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独立新风系统的技术研究与可行性分析
发布日期:2017-07-02  来源:暖立方  浏览次数:1406
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 辐射冷吊顶/独立新风系统的技术研究与可行性分析
作者:1.湖南大学 熊帅 汤广发 杨光
2.广东燕通建设工程有限公司 卢继龙 严继光
   

 
    

摘 要 介绍辐射冷吊顶与独立新风相结合的空调系统的技术特点,并对其面临的三大问题进行分析。与传统空调相比,此系统在舒适性、安全性、节能性方面都有其优势,具有很好的发展前景。

关键词 辐射冷吊顶;独立新风系统

 

随着欧洲冷却顶板制造商对冷却顶板不断改进和开发,以及人们对冷却顶板研究的深入,使得冷却顶板的应用在国际范围不断扩大。但是在欧洲推广使用了十多年的冷却顶板和置换通风系统进入北美后,遇到了很大的阻力,这种阻力主要源于三方面的问题:a)结露问题;b)冷却顶板冷辐射能力问题;c)一次投资问题。

针对以上问题,近几年美国暖通界又提出了将辐射冷吊顶与独立新风(dedicated outdoor air systems,简称“DOAS”)相结合的新型空调方式。此空调系统被认为是美国最有发展潜力的空调系统。笔者将结合国内外研究现状,对此空调方式进行介绍,并对以上三大问题进行进一步的分析。

1 辐射冷吊顶/独立新风空调系统技术

辐射冷吊顶/独立新风系统主要由冷源设备、新风处理机组、冷却顶板、诱导风口和管道系统及自动控制系统组成(见图1)。

1.1 冷源

由于DOAS要求新风机组的送风温度等于或低于7℃,因此要求新风机组的冷水初温不能高于4℃,采用常规冷水机组,虽然也可以组成DOAS系统,但是冷水机组的出水温度不得高于5℃,且设计上需要采取特殊措施。为了获得7℃以下的出风温度,冷源的最佳选择是采用冰蓄冷系统;为了获得稳定的低温水(水温不宜高于3℃),动态制冰则优于静态制冰。在无法采用冰蓄冷的建筑中,尤其是旧建筑改造时,也可以选择采用直接蒸发式新风机组,获得足够低的送风温度。

1.2 新风处理机组

为了保证空调末端设备(送风口、冷辐射吊顶)在干工况下运行,新风负荷、全部潜热负荷、全部或部分显热负荷都由新风处理机组承担,新风处理机组的出风温度为6℃左右。当向新风机组提供的是低温冷冻水时,新风机组的出水温度取决于冷却顶板所需进水温度,因此必须采用专用新风机组。

为了尽量减小新风处理机组的换热表面积和系统能量消耗,新风处理机组通常需要在新风与排风之间设置能量回收装置。能量回收装置可分为显热回收装置和全热回收装置两种。显热回收装置只能回收显热,因此只能回收排风热量的较少部分。显热回收装置通常为热管式换热器、管翅式换热器等形式。在全热回收装置中新风和排风能进行热、湿交换,因此既能回收显热,又能回收潜热。全热回收装置能回收排风能量中的较大部分,热效率通常在55%~75%,从而有效降低全新风系统的能耗。全热回收装置通常为转轮式全热交换器和导湿膜式全热交换器。

转轮式全热交换器在新风和排风之间机械运动,新风与排风之间存在一定的相互渗漏。因此排风中的污染物可能通过转轮释放到新风中,造成新风品质下降和交叉污染。转轮式全热交换器通常为圆盘形,体积比较庞大,存在动力消耗,应用在暖通空调领域时与系统管道的匹配性比较差。但转轮式的调节范围较大,控制灵活。导湿膜式全热交换器的核心部件导湿膜为一种高分子材料,导湿率较高。导湿膜式全热交换器没有交互式运动部件,不存在新风与排风之间的相互渗透问题。导湿膜式全热交换器的另一个显著的优点是可以根据使用现场的需要做成不同的外形结构。

独立新风系统通常可以由风道、全热交换器、深冷盘管、显热交换器和送回风机等组成(见图2)。

当室外新风的露点温度高于设计送风露点温度时,新风要经过深冷盘管冷却除湿,处理到所要求的露点温度。显热交换转轮起到再热的作用。如果房间热负荷很大,允许冷风直接吹入,则显热交换转轮停止转动。但多数情况下都需要有再热装置,此时显热交换转轮转动,以充当再热作用。状态5到状态6为排风。状态5的室内排风与状态3的室外新风在显热交换转轮中进行充分热交换,全热交换转轮处依靠排风对新风进行冷却去湿(夏季),以达到热回收的目的。

1.3 冷却顶板

冷却顶板的作用是补充新风处理机组不能完全承担室内显热负荷时的不足部分。采用冷却顶板,人体通过辐射的散热量从无冷却顶板方式的35%增加到50%,在有冷却顶板时,通过呼吸的散热要减小。其次,人体散热的大部分,能够更有效地辐射到上部的冷却顶板。冷却顶板使得人的头部冷,脚部暖,更符合人体的舒适性。为此,使用冷却顶板时,室内干球温度可以稍高。实际应用表明,有冷却顶板时,室内温度为25.6℃时人体的感觉与无冷却顶板时的23.9℃时基本相同。

1.4 诱导风口

为了防止送风口凝露,避免低温空气下沉导致吹风感发生,送风必须采用诱导比较大的诱导低温风口(诱导比一般可以取2.5左右)。诱导风口的作用有两个方面:

其一是提高空调舒适性,高的混合比使得温度低的一次空气,在0.3m~0.4m处被加热到室内温度,因此避免了冷风吹风感的发生。在房间内也产生了足够的空气流动,达到满意的ADPI(air diffusion performance index,空气扩散性能指标),并且消除了垂直温度梯度,使空调区域的温度更均匀;

其二是有利于强化冷却顶板的换热作用,增加冷却顶板的制冷能力。送风气流吹过冷却顶板,使得原来主要靠辐射和自然对流进行热传递的冷却顶板产生明显的机械对流,辐射板的吸热量可以增加15%~20%。

除上述主要设备外,辐射冷吊顶/独立新风系统还必须配置自动控制系统,设置新风风机、排风风机、新风过滤器和排风过滤器、控制和安全系统等必要设备。

2 辐射冷吊顶/独立新风系统应用中的问题分析

2.1 结露问题

当辐射吊顶用于供冷时,辐射吊顶板的冷表面直接裸露在工作区的上方,在人员频繁进出房间或者大面积开启外窗、外门的情况下,将会引起室内空气温湿度变化,辐射板表面容易结露,长期下去将引起金属板锈蚀,留下水渍,不仅影响美观,而且还可能导致细菌孳生。如果结露严重的话,水珠还会在重力作用下直接滴到房间内。因此,辐射冷却吊顶结露的问题成为阻碍其应用的重要原因之一。

在欧洲,防止辐射冷吊顶凝露的传统方法就是控制进入辐射板的冷水初温。由于当室温为26℃,相对湿度为50%时,空气的露点温度为15℃,因此只要控制进入辐射板的冷水初温不低于16℃,就可以防止凝露的发生。在欧洲,辐射冷吊顶一般是与置换通风或地板送风相结合,新风采用下送风的方法。为了避免送风温度过低,引起人体不适,送风温度一般控制在18℃以上。欧洲多家自控公司推出与之相配合的冷凝状态监控器,以防止冷凝水在辐射吊顶的表面出现。在宣传辐射冷吊顶的优点时,厂家特别强调,由于采用较高的冷水初温,因此冷水机组可以在较高的COP下工作,达到节能的目的。但是,提高水温防止凝露的另一个后果,则是需要增大辐射板的面积,由此导致一次投资的增加。

对于辐射冷吊顶/独立新风系统,从凝露控制的原理来讲,独立新风系统承担了室内全部潜热,只要控制辐射板的供水温度,使其高于室内空气露点温度,就可以避免结露。因此辐射供冷系统的控制重点主要放在水系统的控制上。实际上,人们通过大量实验已经得出一个结论,在极端不利的实验条件下(如假设门窗全部开启,人员成倍增加,围护结构和室内物体完全不具备吸湿能力等),冷凝水的形成是一个极其缓慢的过程,如果要达到头发丝直径厚度,至少需要一个半小时,自动控制元件完全有充足的时间采取保护措施。

为了避免凝露问题的发生,美国Staney A.Mumma等人针对辐射板凝露问题,在带有大面积可开启窗户的一栋旧建筑内重复做了多次实验,最后得到结论,即使打开所有的门窗,室内露点温度立即增加,此时的凝露问题也非常容易解决。实验当中从未出现过冷凝水问题。实际上,随着自动控制技术的发展和辐射供冷系统研究的不断完善,凝露已经不足以成为辐射供冷应用的障碍,即使在炎热潮湿的国家和地区,也能采用辐射供冷空调系统。

2.2 冷却顶板冷辐射能力问题

房间一部分显热由空调机组承担,一部分由辐射吊顶承担。对辐射供冷系统舒适性的研究结果表明,辐射供冷量占空调负荷的比例越大,竖直方向上的室内空气温度梯度越小,人体舒适性越高。因此要求辐射吊顶能够承担更多的显热。目前市场上的辐射板多数为模块化设计,单位面积的辐射板能够处理的冷量一定。如果辐射吊顶承担的冷量越大,那么是否会出现辐射板设计计算面积大于吊顶面积的情况呢?这已经成为辐射吊顶冷却能力的另一大疑问。

欧美辐射板主要生产厂生产的辐射板的冷却能力一般在95W/m2~120W/m2。在欧洲进行辐射冷吊顶设计时,一般取单位面积冷量为80W/m2,多家制造厂的产品样本也是采用这一冷量作为设计参数。

由于现代化办公建筑人员密度一般为7~10m2/人。根据2004年4月1日开始执行的新版暖通空调设计规范,办公建筑的最小新风量为30m3/h~50m3/h,单位面积新风量为3m3/(h·m2)~7.14m3/(h·m2),常规空调系统的新风机组能够承担的室内冷负荷只有8.6W/m2~20.5W/m2。但是,当辐射吊顶结合独立新风使用时,辐射吊顶承担的只是室内部分显热负荷,独立新风机组出风温度可达7℃(含1℃风机温升),出风焓值为21.4kJ/kg,以办公室干球温度设计值25℃,相对湿度取40%为例,新风机组可以承担的室内显热负荷在18.5W/m2~43.4W/m2之间。现在大多数辐射板的冷却能力在95W/m2左右,足以满足普通办公室的冷负荷要求。

2.3 一次投资问题

在北美,空调设计师、建筑师、承包商和业主在选择空调方案时,十分关心空调系统的一次投资。这点,在中国可能更加突出。一是由于中国目前经济的发展水平还落后于欧美工业发达国家;二是由于中国常规空调系统的一次投资远远低于欧美工业发达国家的一次投资。当今国际上诸多先进的空调技术之所以难以在中国全面推广,到了今天,之所以在中国空调市场中,风机盘管机组、柜式空调机组、家用空调仍然占据着大片江山,其中价格是制约空调新技术推广的瓶颈。

目前美国市场上,主流的辐射板价格大约为140美元/m2(冷量为95W/m2),进口辐射板在国内的价格为2000元/m2左右。由于单位面积冷量较小,因此价格较目前常规的空调末端装置要昂贵得多,因此除了少数高级办公楼有可能采用这种末端装置外,在中国难以推广。

但是,如果从系统整体来进行考虑,因为采用辐射吊顶而多出的投资可以从以下几方面优势当中获得弥补:

1)独立新风系统送风量仅为常规系统的20%左右,新风机组的型号、风管的尺寸、风机型号以及控制系统的规模减小,整个末端系统对建筑层高的要求随之降低。对于新建筑,在建筑总高度一定的条件下,可以增加楼层的数量,和常规系统相比,每五层即可增加一层,再加上风井尺寸减小,所以建筑可利用面积相对增加。

2)空调水系统也可以和消防喷淋水系统合二为一,发挥作用。

3)目前国内辐射板生产厂数量较少。如果靠国外进口产品,其价格相当昂贵。国内现有不少同行正在进行新型辐射板的研究,相信国产的辐射板定能极大地削减系统末端设备的初投资。

对于新建筑,辐射冷吊顶加带全热回收的独立新风系统初投资和常规VAV系统相当。而Mumma对美国已有的建筑项目(办公建筑,6层,2883m2/层)一次投资分析得出,“辐射吊顶+独立新风”空调系统与常规VAV系统相比,可以使建筑一次投资降低22美元/m2 。

虽然我国与美国的国情不同,但是这一数据可供设计人员参考。既然VAV系统的初投资已经为人们认可,那么辐射供冷空调系统初投资不高于VAV的条件下,也是可以接受的。

此外,日本学者建议辐射供冷与冰蓄冷系统结合,一是冰蓄冷能够拉平电力负荷,二是辐射供冷能够提供更好的热环境。而独立新风系统采用的是低温送风,其冷源的最佳选择也是冰蓄冷。如果将这三项技术结合,其系统初投资和普通的冰蓄冷对流式空调系统相当。另一方面辐射冷吊顶系统和常规VAV空调系统相比,寿命周期运行费用可减少25%以上。辐射冷吊顶系统节能主要来自两个方面:一是风机能耗减少;二是冷水机组COP提高。

图3是加利福尼亚的办公室的常规空调系统与辐射空调供冷系统的空调能耗对比示意图。两个空调系统的室内外环境、人员、设备等条件完全相同。从该图可以看出,辐射供冷系统的运行能耗仅为常规系统的57.7%,其中风机和空气输送减少的能耗占据了大多数。

3 结束语

笔者对辐射吊顶与独立新风相结合的这一技术进行了论述,并通过分析,指出此系统能解决单纯的冷吊顶系统所面临的三大问题。

在建设节约型社会的今天,冷却顶板与独立新风系统相结合的空调系统融合了当今世界上最节能的三种技术:辐射冷吊顶、独立新风和全热回收技术,因此无论是从系统的安全性、舒适性还是节能性上考虑,都有很多优势,应用潜力巨大,值得广大同仁进一步研究。当然由于我国国情,这一系统的推广还需要一个过程,还有待相关人士作进一步的努力推广。

 

参考文献:

[1]GB 50019-2003采暖通风与空气调节设计规范。

[2]蔡敬琅.与冰蓄冷系统相结合的辐射供冷系统.电力需求侧管理,2001,3(6):42-45.

[3]冈建雄.冰蓄冷辐射供冷系统的综合评价.蔡敬琅,译.暖通空调,2002,32(4):48-52.

[编辑:孟扬]

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