2007年第7期(总第35卷第197期) No.7 in 2007(Total No.1 97,Vo1.35) 建筑节能 一暖通与设备 HEATING VENTILATION&EQUIPM 蒸发冷却与置换通风相结合空调系统的应用分析 向瑾,,武俊梅 710048) (西安工程大学环境与化学工程学院,西安摘要: 介绍了蒸发冷却和置换通风的工作原理,提出了温湿度控制的蒸发冷却空调系统,分析了在全空气空调形式下蒸发冷却+ 置换通风空调系统在室内空气品质及节能上的优越性,指出了此空调系统在我国西北地区具有广泛的应用前景。 关键词: 蒸发冷却; 置换通风; 温湿度控制; 室内空气品质; 节能 中图分类号:TU831 文献标志码: A 文章编号: 1673—7237(2007)07—0012—03 The Analysis of Application for the Evaporative Cooling and Displacement Ventilation Air Conditioning System XIANGJin,HUANGXiang,WUJon-mei (College ofEnvironment and Chemistry Engineering,Xi’an Polytechnic University,Xi’n 710048,Chiana) Abstract:The worki'ng principles ofevaporative cooling and displacement ventilation were introducedA system ofindependent con ̄ol .oftemprture and humidtity on evaporative cooling system was put forward.The advantages ofindoor air quality and energy—saving in the sys— tern ofevaporative cooling and displacement ventilation were analyzed.The result indicated that the system has wide prospect in no ̄hwest of China. Key words:evaporative cooling;displacement ventilation;independent control oftemperature and humidtity;indoor air quality;energy— saving 0 引言 冷冻站则节省建筑空间,一次投资综合造价及维护保 近年来,随着科技的发展,人民生活水平的提高, 人们对空调的要求不再仅满足于维持室内要求的热 养费用也比传统制冷空调方式低很多,经济效益突 出;蒸发冷却空调系统用于全空气系统中,可以在相 当长的时间最大程度地使用经过过滤的洁净室外全 环境参数,而是把目光放在如何更有效的节能,如何 全面提高空气品质上。空调节能和室内空气品质是当 前暖通空调界面临的两大课题,而蒸发冷却和置换通 风能在一定程度上较好地解决这两个问题,因此,我 们提出了蒸发冷却与置换通风相结合的空调系统。 新风,从而保证室内空气清新洁净、含氧量高,可以达 到最佳的室内空气品质。 I.2置换通风 1.2.1 置换通风的原理(见图1) 1蒸发冷却与置换通风 1.1蒸发冷却 蒸发冷却是利用自然条件下空气的干湿球温度 来取得的,它是以水为制冷剂,不使用氟利昂,对大气 环境无污染,COP值高于常规机械制冷。另外,由于我 国西北地区,昼夜温差大,地下水温低,空气干燥,这 些独特的自然条件为利用蒸发冷却提供了良好的应 用场所,目前已被地区所认可。由于夏天气 温高且空气干燥,使得利用循环水蒸发冷却的等焓加 湿降温的过程成功地运用在空调系统中f】l。它的间接 图1置换通风流态图 置换通风是一种全新的通风形式。它以低诱导比 蒸发冷却可以制取冷风,间接冷却使被冷却空气含湿 量不变,多级串联又可获得较低温度[21。 与传统制冷空调相比,蒸发冷却系统只用少量的 电能让水循环就能进行制冷,环保、节能效益明显;无 收稿日期:2007.01—05;修回日期:2007-02-28 为原则,将新鲜的冷空气低速送入房间底部,冷空气 因密度大而沿地板向四周蔓延,并像水一样弥漫整个 房间底部。当冷空气遇到热源(人员或发热物体)时,它 被加热并以自然对流的形式向上慢慢升起,污染物(民 用建筑一般指CO 和水蒸气)也同时被携带向房间的 1 维普资讯 http://www.cqvip.com 上部移动,脱离人员工作区。这样,工作区的余热和污 染物均流向房间项部,通过排风将项部污浊的空气排 空调系统承担着排除室内余热、余湿、CO 与异 味的任务。研究表明:排除室内余热与排除CO 、异味 出,就达到了我们改善工作区空气环境的通风目的。 1.2.2置换通风的特点 置换通风一个重要的特点是会产生热力分层现 象。当热源的上升气流小于或等于送风量时,污染物 将会从工作区除去,这通常表征了工作区的最佳空气 所需要的新风量与变化趋势一致,即可以通过新风同 时满足排余湿、CO 与异味的要求,而排除室内余热 的任务则通过其他的系统f的温度控制方式)实 现。由于无需承担除湿的任务,因而可用较高温度的 冷源即可实现排除余热的控制任务。对照现有空调系 统存在的问题,温湿度控制空调系统可能是一个 品质。然而,当热源的上升气流随高度的增加时,总会 存在一平面,在此平面上,上升气流超过送风量,当趋 于稳定状态时,这个平面将室内空气在流态上分成两 有效的解决途径。温湿度控制空调系统中,采用 温度与湿度两套的空制系统,分别控制、调 个区域,即上部紊流混合区和下部单向流动清洁区, 这就使处于工作区内的室内人员能及时呼吸到新鲜 空气。置换通风的气流分布方式见图2。 羽F J)( [ 上部区 \ /√ 界面 ; √\\ f /\一 l 口 怍区 图2置换通风的气流分布形式 1-3蒸发冷却与置换通风 蒸发冷却+置换通风空调系统不同于常规的机 械制冷+混合通风空调系统,它适用于主要的热源和 污染源是观众,此外灯光负荷也占相当比例的报告 厅、影剧院等一些公共大厅建筑中,另外还有一些高 大工业厂房中。这一类建筑中,热污染流形成一种自 下而上的流动,靠近顶棚的地方空气温度及污染源浓 度均高于下部区域。应用置换通风系统将蒸发冷却机 组处理的全新风新鲜空气直接送向观众,而在顶棚附 近设排风口将热污染空气排走,会产生良好的通风效 果和节能效益。 在置换通风的全新风系统中,蒸发冷却比常规机 械制冷有着明显的节能优势。常规机械制冷的冷水供 水温度为5~9℃,一般为7℃,处理的空气温度一般 为16℃左右,而置换通风系统中的送风温差不受限 制嘲,因此送风温度可接近室温,这就使得机械制冷空 调机组处理的空气还需加热处理,增加了能耗。而蒸 发冷却系统可以克服这点,当系统的冷水供水温度为 18℃左右时,无论经一级或多级蒸发冷却机组处理 的空气,与旁通系统结合,则可以满足置换通风送风 温度的要求。而在某些干燥地区,特别在地区,可 直接利用天然冷源或冷却塔来提供18℃左右的冷 水。由此可见,置换通风系统在我国西北地区与蒸发 冷却空调系统结合起来,不仅有着独特的天然条件, 而且无需加热系统,可以达到节能的效果。 2温湿度控制蒸发冷却空调系统 节室内的温度与湿度,从而避免了常规空调系统中热 湿联合处理所带来的损失。由于温度、湿度采用 的控制系统,可以满足不同房间热湿比不断变化的要 求,克服了常规空调系统中难以同时满足温、湿度参 数的要求,避免了室内湿度过高(或过低)的现象【4]。 温湿度控制蒸发冷却空调系统的基本组成 为:处理显热的系统与处理潜热的蒸发冷却系统,两 个系立调节分别控制室内的温度与湿度f见图 3)。处理显热的系统包括:高温冷源、余热消除末端装 置,采用水作为输送媒介。由于除湿的任务由处理潜 热的蒸发冷却系统承担,因而显热系统的冷水供水温 度不再是常规冷凝除湿空调系统中的7℃,而是提高 到18℃左右,从而为天然冷源的使用提供了条件,即 使采用机械制冷方式,制冷机的性能系数也有大幅度 的提高。余热消除末端装置可以采用辐射顶板、干式 风机盘管等多种形式,由于供水的温度高于室内空气 的露点温度,因而不存在结露的危险。处理潜热的系 统,同时承担去除室内CO 、异味,以保证室内空气质 量的任务。此系统由新风处理机组、送风末端装置组 成,采用新风作为能量输送的媒介。在处理潜热的系 统中,由于不需要处理温度,因而湿度的处理可能有 新的节能高效方法。 调砹备 禾端装置 量内环境控制 蔷集 匾垂 臣画一 制系统J冬季:供热热源l I干式风机盘管 l一—l兰 兰 匪! 璺I 图3温湿度独-or控制蒸发冷却空调系统 温湿度控制蒸发冷却空调属于半集中式空 调系统,然而当空调系统采用全空气(集中式)形式时, 处理显热的系统与处理潜热的系统便集中在一起处 理,即温湿度全部由蒸发冷却空调机组处理(见图4)。 空调设备 末端装置 室内环境控制 匾受 匝一塑l笙 兰 壁l 图4集中式蒸发冷却空调系统 3方案比较 3.1设计比较 3 维普资讯 http://www.cqvip.com
现以地区,某一报告厅为例,空调面积150m2, 可容纳120人,在全空气空调系统形式下,对以下两 种空调系统方案在夏季运行时作定性对比分析。夏天 室外设计参数见表1。报告厅室内设计参数见表2。 表1夏天室外设计参数 湿,最后沿£线把处理过的空气送到室内。而方案二的 空气处理机组为二级蒸发冷却,比方案一少了一级间 接蒸发段。这样一来设备的尺寸及初投资就会降低。 另外,方案二所要求的送风温度高于方案一,这 就为利用低品位能源以及在一年中更长时间地利用 自然通风冷却提供了可能性,可达到节能的效果。 3.2冷负荷比较 方案一,混合通风的冷负荷是房间内的总余热: 室内干球温度/℃ 相对湿度 Qr+ +Qd+Q + =(1) 方案~,蒸发冷却与混合通风相结合,顶棚送风, 送风方式为上送下回。参考设计资料,取送风温差 △t=8℃,则空气处理过程如图5所示。 方案二,蒸发冷却与置换通风相结合,侧墙送风, 送风方式为下送上回。置换通风系统设计参数从人体 舒适性角度考虑应符合:坐着时,头部与足部温差 △t 2℃;站着时,头部与足部温差△ 3℃【5]。综合 考虑,取送风温差△t=2℃,则空气处理过程如图6 所示。 W W’ W” 图5方案一在i-d图上处理过程 W W’ 图6方案二在i-d图上处理过程 对比图5、图6,我们可以看出,方案一的空气处理 机组应为三级蒸发冷却,室外新风首先经两级间接蒸 发段进行等湿降温,然后再经直接蒸发段进行等焓加 1 式中: ——混合通风的冷负荷,w; Or——人员的散热量,W; Q ——办公设备(机器设备)的散热量,W; 。d——灯具的散热量,w; Q ——维护结构的散热量,w; ——新风状态与房间空气状态之焓差,w。 方案二,置换通风工作区内的冷负荷[6]为: QZ=Qr+ +Q Q 。Q (2) 式中:oZ——置换通风工作区内的冷负荷,w; od广灯具辐射到工作区的热量,w; Q 厂维护结构辐射到工作区的热量,w; ——定量新风状态与房间空气状态之焓差,w; ——回风状态与工作区空气状态之焓差,w。 比较式(1)、(2),Q <Qd,Q <Q ,那么当空调运 行全新风时,方案二冷负荷明显小于方案一。 3I3通风效率比较 通风效果的定义为: 嚣 嚣(3) . 式中:r/——为通风效率; fD——为排风温度,℃; fn——工作区平均温度,℃; ——送风温度,℃; c。——为排风有害气体浓度,mg/m ; c ——工作区有害气体平均浓度,mg/m ; Cs——为送风时有害气体浓度,mg/m 。 根据置换通风原理,我们知道, , > ,故置换 通风的r/>1;而混合通风中, fn,cp cn,所以混合通 风的rl≤1。由此我们可知:同样的新风量条件下,方案 二工作区的空气品质比方案一的效果明显要好。 4结论 f11相比于蒸发冷却与混合通风相结合的全空气 空调系统,蒸发冷却与置换通风相结合的空调系统的 节能效果显著,经济效益突出。 f21蒸发冷却与置换通风相结合是一种很有发展潜 力的新型空调系统,能够明显的改善室内空气品质。 f31蒸发冷却与置换通风相结合的空调系统值得 在我国西北地区大力推广,尤其是在会议室、影剧院、 体育馆建筑等空调方面。 (下转第31页) 维普资讯 http://www.cqvip.com 分户计量表,每户按照实际使用的采暖耗能计算费 传 用,这样就给设计也带来了的问题。例如,顶层和山墙 执 系 的用户由于热损耗大,这样一来,冬季采暖期为使室 数 内温度不低,他们所交的费用要比普通用户要多。这 样本来已经不好卖的房子销售更是困难。因此,在将 来的设计中就不能够像现在这样对一个建筑所有的 地方采取等同的节能方式,在设计上,如果没办法改 变顶层的保温层厚度,就必须要在保温材料上增加, 山墙一侧住户及山墙顶层住户的保温层厚度或材质, 保温层厚度 都要与其他部位的保温做法不同,采取特别住宅建筑 特别对待,只有在建筑设计上加强节能综合设计。才 图3保温层厚度与传热系数的关系 能满足将来市场的需求,达到建筑节能的目的。 参考文献: 6结论 [1]王荣光,沈天行.可再生能源利用与建筑节能[M】.机械工业出版社, 现在北方的地区的节能设计在将来是否能单一 2004. 靠提高保温层达到标准。而保温厚度和造价是成正比 (WANG Rong-gnang,SHEN Tian-xing.Utilization of Renewable Energy 的,每增加0.01 m的厚度的保温层,就意味着工程造 and Building Energy Efifciency.China Machine Press,2004.) 价上有一定的增长,但根据实际工程中实际测量的曲 [2]董子忠,王体,温永珍,等.Low.E镀膜玻璃的热I ̄I%SB[J].新型建筑材 线f见图3)每当聚苯板厚度增加到一定的程度的时 料,2003,(3):5O一54. 候,实际传热系数降低的递减值并不大,在设计时靠 (DONG Zi-zhong,WANG Ti,WEN Yong zhen,et a1.Thermal Perfor- 经验定出保温厚度,在国家节能要求进一步提高时, mance ofLow-E coa ̄d Glass[J].New Building Materials,2003,(3):5O-54) 并不一定能满足节能要求。一个严谨的节能计算非常 [3]涂逢祥,韩爱兴.外墙外保温技术[M].中国计划出版社,1999,10. 重要,但是在实际中究竟能不能达到节能要求,也是 (TU Feng—xiang,HAN Ai-xing.Exterior Wall Insulation Technology[M]. 目前需要研究的问题。如沈阳市的一些近几年新建的 China Planning Press,1999,10.) 楼盘,在节能计算事先通过的情况下,墙体依然出现 [4]沈天行.光照环境的节能[J].建筑节能,2000,(4). 结露、长毛的情况。也成为当前需要注意的问题。而类 (SHEN Tian—xing.Energy Conservation in Lighting Environment[J]. 似的研究虽有但并不多,在节能方面,国内仅仅是起 Building Energy Conservation,2000,(4).) 步阶段。从近自国家发展改革委员会发布的我国第一 个《节能中长期专项规划》可以看出。国家也会逐步制 作者简介: 李三勇(1976一),男,辽宁沈阳人,建筑工程师,建筑设计 定和实施统一协调促进节能的能源和环境,加大 专业。 依法实施节能管理的力度。加快建立和完善以《节约 单位地址: 辽宁省沈阳市和平区三好街18号中润国际大厦A座l2 能源法》为核心,配套法规、标准相协调的节能法律法 层f1 10004) 规体系,依法强化监督管理。 联系方式:E—mail:chinachina88@163.com (上接第14页 [s].China Architecture&Building Press,2005.) 参考文献: [4]江亿.温湿度控制空调系统[M].北京:中国建筑工业出版社,2005. [1],刘鸣,于向阳.我国地区蒸发冷却技术应用现状分析[J].制 (JIANG Yi.Building Energy Efifciency Technology and Application[M]. 冷与空调,2001,1(6):33.38. China rAchitecture&Building Press,2005.) (HUANG Xiang,L1U Ming,YU Xinag—yang.Study of Evaporative Cool— [5]李强民置换通风原理、设计及应用[J].暖通空调,2000,30(5):41.46. ing Application Condition in Xinjiang Area of China[J].Refrigeration and (LI Qiang—min.Displacement Ventilation Principles,Desing and Applica- Ai卜Conditionin&2001,1(6):33—38.) tion[J].HV&AC,2000,30(5):41—46.) [2],屈元,狄育慧.多级蒸发冷却空调系统在西北地区的应用[J].8爱 [6]洪武开 001,(6):52-54 通空调,2004,34(6):67.71. (HONG Wu—kai.Displacement Ventilation and Low Energy Healthy (HUANG Xiang,QU Yuan,DI Yu-hui.Application ofMulti—stage Evapo— Building[J].Building Energy&Environment,2001,(6):52—54.) rative Cooling Air Conditioning System to Northwest China[J].HV&AC. 2004,34(6):67—7 1.) 作者简介: 向瑾(1983.),男,西安工程大学,在读硕士研究生,供热、 [3]公共建筑节能设计标准GB50189.2005[S].北京:中国建筑工业出版 供燃气、通风与空调工程专业。 社.2005. 单位地址: 西安市金花南路19号297信2(710048) (Design StnadardforEnergyEfficiencyofPublicBuildingsGB50189.2005 联系方式:E—mail:xiangjin1983@163.com 1
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