梁超1 李先庭2 邵晓亮3 闫帅2
1 中国农业大学 2 清华大学 3 北京科技大学
【摘 要】随着各类高效气流组织形式的发展，已经逐渐从均匀室内环境的营造转向仅保障房间内局部区域的非均匀室内环境的营造。目前虽已有部分非均匀环境空调系统负荷的概念，但其计算主要是基于保障整个工作区来进行，而非仅保障其中的局部区域。针对该问题，本文推导出非均匀环境空调系统负荷由室内负荷、回风负荷和新风负荷构成，指出非均匀环境与均匀环境空调系统负荷的最大不同之处在于回风负荷。研究表明，营造非均匀环境通常可有效地降低室内负荷，但同时其回风负荷也增大了，从而使得系统负荷降低较少。最后，通过讨论发现只有充分利用自然冷源并采用不同能效水平的冷源来分级处理负荷，才能发挥非均匀环境的节能潜力以实现空调系统能耗的降低。
【关键词】 非均匀环境 空调系统 气流组织 局部区域 回风 负荷
【基金项目】该论文由国家重点研发计划项目（编号2016YFC0700302）、国家自然科学基金重点项目（编号51638010）、国家自然科学基金面上项目（编号51578306）等资助
Abstract:With the development of air distribution, it exists a paradigm shift from creating uniform indoor environment to creating non-uniform indoor environment, and from guaranteeing the entire room to guaranteeing only the local zone of the room. However, at present, there is no concept and calculation method for the air conditioning system cooling load in the general non-uniform indoor environment when only the local zone is controlled. With respect to this problem, the air conditioning system cooling load in the general non-uniform indoor environment was derived in this paper, which was composed of local cooling load, return air cooling load and fresh air cooling load. It showed that the return air cooling load is the biggest difference of the system cooling load in the uniform and non-uniform environment. In the non-uniform environment, the local cooling load is usually lower but the return air cooling load is higher instead, which causes the system cooling load is not decreased obviously comparing with that in the uniform environment. Finally, it pointed out that using the cooling sources with different levels to deal with the cooling load is the significant way to really decrease the air conditioning energy consumption in the non-uniform environment.
Keywords:Non-uniform indoor environment Air conditioning system Air distribution Local air zone Return air Cooling load
1 引言
近些年随着置换通风[1-2] 、地板送风[3-4] 、分层空调[5-6] 和个性化通风[7-8] 等各类气流组织形式的发展，人们已经逐渐从均匀室内环境的营造转向非均匀室内环境的营造[9]，逐渐从保障整个房间转向仅保障房间内的局部区域，以满足实际需求和降低空调能耗，如图1所示。为此，必须全面认识仅保障局部区域时非均匀室内环境的系统负荷概念及其构成等，才能更好地营造出面向需求且高效的非均匀室内环境。
当前关于非均匀环境空调系统负荷的计算方法，仍然主要按照传统均匀混合通风下的方法来计算。即在不考虑再热和漏热等条件下，稳态时空调系统负荷Qsystem直接等于室内负荷Qspace（稳态时等于室内总得热量Qgain）与新风负荷Qfresh之和。这种直接将均匀环境空调系统负荷的计算方法应用到非均匀环境中的做法，既不可靠又不准确。随后，有学者针对置换通风和地板送风等下送风系统营造的非均匀室内环境[10] ，基于热平衡关系提出了新的计算方法，具体如图2所示。
![图2 下送风系统的示意图[10]](http://www.myjianzhu.com/file/upload/202404/10/214523831.jpg)
根据热平衡关系可知，下送风系统的系统负荷Q´coil可按照式（1）来计算：
其中，Q´coil为下送风系统的空调系统负荷，Qgain为室内总得热量，Qfresh为新风负荷，m´ecp(t´e-tset)为排风与室内设定点间焓差。
由式（1）可看出，在忽略围护结构得热变化的情况下，由于下送风营造的非均匀室内环境中其排风温度t´e大于室内设定温度tset，从而使得其系统负荷比均匀室内环境的低ΔQ´coil （即m´ecp(t´e-tset)）。
上述建立的非均匀环境系统负荷计算方法，比传统均匀环境系统负荷计算方法更先进，它考虑了排风参数对系统负荷的影响。但是仍然存在以下两个问题：a）保障区域仍是整个工作区，而不是大小和位置可自由变化的局部区域；b）不能体现非均匀室内环境中送风温度较高的特点，从而不能反映提高送风温度高而使冷机能效比高的好处。
因此可知，目前已有的非均匀环境空调系统负荷的概念与计算，主要是基于保障整个工作区来进行的。虽然工作区与非工作区的划分可以算是非均匀室内环境的一种，但尚缺乏对保障区域大小和位置可任意变化的非均匀室内环境营造的深入研究。针对上述问题，本文将先介绍传统均匀环境空调系统负荷的计算方法及其成立的前提条件；然后，基于焓湿图来分析非均匀环境的空调系统负荷，推导出非均匀环境的空调系统负荷的构成表达式，并指出其与均匀环境的不同之处；最后，基于均匀环境与非均匀环境空调系统负荷的各自表达式，揭示出非均匀环境空调系统负荷降低的本质，并讨论如何进一步真正地实现节能。
2 传统均匀环境空调系统负荷
传统空调系统在设计过程中，通常将室内环境视为均匀混合。按空气来源进行分类，集中式空调系统可以分为封闭式系统、直流式系统和混合式系统。其中，一次回风系统（属于混合式系统）是最常采用的一种空调系统形式，如下图所示：
如图3所示，此时室内参数均匀分布，因此回风的比焓hr和排风的比焓he均等于室内设定值hspace_set。由于回风状态参数点R与室内设定参数点Set完全相同而重合，图3（b）中并没有显示回风状态参数点R。假如不考虑系统再热、风机散热和管道漏热等因素，对于传统均匀环境空调系统，稳态时其系统负荷Qsystem等于室内负荷Qspace和新风负荷Qfresh之和，具体如下式所示：
式中Qfresh为新风负荷，稳态时等于新风焓值hf与室内设定焓值hspace_set的焓差乘以新风量mf，即mf(hf-hspace_set)；Qspace为传统均匀环境的室内负荷，稳态时等于送风焓值hs与室内设定焓值hspace_set的焓差乘以送风量ms，即ms(hs-hspace_set)；另外，将其应用到非均匀环境中，即将保障区域从均匀室内环境的整个房间拓展到非均匀室内环境的局部区域，相应地将整个房间空气设定温度和相对湿度所对应的比焓hspace_set拓展到局部区域空气设定温度和相对湿度所对应的比焓hlocal_set，则可获得非均匀环境的室内负荷，称为局部负荷[11-12] ，具体如下式所示：
Qlocal=ms(hlocal_set-hs) (3)
式中hlocal_set为局部区域空气设定温度和湿度所对应的比焓，Qlocal为非均匀室内环境下的局部负荷。当室内为均匀混合时，此时局部区域的参数等于整个房间的参数，即hlocal_set= hspace_set，从而非均匀室内环境的局部负荷等于传统均匀环境的室内负荷，即Qlocal = Qspace。这表明局部负荷具有通用性，既可以适用于传统的均匀室内环境，又可以适用于任意的非均匀室内环境；或者换个角度说，局部负荷是传统室内负荷的拓展与延伸，而传统室内负荷是局部负荷的一个特例。
传统均匀环境空调系统负荷计算表达式（2）成立的前提是回风状态点R等于室内设定点Set。只有这个前提满足，Set点和F点才能混合成M点，才会有ms(hm-hspace_set)= mf(hf-hspace_set)，从而才能推导出Qsystem = Qspace+Qfresh。基于式（2），传统均匀环境空调的系统负荷可以拆成两个相对独立的部分，即室内负荷Qspace和新风负荷Qfresh，这样概念清晰且计算简单。
然而，对于非均匀室内环境，其室内参数是非均匀分布的，回风状态点R与室内设定点Set很可能不同，因此非均匀环境空调的系统负荷将变得不同且复杂，从而需要进一步研究分析。
3 非均匀室内环境空调系统负荷
对于非均匀室内环境的营造，不管是民用领域还是工业领域的空调系统，最常采用的同样也是一次回风系统，具体如下图所示：
首先，类似于式（1），可以从热平衡的角度来分析非均匀环境的系统负荷，具体如下式所示：
Qsystem=Qgain+mfhf-mehe （4）
利用式（4）可以准确地计算出非均匀环境系统负荷的大小，而且还可发现其与传统均匀环境系统负荷的不同主要在于室内总得热量Qgain和排风mehe。但是，一方面，它不能体现出系统负荷的品位，即不能体现非均匀环境中送风温度较高而冷机能效比较高的特点；另一方面，它将整个空气处理过程视为一个黑箱，不能反映新风、回风和送风等的处理变化过程，从而有碍于我们对系统负荷的认识。因此，有必要对非均匀环境空调系统负荷的构成进一步研究。
回风参数是非均匀环境与均匀环境区别的关键所在，也是体现整个空气处理过程的重要部分，因此可先对回风参数进行分析。非均匀环境中的回风状态点R可能大于也可能小于室内设定点Set，从而存在两种可能的空气处理过程，如下图所示：
由图5中可知，不管回风参数大于还是小于室内设定参数，其系统负荷都等于混风点M与送风点S焓差乘以送风量，具体如下式所示：
Qsystem= mrhr+mfhf-mshs （5）
然后，在式（5）等号右边加减一个ms hlocal_set，并进行移项合并等操作，可得：
由式（6）可知，非均匀环境的系统负荷Qsystem并不等于室内负荷Qlocal与新风负荷Qfresh之和，而是额外多了一项mr (hr -hlocal_set)。另外，从图5中也可发现，额外多出的mr (hr -hlocal_set)项可用局部区域设定点Set到回风点R之间的变化过程来表示，即图中的红线部分。因此，这里不妨将mr (hr -hlocal_set)定义为回风负荷Qreturn，具体如下式所示：
Qreturn =mr (hr -hset) （7）
回过头来看，新增的Set-R变化过程其实就代表了回风负荷Qreturn，即利用回风负荷来定量地反映非均匀环境中回风参数对系统负荷所带来的影响。而对于传统均匀环境，其回风参数hr与室内设定参数hset一致，使得回风负荷Qreturn为0。
因此，通过式（6）可知非均匀环境空调的系统负荷由局部负荷、新风负荷和回风负荷构成，其中回风负荷是非均匀环境不同于传统均匀环境的重要负荷来源。式（6）不仅可以定量地计算出系统负荷的大小，而且一定程度上能体现系统负荷的品位。因为它将系统负荷拆成三项负荷，这意味着承担每项负荷所需要的空气处理装置和冷源的能效比可能不同，从而意味着系统负荷的品位不同。式（6）还可以清楚地反映新风、回风和送风等的空气处理过程。另外，式（6）还可发现，非均匀室内环境局部负荷的降低并不意味着系统负荷的降低，因为多出了回风负荷这一项。实际中通常采用一次回风系统，导致高温的回风返回空调箱形成回风负荷，从而使得现有非均匀环境空调最终的系统负荷降低得并不多。
对于直流式系统（全新风系统）和封闭式系统（全回风系统），它们均可视为一次回风系统的特例（即新风比为0或回风比为0）。直流式系统中，其空调系统负荷Qsystem直接等于局部负荷Qlocal与新风负荷Qfresh之和，当局部负荷降低时，系统负荷随之减小；而封闭式系统中，其空调系统负荷Qsystem直接等于局部负荷Qlocal与回风负荷Qreturn之和，此时无论局部负荷如何变化，系统负荷保持不变。
4 讨论与分析
由非均匀环境局部负荷的定义式（3）可知，以夏季空调工况为例且仅考虑显热，当热源总强度不变时，通过改善气流组织等可较明显地提高送风温度Ts（若送风量ms不变）从而降低其局部负荷Qlocal的大小。但是，根据非均匀环境回风负荷的定义式（7）可知，当热源总强度不变时，送风温度Ts的提高会使得回风温度Tr也得到提高，从而增大回风负荷Qreturn。因此综合式（3）和式（7）可知，通过改善气流组织等方式，只是将非均匀环境的室内负荷转移成了回风负荷，而使得系统负荷降低得很少。再结合热平衡关系式（4）可知，相比于均匀环境，非均匀环境的系统负荷减小的主要收益，来自于少量排风、围护结构得热带来的好处，以及外界气象条件合适时加大新风量带来的好处，但由于实际系统中排风量较小且围护结构负荷占比较小从而使得其收益在数量上较小。极端情况下，如果建筑保温、密闭性很好且完全没有新风，此时非均匀室内环境营造时的系统负荷与传统均匀混合营造方式下的系统负荷数量将完全一样！
从均匀环境的营造转向非均匀环境的营造，只不过是将室内负荷转移到了回风负荷，如果此时室内负荷、回风负荷和新风负荷均采用同样品位的冷源进行处理，则非均匀环境节约的能耗非常有限，无法实现空调能耗的大幅度降低。因此，为了降低空调系统能耗，可以将非均匀环境的空调系统负荷拆分成回风负荷、新风负荷和局部负荷等并采用不同能效的冷源来分级处理。以夏季为例，回风、新风、室内热源与围护结构等均存在可以利用自然环境低品位冷源（通常高于室内需要的温度，这突破了仅低于室内温度才可当做冷源的传统认识的局限性）直接去除热量的可能性，剩余部分也有相当比例可以用高温冷源进行处理，只有最难处理的那一部分才需要用传统的高品位冷源处理。由于不同品位冷源处理时的能效比COP不同而所付出的代价不同，从而可真正实现非均匀环境空调系统能耗的降低。
5 结论
本章分析了非均匀室内环境空调系统负荷的构成，通过对比均匀环境与非均匀环境的空调系统负荷的异同，揭示了传统通过高效气流组织营造非均匀环境来降低空调系统负荷的本质，并讨论了如何充分发挥非均匀环境节能潜力的方法以真正降低空调系统能耗，具体的研究结论如下：
（1）非均匀环境空调系统负荷由局部负荷、回风负荷和新风负荷构成，其中回风负荷是其与传统均匀环境系统负荷的最大不同之处。
（2）通过改善气流组织等方式，只是将非均匀环境的室内负荷转移成了回风负荷，而使得非均匀环境空调系统负荷降低不明显。极端情况下，如果建筑保温、密闭性很好且完全没有新风，则非均匀环境与均匀环境的空调系统负荷完全相同。
（3）通过采用不同能效水平的冷源来处理非均匀环境的系统负荷，并尽可能地采用自然环境低品位冷源，可充分发挥出非均匀环境的节能潜力，以真正实现其空调能耗的降低。
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备注：本文收录于《建筑环境与能源》2018年10月刊总第15期（第21届暖通空调制冷学术年会文集）。
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