2、整个能源储蓄估计大约是香港住宅建筑电力消费总额的8.7%。因此，在亚热带城市WACs的应用被广泛推荐。关键词:国内空调;实验研究;居住建筑;潜在的节能1介绍在香港, 以能源经济使用一流的香港的视觉看，有越来越多的人对当地环境和世界生态系统的能源消耗和它的含意日益关注。自从1998年以来, 在香港非国内建筑的能源效率办事处(EEO)一直在探索扩大应用高效节能水冷却空调系统(WACs)和地区冷却系统(DCS)。据人们推测,采用WACs和DCS的可完成能源将分别占24%和35%1,2，那大约相当于香港总电力消费的14%和21%。到目前为止，政府公投重点介绍了非国内建筑领域。能源统计表明,电力消费占所
3、有国内产业的份额从1990年的22%增加至2003年的25%3，主要由于人们越来越多地利用空调4。这表明, 在国内电力消费领域，行动必须被用来减少电力消耗。空冷空调(AACs)通常用于香港和世界各地的住宅建筑，这种做法对香港的局面是尤其的无效。夏天的高室外空气温度(35)是其中一个原因,导致大部分空气冷却机组性能系数下降到范围2.2-2.45；进一步的降解能源性能的另一个一般的做法是AACs定位在腔体空间。书柜的侧面空间是由个别单位从各地的建筑核心向外延伸到更多的外部墙壁和窗户6,7。虽然对热消耗水的使用被认为是高效节能的选择，但是它主要应用在大吨位的商业建筑，很少用于国内领域。这是由于这样的
4、事实,即对国内领域水冷却空调(WACs)的综合效益缺乏详细的分析。在国内领域使用WACs的综合效益评价需要获得居住建筑的详细活动和负载模型，AACs和WACs的具体性能数据,模拟工具来预测不同的操作和负载条件的能量消耗情况。人们普遍认为,住宅建筑的活动和负载模式是高度变化的。关于住宅建筑之前的研究集中在这个领域，它提供了用户行为在手术室空调内非常详细的数据8，各类照明和家居用品的装机功率密度和居民单元的使用模型9和专门目录10。不像活动和负载模型，在公众文献中，AACs和WACs的性能数据是非常有限的。参考三大主要的厂家和一些小空调生产厂家性能目录，指出WACs的性能参数是可得到的和AACs(
5、包括窗口和分裂类型)的数据是专为额定工况11。仿真工具的可用性是另一个问题。研究指出，通过预测中央空调系统的能源消费，仿真工具被广泛使用，但他们几乎不能被用于预测住宅建筑的空调能耗，它涉及到房间和空调的复杂联合和空调的高度可变的运作模式12-14。在压缩机设计和能力控制规定，那是有差异的。对于中央空调系统的冷却器机组，三种类型的压缩机是最常用：往复式、螺杆式、离心式。这些压缩机通常提供冷却输出的精确控制，用于国内空调的控制旋转压缩机是非常简单的。人们指出叫BECRES(建筑能耗-住宅)的模拟程序可以预测住宅建筑空调的能源消耗，它是由Yik在1999年建立的15。仿真程序的主要特点是处理房间的混
6、合搭配和居民住宅空调，窗户和分裂类型的AACs性能模型包括空调模型。拼装式AAC模型源自制造商技术手册所获得的性能数据，窗口类型AACs模型源自试验结果得到的数据。考虑到没有WAC包括在BECRES和WACs的性能参数没有出现在公众文学，通过实验研究，由作者完成的以前的研究已经确定了WACs的性能特点。通过预测WACs以及凝汽器水系统的性能和能耗，实验结果已用于制定数学模型，这次研究的详情已经报道在以前的文献16。在这项研究中,早期的WAC模型将会并入BECRES和AAC模型的性能特性将会通过试验研究来证实。BECRES将被雇用来预测在香港住宅建筑使用AACs和WACs的能耗，广泛应用在香港的
7、WACs整体效益是建立在香港的一个典型住宅的建立和运行特点的基础上。2. 试验研究2.1.设备在确定WACs和AACs的性能特点方面，一个原型WAC和拼装式AAC被雇用来做一系列的试验研究，详细的配置和原型WAC的规格被发表在一项独立研究上。拼装式AAC和原型WAC有相同的额定散热能力，都是3.4千瓦。同样的室内单位已被采纳，它包含毛细管和带有铜管和铝片的DX(直接膨胀)蒸发器。户外单元由一个空冷冷凝器和回转式压缩机，压缩机没有能力控制提供。按照室内设置点的温度，冷却输出已经被控制，额定能耗是1.41千瓦。2.2.实验装备在环境室内，对单位的性能进行测试。室内和室外机组被放在两种完全分离和绝缘
8、的环境室内，一种情况是户外的条件相似,而另一种情况是室内条件相似。通过调整潜热输出，热发电机和湿气发生器用来模拟不同室内和室外操作条件。WAC原型实验机组的试验条件是一致的。最大的室内空调冷负荷由建筑传热仿真程序HTB217和聚类分析18决定。室内外系数变化的大小 表一参考到卧室的维度、设计和香港五个新住宅物业发展空调设备的特点，最大的室外温度和2005年香港的干灯泡和湿灯泡温度遵循一致19。在实验中，室内及室外内庭的热条件和室内热功率的大小见表1。测量冷却输出时,两干灯泡和湿灯泡温度传感器被安置在室内单位的回、送风渠道内。同样,为了预测总热消耗量，两干灯泡和湿灯泡温度传感器被安置在户外单位的
9、供应和排气渠道。空气的流通率以热风速计测量，电源的输入以功率计测量，所有温度计,流量仪表和功率传感器连接了两个数据采集器一起使用。2.3.实验结果与WAC原型性能比较，单位冷负荷输出、操作COPs和能量功耗被测量和计算，从测量读数获得了能量功耗。冷负荷输出和COPs使用已测数据和以下方程计算: (1) (2) (3) (4)在不同室内载荷、显热比和户外条件，WAC和AAC的平均COP在图一中比较。WAC和AAC的平均COP 图一他们表示COPx,Q,SHR和COPx,Q,Toa；X表示水冷却(w)或空气冷却(a)；其他下标代表实验中条件差异。Q表示室内负载条件下变化在0.5千瓦间隔；SHR表示
10、的显热比在0.05间隔内从0.7 变化到0.8；Toa表示了室外空气温度在5内从25变化到30。我们可以看出WAC的平均COPs比AAC高14.1-20% ，AAC的COPs的变化范围是2.1-2.8，而WAC的变化范围是2.5-3.2，这相当于平均相差17.4%。结果清楚地表明,WACs比AACs更有效节能。3. 仿真工具3.1. BECRES (建筑能耗-住宅)BECRES是一个计算机仿真程序，它被建立去预测用在复杂和高度可变的住宅的情况。BECRES本身并不包括预测的各种空调房间冷负荷的仿真程序系统，但它依赖HTB2提供这样的预测。BECRES允许用户定义空调的经营模式,包括每日和每季度
11、的时间表。BECRES主要包括五个空调模型，一个窗口类型空调、,四个拼装式空调(每空调包括一至四个室内单元)，所有的单元都是气冷单元。3.2.AAC模型考虑到变量冷却负荷及室内外温度，该模型能够预测AACs的电能消耗。为了模拟空调性能，采用BECRES的数学模型如下几种方程。 (5) (6)当空调的冷负荷是QL时，窗型空调的输入功率(W)如下: (7)S是空调的开/关状态(1开;0关)；wF是归一化固定输入到空调的功率。当总的空调冷负荷是QL时，拼装式空调的输入功率(W)如下: (8) (9)QL是室内单元冷负荷(kW)； SL,i是室内单元的开/关状态(1开;0关)以及wF,i是归一化固定的
12、输入到室内单元的功率。3.3.WAC模型模拟WACs性能所采用的数学模型与AAC模型是相似的，仅仅是能源使用随冷负荷、室内温度和进入冷凝器水温度而变化。WAC的输入功率会考虑凝汽器水系统的消耗，即循环泵、冷却塔风机消耗(WF)。以下是预测WACs的数学模型电能消耗: (10) (11) (12)3.4. 默认系数AAC和WAC模型的默认系数和额定输入功率(wF)给出表2和3。AAC模型的默认系数 表2他们基于室外温度35，室内温度27的额定条件，QR和WR是符合额定条件下用户定义的标准。WAC模型的默认系数 表33.5. 验证AAC模型AAC的默认系数和额定输入功率分布图 图2基于表2的默认系
13、数和额定输入功率，不同负载条件下预测的能源消耗被计算出来。图2显示实验值及预测值之间的比较，可以看出他们互相配比，AAC的确定系数是0.94。4. 能源利用评估4.1. 个案研究建筑具体评估研究是在公共住宅街区设计一个40层楼,每层楼20单位。它被选择是因为超过30%的香港人口居住在这种类型的居民区，它是采用最新开发的公共住房的标准设计20。标准楼层布局展现在图3中。 标准住宅楼层布局图可以看出,有5个典型的布局:工作室单元,一间卧室单元(两种类型)和两间卧室单元(两种类型)。假设工作室单元是为一个人,一间卧室单元为一个两口之家和两间卧室单元为一个四口之家。各单元提供一间浴室,一间客厅和一间厨
14、房。净空高度约为2.7米。4.2. 冷却负荷预测考虑到活动和负载模式的日变化，HTB2被用来预测年度冷负荷和年度能源能耗，与周边建筑遮蔽和间隔的影响被考虑使用遮光罩。在某一特定太阳的位置，遮光罩是暴露面积的估量。一年到头ECOTECT根据一个三维CAD模型个案研究大楼计算出结果，结果指出在20层之内不偏离很多。因此，案例研究建筑表现为三种典型的地板:冷负荷预测的底层、第20层与第40层。4.3. 活动和负载模型来至于建筑调查信息的详细活动模式包括用户的行为在操作空调和内部负荷强度,它是为模拟能耗空调制定家庭日常冷负荷的基本信息。因此,参考(i)房间空调经营模式的先前研究，(ii)灯及家居用品的
15、安装功率密度和他们的使用方式，(iii)居民单元的职业清单。操作模式总结如表4所示4.4. 空调的能力安装在客厅、餐厅、卧室的水冷机组和空冷机组的性能各有特点。机组的能力是基于由HTB2预测的冷负荷峰值。5结果和讨论BECRES被用来预测设计实例的建筑物的年度能源消耗(AEC)。 利用AACs和WACs的能耗进行比较，可以看出，WACs的使用可以获得每年16.2%的节能，这已考虑使用凝汽器水系统的额外能源。每月的能源消耗如图4对照。如图4，每月的能源消耗的高峰期在七月，低谷期在四月，这是符合香港室外空气的温度场分布21的。研究还表明,在7月的最大需要量还可以大大减少27.4%。这是由于WACs的更高CO
