混合送風(fēng)供冷管理論文

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摘要根據(jù)置換通風(fēng)和混合送風(fēng)設(shè)計(jì)及運(yùn)行的特點(diǎn)，以DeST為模擬工具，分析了北京某寫字樓分別采用置換通風(fēng)和混合送風(fēng)方式供冷季空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行情況，討論了兩種送風(fēng)方式在定風(fēng)量或變風(fēng)量運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)的逐時(shí)能耗及在室外新風(fēng)利用上的特點(diǎn)。結(jié)果表明，置換通風(fēng)比混合送風(fēng)節(jié)省10%以上的運(yùn)行費(fèi)用。

關(guān)鍵詞置換通風(fēng)，混合送風(fēng)，節(jié)能

AbstractBasedonthedesignandoperationcharacteristicsofdisplacementventilationandmixingairsupply,bymeansofDeSTtool,analysesoperationstatusofdisplacementventilationandmixingairsupplyinanofficebuildinginBeijingincoolairsupplyseasonrespectively.Discussesthehourlyenergyconsumptionofoperationofdisplacementventilationandmixingairsupplyunderfixedairvolumeadvariantairvolumeandthecharacteristicsoffreshairutilizationoutdoor.Resultsshowthatdisplacementventilationcansavemorethan10%ofoperationcostcomparedtomixingairsupply.

Keywordsdisplacementventilation,mixingventilation,energysaving

0引言

隨著辦公自動(dòng)化設(shè)備的開發(fā)與利用，新型辦公樓室內(nèi)布局的變化以及智能化建筑的出現(xiàn)，置換通風(fēng)空調(diào)方式以其自身在熱環(huán)境、空氣品質(zhì)等方面的優(yōu)點(diǎn)及在施工運(yùn)行中的靈活性及經(jīng)濟(jì)性，歷外辦公建筑中的應(yīng)用日趨廣泛[1]。目前，置換通風(fēng)在國(guó)內(nèi)的研究及應(yīng)用亦已起步。

置換通風(fēng)形式不同于傳統(tǒng)的混合通風(fēng)形式。置換通風(fēng)空間分上區(qū)和下區(qū)，下區(qū)的氣流為置換氣流，空氣品質(zhì)明顯優(yōu)于混合式通風(fēng)。與混合通風(fēng)相比[2～4]，置換通風(fēng)還有通風(fēng)效率高、工作區(qū)負(fù)荷低、室內(nèi)垂直溫度分層明顯等特點(diǎn)，但它是否節(jié)能學(xué)術(shù)界沿有爭(zhēng)議。因?yàn)楸M管工作區(qū)負(fù)荷低可相對(duì)提高置換通風(fēng)的送風(fēng)溫度，擴(kuò)大室外新風(fēng)的利用率，使冷水溫度相應(yīng)提高，從而降低AHU負(fù)荷并提高制冷機(jī)的COP；但基于控制工作區(qū)溫度梯度的要求以及AHU回風(fēng)溫度顯著升高的現(xiàn)實(shí)情況，亦有可能增加AHU負(fù)荷。Seppanen（1989年）對(duì)美國(guó)的辦公建筑做了置換通風(fēng)和混合送風(fēng)的能耗比較[5]，就美國(guó)4個(gè)典型的氣候帶、兩種典型的通風(fēng)控制策略（VAV，CAV）、帶有不同熱回收部件的AHU系統(tǒng)等方面作了研究，內(nèi)區(qū)平均冷負(fù)荷14W/m2，最大冷負(fù)荷負(fù)荷24W/m2,外區(qū)負(fù)荷約120W/m2。研究發(fā)現(xiàn)：置換通風(fēng)的能耗很大程度上取決于控制策略和空調(diào)箱系統(tǒng)。一個(gè)帶有熱回收器、采用VAV控制的置換通風(fēng)系統(tǒng)的能耗和混合通風(fēng)系統(tǒng)的能耗幾乎一樣。Zhivov（1998年）比較了不同氣候下美國(guó)一餐廳使用置換通風(fēng)和混合送風(fēng)的能耗[6]。考慮了兩種室外空氣的控制策略：定室外空氣量、變室外空氣量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：當(dāng)定室外空氣量時(shí)，置換通風(fēng)節(jié)省12%～18%的能量；當(dāng)變室外空氣量時(shí)，置換通風(fēng)節(jié)省16%～26%的能量。陳清焰等考察了美國(guó)5種典型氣候條件下辦公室、教室、工業(yè)廠房使用置換通風(fēng)的能耗情況[4]，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：與混合通風(fēng)相比，置換通風(fēng)系統(tǒng)可能消耗更多的風(fēng)機(jī)能量、較少的制冷機(jī)和鍋爐的能量。置換通風(fēng)的總體能耗稍微小于混合通風(fēng)。國(guó)內(nèi)有學(xué)者曾作過(guò)上送風(fēng)與下送風(fēng)方式的耗冷量比較[7]，但只是基于定性分析，并沒(méi)有進(jìn)行逐時(shí)計(jì)算，也缺乏對(duì)不同空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行模式的全面討論。為此本文擬通過(guò)計(jì)算機(jī)逐時(shí)模擬，對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行更為深入的探討。

1研究方法

研究對(duì)象為北京某寫字樓一標(biāo)準(zhǔn)辦公樓層。如圖1所示。室內(nèi)空調(diào)設(shè)計(jì)溫度為24±2℃，相對(duì)濕度為50%±10%。建筑外墻為370mm保溫磚墻，屋頂采用加氣混凝土保溫屋面。夏季辦公室內(nèi)設(shè)備負(fù)荷為20W/m2，照明負(fù)荷為15m2，人員密度約0.1人/m2。混合通風(fēng)樓層高度為3.5m，房間面積：Ar3-1=Ar3-3=Ar3-4=Ar3-5=700m2;Ar3-2=460m2。

以建筑熱環(huán)境設(shè)計(jì)模擬軟件DeST分別計(jì)算采用混合送風(fēng)和置換通風(fēng)兩種方式供冷季的逐時(shí)負(fù)荷，并對(duì)不同的空調(diào)系統(tǒng)模式（定風(fēng)量、變風(fēng)量；定新風(fēng)比、變新風(fēng)比以及定送風(fēng)狀態(tài)或變送風(fēng)狀態(tài)等）進(jìn)行逐時(shí)模擬。模擬結(jié)果包括AHU的逐時(shí)送風(fēng)狀態(tài)、送風(fēng)量、新風(fēng)比例β、逐時(shí)能耗以及各房間的逐時(shí)風(fēng)量及室內(nèi)溫度等。根據(jù)AHU負(fù)荷，對(duì)冷水側(cè)取一固定的綜合COP（一般為1.8～2.5，本文取為2），即可得到水側(cè)的總能耗；在風(fēng)側(cè)，分別考慮定風(fēng)量系統(tǒng)和變風(fēng)量系統(tǒng)下風(fēng)機(jī)的效率以及風(fēng)機(jī)壓頭，根據(jù)逐時(shí)的總送風(fēng)量即可得到風(fēng)機(jī)的側(cè)總能耗；由此可得整個(gè)系統(tǒng)的總能耗并進(jìn)行分析比較。

模擬計(jì)算說(shuō)明如下：

①混合送風(fēng)和置換通風(fēng)兩種方式所處理的房間總負(fù)荷相同。

②不同情況下進(jìn)行模擬計(jì)算時(shí)，室外逐時(shí)氣象情況相同。

③考慮到置換通風(fēng)效率較高，因此其所需的新風(fēng)量應(yīng)小于混合送風(fēng)，本文取置換通風(fēng)和混合送風(fēng)的效率分別為1.25和1。根據(jù)空調(diào)辦公房間的空氣品質(zhì)要求，不同系統(tǒng)類型下混合送風(fēng)和置換通風(fēng)的新風(fēng)設(shè)定如表1。

表1新風(fēng)比的設(shè)定

混合送風(fēng)置換通風(fēng)

定風(fēng)量系統(tǒng)

固定新風(fēng)比β2520

可變新風(fēng)比β最小25最大100最小20最大100

變風(fēng)量系統(tǒng)

固定新風(fēng)比β2520

可變新風(fēng)比β最小25最大100最小20最大100

④置換通風(fēng)最大送風(fēng)溫差為5℃，混合送風(fēng)的最大送風(fēng)溫差為8℃，即二者相應(yīng)的最低送風(fēng)溫度分別為19℃和16℃；在定風(fēng)量系統(tǒng)中置換通風(fēng)和混合送風(fēng)的送風(fēng)量相同；在變風(fēng)量系統(tǒng)中二者風(fēng)量的變化范圍相同，最小送風(fēng)量為最大送風(fēng)量的30%。

⑤假定通過(guò)配置風(fēng)口整個(gè)數(shù)及類型，置換通風(fēng)可達(dá)到ASHRAE5592的標(biāo)準(zhǔn)，即離地1.8m和0.1m之間的溫差在3℃以內(nèi)。

⑥混合送風(fēng)的回風(fēng)溫度應(yīng)控制在26℃以下，而置換通風(fēng)的回風(fēng)溫度則應(yīng)控制在27℃左右[3]；超過(guò)這一溫度即認(rèn)為該房間處于不滿意工況。

以房間r3-1和r3-2為例，圖2給出了在供冷季的逐時(shí)負(fù)荷，時(shí)間從6月1日到9月14日。

2結(jié)果分析

2．1定風(fēng)量系統(tǒng)中，固定新風(fēng)比β時(shí)的能耗比較

需要指出，在定風(fēng)量系統(tǒng)中，AHU的送風(fēng)狀態(tài)是可變的。圖3所示為定風(fēng)量系統(tǒng)中固定新風(fēng)比β時(shí)混合送風(fēng)和置換通風(fēng)方式下AHU的逐時(shí)負(fù)荷，從中可以看出，除了6月約20天的時(shí)間以外，多數(shù)時(shí)間內(nèi)置換通風(fēng)的AHU負(fù)荷要比混合送風(fēng)的AHU負(fù)荷低。在這段時(shí)間內(nèi)，置換通風(fēng)的AHU總負(fù)荷為59039kWh，而混合送風(fēng)AHU總負(fù)荷為67080kWh；比較可知，置換通風(fēng)在AHU側(cè)可節(jié)能約12%。由于二者送風(fēng)量相同，因此風(fēng)機(jī)側(cè)面的能耗可認(rèn)為相同（實(shí)際上由于置換通風(fēng)沒(méi)有管路，靜壓箱壓力低，因此風(fēng)機(jī)能耗應(yīng)相對(duì)略低[3]）。

圖3CAV定β的AHU負(fù)荷比較

在此段時(shí)間內(nèi)，以房間r3-5為例，混合送風(fēng)方式下不滿意小時(shí)百分?jǐn)?shù)為4.5%；而置換通風(fēng)方式下不滿意小時(shí)百分?jǐn)?shù)為4%。可認(rèn)為二者的熱舒適效果相近。

在采用置換通風(fēng)的定風(fēng)量系統(tǒng)中，置換通風(fēng)的AHU負(fù)荷與β并非存在線性關(guān)系。研究中分別考慮了β為15%，18%，20%及23%的情況，發(fā)現(xiàn)相應(yīng)的AHU側(cè)的負(fù)荷為混合送風(fēng)的AHU負(fù)荷（保持不變）的90%，88%，92%及96%。這一結(jié)果與文獻(xiàn)[7]不同。原因可能在于定風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)中，固定β后使得在不同氣象條件下，AHU對(duì)回風(fēng)或新風(fēng)的利用不足。整個(gè)供冷季置換通風(fēng)AHU處理的新風(fēng)總量為混合送風(fēng)的80%。

2．2定風(fēng)量系統(tǒng)中，β可變的能耗比較

圖4比較了定風(fēng)量系統(tǒng)中可變時(shí)的AHU負(fù)荷。新風(fēng)比的設(shè)定如前所述。可見(jiàn)置換通風(fēng)的AHU負(fù)荷始終低于混合送風(fēng)。但與β固定時(shí)不同的是，在整個(gè)供冷期間置換通風(fēng)AHU負(fù)荷降低的幅度始終相對(duì)較小。

圖4CAV變?chǔ)碌腁HU負(fù)荷比較

置換通風(fēng)的AHU總負(fù)荷為62470kWh，而混合送風(fēng)AHU總負(fù)荷為67237kWh；置換通風(fēng)在AHU側(cè)可節(jié)能約7%。在這種空調(diào)模式

下，降低置換通風(fēng)的最低新風(fēng)比β，可降低AHU的負(fù)荷。最低新風(fēng)比β為17.5%，20%，22.5%時(shí)，相應(yīng)的AHU總負(fù)荷分別為混合送風(fēng)的91%，93%和95%。可見(jiàn)最小新風(fēng)比越小時(shí)，AHU總負(fù)荷也相對(duì)越少。

整個(gè)供冷季混合送風(fēng)的AHU采用全新風(fēng)小時(shí)數(shù)為62h；而置換通風(fēng)的AHU采用全新風(fēng)小時(shí)數(shù)為87h，占總供冷小時(shí)數(shù)的11%。可見(jiàn)置換通風(fēng)對(duì)自然能源的利用率高于混合送風(fēng)（回風(fēng)溫度高并非是惟一原因，室外溫度適宜才是主要推動(dòng)力）。

以房間r3-5為例，混合送風(fēng)方式下不滿意小時(shí)百分?jǐn)?shù)為6.5%；而置換通風(fēng)方式下不滿意小時(shí)百分?jǐn)?shù)為5%。置換通風(fēng)的效果應(yīng)略好于混合送風(fēng)。

2．3變風(fēng)量系統(tǒng)中，定送風(fēng)狀態(tài)、固定β時(shí)的能耗比較

圖5比較了變風(fēng)量系統(tǒng)定送風(fēng)狀態(tài)、固定新風(fēng)比β時(shí)的AHU負(fù)荷。新風(fēng)比β的設(shè)定如前所述。混合送風(fēng)的送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)參數(shù)為16℃，70%；置換通風(fēng)的送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)參數(shù)為19℃，60%。

圖5VAV定送風(fēng)狀態(tài)定β時(shí)的AHU負(fù)荷比較

如圖5所示，置換通風(fēng)AHU負(fù)荷始終低于混合送風(fēng)。但是二者AHU側(cè)的負(fù)荷都大為增加。置換通風(fēng)的AHU總負(fù)荷為79569kWh，而混合送風(fēng)AHU總負(fù)荷為93696kWh；置換通風(fēng)在AHU側(cè)可節(jié)能約15%。在這一空調(diào)模式下降低置換通風(fēng)的最低新風(fēng)比β，同樣可減輕AHU的負(fù)荷。最低新風(fēng)比β為17.5%，20%，22.5%時(shí)，相應(yīng)的AHU總負(fù)荷分別為混合送風(fēng)的83%，85%和87%。

此時(shí)置換通風(fēng)AHU所處理的風(fēng)量將大于混合送風(fēng)，如圖6所示。統(tǒng)計(jì)可知，混合送風(fēng)在供冷季總風(fēng)量為1420萬(wàn)m3，而置換通風(fēng)在供冷季的總風(fēng)量為1787萬(wàn)m3，后者為前者的1.26倍。但需要指出的是，在此空調(diào)模式下采用了置換通風(fēng)和混合送風(fēng)后，房間溫度的不滿意率均為0。而置換通風(fēng)回風(fēng)溫度在26℃以上的小時(shí)百分?jǐn)?shù)也僅僅為3%；即在使用置換通風(fēng)的多數(shù)的時(shí)間內(nèi)，房間內(nèi)的溫度偏低的。如果考慮采用置換通風(fēng)時(shí)工作區(qū)負(fù)荷較小，重新進(jìn)行模擬（在模擬中假定房間允許的最高溫度為27℃），所得結(jié)果如下：置換通風(fēng)AHU負(fù)荷百分比為混合送風(fēng)的75%，總送風(fēng)量百分比為100.2%。

圖6VAV定送風(fēng)狀態(tài)定β時(shí)的AHU風(fēng)量比較

混合送風(fēng)和置換通風(fēng)的AHU逐時(shí)處理的新風(fēng)量如圖7所示。混合送風(fēng)AHU處理的新風(fēng)量高于置換通風(fēng)的。

圖7VAV定送風(fēng)狀態(tài)定β時(shí)AHU新風(fēng)量比較

2．4變風(fēng)量系統(tǒng)中，定送風(fēng)狀態(tài)，變?chǔ)聲r(shí)的AHU新風(fēng)量比較

規(guī)律與固定β時(shí)類似，不過(guò)節(jié)能比例和風(fēng)量比略有變化。采用全新風(fēng)的小時(shí)數(shù)置換通風(fēng)高于混合通風(fēng)，前者為46h，剛好為后者的2倍。詳細(xì)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2不同空調(diào)運(yùn)行模式下的模擬結(jié)果匯總

AHU總負(fù)荷

/%AHU總風(fēng)量

/%制冷機(jī)側(cè)能耗

/%風(fēng)機(jī)側(cè)能耗

/%系統(tǒng)總能耗/%AHU采用新風(fēng)量/%AHU采用全新風(fēng)小時(shí)數(shù)/h

置換混合

CAV，固定β8810088100918000

CAV，可變?chǔ)?31009310094918762

VAV，定送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)，定β85126851269594.600

VAV，定送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)，變?chǔ)?012690126911034724

VAV，變送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)，變?chǔ)?161181161181171138070

VAV，定送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)，定β☆75100.275100.278.58100

VAV，變送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)，定β☆961059610597.31059070

注：1☆表示考慮了置換通風(fēng)工作區(qū)負(fù)荷比混合送風(fēng)要低，其它欄表示二者工作區(qū)負(fù)荷相同。

2對(duì)冷水側(cè)取一固定的綜合COP，均取為2。

3風(fēng)機(jī)側(cè)能耗計(jì)算：根據(jù)文獻(xiàn)[8]的建議，取風(fēng)機(jī)壓頭為1000Pa，風(fēng)機(jī)全壓效率0.6，以單風(fēng)機(jī)系統(tǒng)計(jì)算；變風(fēng)量運(yùn)行時(shí)，考慮控制策略為供回風(fēng)管壓不變，則功率可近似認(rèn)為與風(fēng)量成線性關(guān)系。

4模擬中，房間溫度的不滿意率均控制在7%以下；在變風(fēng)量系統(tǒng)中，房間溫度的不滿意率控制在4%以下。

5百分?jǐn)?shù)=置換通風(fēng)/混合送風(fēng)

2.5變風(fēng)量系統(tǒng)中，變送風(fēng)狀態(tài)、變?chǔ)聲r(shí)的能耗比較

如果不考慮采取置換通風(fēng)時(shí)工作區(qū)負(fù)荷低，如圖8所示，則統(tǒng)計(jì)模擬結(jié)果可得：混合送風(fēng)AHU總負(fù)荷為59685kWh；置換通風(fēng)AHU總負(fù)荷為64586kWh，后者為前者的116%。混合送風(fēng)AHU總風(fēng)量為1529萬(wàn)m3；而置換通風(fēng)AHU總風(fēng)量為1863萬(wàn)m3，是混合送風(fēng)的118%。混合送風(fēng)和置換通風(fēng)的房間不滿意率均為0。而置換通風(fēng)房間溫度高于26℃的小時(shí)數(shù)也僅僅為4%。

圖8VAV系統(tǒng)變送風(fēng)狀態(tài)變?chǔ)聲r(shí)的AHU負(fù)荷比較

考慮置換通風(fēng)工作負(fù)荷較低，其他設(shè)定不變而假定房間允許最高溫度為27℃重新進(jìn)行模擬，則結(jié)果為（混合送風(fēng)結(jié)果不變）：置換通風(fēng)AHU總負(fù)荷53205kWh，是混合送風(fēng)的96%；置換通風(fēng)AHU總風(fēng)量為1609萬(wàn)m3，是混合送風(fēng)的105%。其余結(jié)果見(jiàn)表2。

從以上的模擬計(jì)算結(jié)果來(lái)看，置換通風(fēng)在絕大多數(shù)情況下較混合送風(fēng)節(jié)能，節(jié)能幅度在5%～10%左右。如果考慮了置換通風(fēng)工作區(qū)負(fù)荷比混合送風(fēng)要小，置換通風(fēng)風(fēng)管阻力要比混合送風(fēng)要低，以及提高送風(fēng)溫度可提高制冷機(jī)側(cè)的COP，則置換通風(fēng)節(jié)能的幅度可望再提高5%～10%，即總節(jié)能效果達(dá)到10%以上。

對(duì)于變風(fēng)量系統(tǒng)而言，利用計(jì)算機(jī)來(lái)逐時(shí)模擬置換通風(fēng)的能耗情況還需要更深入地結(jié)合置換通風(fēng)的特點(diǎn)如工作區(qū)負(fù)荷低、存在垂直溫度梯度來(lái)進(jìn)行，否則可能會(huì)忽視置換通風(fēng)的節(jié)能效果。

3結(jié)論

以DeST模擬一典型辦公樓層分別采用置換通風(fēng)和混合送風(fēng)方式，在不同空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行模式下的逐時(shí)能耗、新風(fēng)量及新風(fēng)比情況，經(jīng)比較分析得到以下結(jié)論：

3．1在定風(fēng)量系統(tǒng)中，無(wú)論是否固定新風(fēng)比，采用置換通風(fēng)的空調(diào)系統(tǒng)都較混合送風(fēng)系統(tǒng)節(jié)能，整個(gè)系統(tǒng)的能耗（包括冷凍機(jī)側(cè)和風(fēng)機(jī)側(cè)）可減少約5%～10%左右；并且當(dāng)室外溫度較高時(shí)，考慮置換通風(fēng)效率高而適當(dāng)降低最小新風(fēng)比，可減少更多的能耗。

3．2在變風(fēng)量系統(tǒng)中，采用置換通風(fēng)時(shí)制冷機(jī)側(cè)（也即AHU側(cè)）可節(jié)能約10%～15%左右，但風(fēng)機(jī)側(cè)可能會(huì)消耗稍多的能

量，約15%～25%；二者結(jié)合起來(lái)看，系統(tǒng)仍可節(jié)能約5%以上。

3．3如果考慮置換通風(fēng)工作區(qū)負(fù)荷低的情況，以上節(jié)能指標(biāo)可能會(huì)更高。

置換通風(fēng)作為一種極具潛力的空調(diào)送風(fēng)方式，以其自身在熱環(huán)境、空氣品質(zhì)、節(jié)能以及施工和運(yùn)行方面的靈活性與經(jīng)濟(jì)

性，正日益受到各方青睞。相信置換通風(fēng)這種空調(diào)形式會(huì)在國(guó)內(nèi)有越來(lái)越多的應(yīng)用。

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