张锡虎教授的关于冬季空调房间供冷的讲义

第三，外区空调房间的冬季冷负荷，除 了室内照明、人员、设备等热量可与夏 季取值相同以外，太阳辐射得热与外围 护结构散热的比较，应以哪个状态点 （何日的太阳赤纬和什么室外计算温度） 为基准？什么是最不利条件？还没有得 到明确和合理的概念。
5）解决冬季空调房间冷负 荷的主要方法 解决冬季空调房间的冷负 荷问题，首先要合理划分时 段。大致可以分为以下三个 阶段：
以上计算，都基于最小新风量标 准，如果按照有利于节能的原则，具 备适当增加新风量的条件，应该可以 满足使用要求。事实上，许多两管制 的系统，经过改造，采用适当增加新 风量的办法，取得了较好的效果。许 多新的设计，也在采用这种办法。
新风处理机组选择及控制 ※ 新风处理机组的中档风 量，宜按照最小新风量标准 选择，同时应具备区别于中 档风量的低档风量和高档风 量的转换功能。
按照新风量取20m3/h·人，每人占 有使用面积3m2计算，新风可以担 负的冷负荷约为:
20 ×1.2(34 − 8.4) ×1000 2 ≈ 57W / m 3 × 3600
可见，当冬季显热负荷不大 于60W/m2的空调房间，都有条 件利用新风作为冷源，而当显 热负荷密度较大、新风不足以 满足供冷要求时，才需要运行 冷却塔供冷。
第一阶段，当室外空气温度开始低于室内温 度，例如北京的九月或四月，冷源系统的冷负 荷特别是新风负荷减少，制冷设备的主体部分 可以停止供冷运行了，但内区空调房间和发生 冷负荷的外区空调房间，大致在室外空气干球 温度＜10℃、湿球温度＜5℃之前，制冷设备仍 需要部分延续供冷运行。这个阶段会延续到建 筑的其他区域已有供暖需求了。
※ 本采暖季，北京市建筑 设计研究院五所设计的某 医院病房楼，在不供暖的 情况下，若干时段南向房 间室温过高。
※ 某设计单位正在设计某严寒 地区的民航空管站，其控制机房 需要全年供冷，采用风冷式恒温 恒湿空调机组系统，困难的问题 可能不是夏季，而是在冬季空调 室外计算温度-27℃条件下如何 供冷运行？
有资料认为：冬季需要供冷房间的设 计计算温度，办公类用房可取24℃，商 场类用房可取22℃，即可较冬季供暖房 间的设计温度高5～6℃。 即使是对于外区，由于提高了室内计 算温度，外围护结构散热增大，与太阳 辐射得热量和内部发热量比较的差额减 少，仍可降低所需供冷量。
第二，由于冬季室外新风的含湿 量很低，需保证室内相对湿度的场 合，空调系统还要配置加湿措施， 空调房间得到的潜热是有利因素， 不需要加以消除，因此冬季的冷负 荷可只计算显热，不必计算全热。 这既有利于减少所需供冷量，也可 以提高房间的舒适度。
3）冬季空调房间的冷负荷 内区空调房间由于没有外围护 结构向室外散热，而只有内部人 员、照明和设备等向室内散热， 冷负荷是常年发生的。
外区的空调房间，即使在严寒和寒冷 地区，如果太阳辐射得热大于外围护结 构散热，或者是人员密集和内部发热量 较大，外围护结构散热小于内部发热量 时，冬季也可能发生冷负荷。外围护结 构特别是窗的热工性能逐步改善之后， 这种现象出现的概率大为增多。
需要选用扩散性能好的风口， 或者可以将新风接入风机盘管的 出口静压箱内，与风机盘管吸入 和送出（因为有冷负荷而不加热） 的室内22℃～24℃回风混合后送 出，就可以解决合理送风温差的 问题。
9) 空调水系统制式的选择，与应对冬季空调 房间冷负荷的关系 空调水系统制式分为两管制、分区两管制 或四管制。一般来说，所有区域同时在夏季 供冷、冬季供暖时，应采用两管制水系统。 只有一些区域需全年供冷时，宜采用分区两 管制水系统。供冷和供暖工况交替频繁或同 时使用时，则需要采用四管制水系统。可 见，只有分区两管制和四管制，是针对冬季 空调房间冷负荷的。
※ 当房间内人员密度降低（CO2 浓度低于设定值）时，转换为低 档风量运行；当供冷工况室外空 气焓值低于（或供热工况室外空 气焓值高于）室内空气焓设定值 时，转换为高档风量运行。
8)为了增大室外新风的供冷能力， 风机盘管加集中新风系统可以采用 较低的送风温度吗？ 按照送风温差不宜大于10℃的原 则，对于冬季设计室温为22～24℃ 且有冷负荷的场合，送风温度不宜 低于12℃～14℃，6℃这样的低温新 风，当然不可以直接送出。
空调房间冬季冷负荷 及其应对的探讨
北京市建筑设计研究院 张锡虎 2011.1 zhangxihu@
声
明
1）问题的提出，并非来源于规范标准的 规定，而是实际工程的需要； 2）本探讨并非结果和结论，而是认识过 程，且是初级阶段的认识； 3）与若干领域的问题一样，原理的研究 落后于应用。
有些资料将冷却塔供冷称之为 “免费供冷系统”，这种说法虽然 并不确切，但从利用较低室外空 气湿球温度的条件，代替制冷机 供冷，确能取得一定节能和节省 运行费用的效益。
7)利用室外新风能有多大的供冷容量？ 当室外温度低于5℃或低于0℃以后，就 有条件利用室外新风作为冷源。特别是当 室外温度低于0℃以后，如果继续采用冷 却塔供冷，就需要采取一系列防冻措施。 因此，在室外温度较低时段，应当尽量采 用比冷却塔供冷更为经济简便的利用室外 新风的方式。
例如：通常采用的12mm空气间隔层中空玻璃 断桥铝合金外窗传热系数，约为2.8W/(m2·K),当 室内外温差为30℃时，传热损失为84W/m2，而 太阳辐射得热形成的负荷，会远大于传热损失。 在窗墙面积比很大、可开启面积很小、且有较 多内部发热量的情况下，许多大型公共建筑的 外区空调房间，在冬季的某些时段即使不供暖 也会过热。
时段的划分也因地区而有所 区别，例如：夏热冬冷地区， 可以利用冷却塔供冷的时段会 比较长，寒冷特别是严寒地 区，可以采用室外新风作为冷 源的时段会比较长。
6) 冷却塔供冷可以适合于什么场合？ 冷却塔供冷主要适合于采用风机盘管加集 中新风系统，且为分区两管制或四管制的内 区风机盘管水系统，也可以适合于其他场合。 当室外空气温度即使降低到干球温度10℃ 以下，不仅是内区，外区也可能有供冷要 求，而此时如采用室外新风供冷尚不足以满 足，需要继续运行制冷设备提供冷源。
但是，外区空调房间冬季冷负荷 是得热量和外围护结构散热量的差 额，具有不规则的特点，既与房间 朝向、窗墙面积比和外围护结构传 热性能等固定因素有关，更受室外 温度、日射时间等瞬变因素影响， 冷负荷不是全日的，会与热负荷交 替出现。
4) 冬季空调房间冷负荷计算的特点பைடு நூலகம்
对于一般舒适性空调，冬季空调房间冷负荷计算 有两个特点。 第一，用于确定所需供冷量的室内计算温度取 值，宜高于冬季供暖房间的设计温度。节能设计标 准和能源管理制度，对于空调房间冬季供暖温度作 了严格的限制。如果提高需要供暖房间室内计算温 度，虽然可以改善热舒适度，但是要增加供暖热量。 而提高需要供冷房间的室内计算温度，可以减少供 冷量，又改善了热舒适度。
1) 有关规范
※《采暖通风与空气调节设计规范》6.2节 的各条，只有“夏季冷负荷”和“冬季热负 荷”，而没有“冬季冷负荷”。 ※ 在编的《民用建筑采暖通风与空气调节 设计规范》（征求意见稿）7.2.1条更具体 提出：……施工图阶段应对空调区进行冬 季热负荷和夏季逐项逐时冷负荷计算。
在7.2.14条，虽然提到了“内区的冬季冷 负荷”，但仅原则提出“室内照明功率、 人员数量、设备功率等宜与夏季取值相 同”。 4.2.1条提出：夏季太阳辐射照度应根据 当地的地理纬度、大气透明度和大气压 力，按7月21日的太阳赤纬计算确定。
按照新风量取30m3/h·人，每人占 有使用面积4m2计算，新风可以担负 的冷负荷约为:
30 ×1.2(38 − 13.5) ×1000 2 ≈ 61 / m W 4 × 3600
风机盘管加集中新风系统：对于例 如商场类建筑等冬季不需要加湿的场 合，如果室内温度设定为22℃、相对 湿度30％，室内空气的焓值为 34kJ/kg。 集中新风（等湿加热）送风参数取： 送风温度6℃，送风焓值8.4kJ/kg。
※ 2002 年1月，采用按照内外 区划分VAV系统、并采用两级泵 两管制系统的北京发展大厦， 提出在严寒期仍需要运行制冷 机组的改造问题。
※ 2007年12月，中国农业银行 总行大厦的VAV系统，在配置了 冷却塔通过换热器得到空调冷 水的系统以后，仍反映冬季的 若干时段，外区仍然存在过热 现象。
冷却塔供冷还可以在较长时段内，应 用于温湿度独立控制的干工况末端，例 如楼板或毛细管网冷辐射的水系统等。 这种干工况空调供冷末端，正好需要 温度较高(例如16～23℃左右)的冷水， 在室外空气湿球温度＜15℃的条件下， 就可以不需要将从常规冷水机组供给的 低温冷水换热或混合为高温冷水，或启 动专用高温冷水机组。
第二阶段，当室外空气温度 进一步降低，干球温度＜10℃、 湿球温度＜5℃，开式冷却塔 的出水温度能够＜10℃时，例 如北京的十～十一月或三～四 月，可以利用冷却塔供冷；
第三阶段，室外温度 又进一步降低，大约室 外空气干球温度≤5℃时 起，则有条件利用室外 新风作为冷源。
时段的划分并不是机械的，在某同一个时段 内，还有昼夜温差，例如：在白天室外空气温度 较高时，冷却塔或室外新风难以提供冷源，但在 夜间则具备供冷能力。又例如：昼间室外空气温 度在0℃以上，可以用冷却塔供冷，而夜间可能 在0℃以下，就不宜运行冷却塔供冷。因此，在 系统配置上，应具备能随时变换供冷运行方式的 功能。
2）若干案例
※ 1994年为远南残疾人运动会运动员村建成的 北京远南大厦，有一个面积很大、与南入口大堂 相通的首、二层大厅，采用全空气空调系统。 后来在二层分隔出一个1000多平米、无外围护 结构的宴会厅，但没有另设独立空调系统，只能 与热工特性显著差别的大堂统一运行，在过渡季 特别是冬季，室温必然过高。
利用冷却塔代替制冷设备提供冷 水，配置并不复杂。除了需配置与制 冷机相并联的换热器之外，冷却水和 冷水的循环，甚至可使用既有的、为 制冷设备配套的冷却水泵和冷水泵， 只需实行运行模式的转换。
当室外空气日平均温度低于0℃以 后，冬季显热负荷密度较大、采用 新风尚不足以满足的空调房间，如 果仍需要延续冷却塔供冷，宜尽量 在昼间运行，在夜间则可将冷却循 环水收集于设置于室内的水箱中。