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新風與地板輻射聯合供冷系統的研究

* 來源: * 作者: admin * 發表時間: 2019-07-23 12:57:14 * 瀏覽: 5

    摘要:介紹了新型溫濕度獨立控制空調技術核心內容,根據其技術特點及對我國不同區域氣象參數的分析,給出了應用該技術的空調系統,室外設計參數新的選擇方法。提出了新風與輻射地板聯合供冷系統中,幾個主要參數選擇計算設計方法及設計步驟。結合設計計算實例,分析了聯合供冷系統設備選型要點、應用條件及適用場所。

    關鍵詞:輻射地板供冷、溫濕度獨立控制新風系統、聯合供冷、設計計算
    引言:地板輻射供冷目前被人們認為是一種非理想的供冷方式,其主要原因是,人們對結露問題的疑慮和對舒適性的擔憂。上世紀90年代,歐洲開始對地板輻射供冷進行理論和實際應用的探討,國內近年來也加快了研究和應用的進程。隨著溫濕度獨立控制空調技術的發明與應用,為解決上述問題提供了有效途徑,使杜絕地板結露現象的產生成為可能。相關研究表明,把地板溫度控制在18~20℃以上,在夏季不會產生腳冷的感覺,滿足熱舒適性要求。采用溫濕度獨立控制技術處理新風與輻射地板聯合供冷(以下稱聯合供冷),室內外設計參數的確定、地板新風承擔空調負荷比例、地板表面溫度、送風參數及聯合供冷系統適用場所,是本文主要研究的問題。
    技術背景
    1、溫濕度獨立控制空調技術
    傳統的空調方式由于手段的限制,通常采用熱濕聯合方式處理空氣,為了同時滿足溫度和濕度的要求,勢必導致能源的浪費。而溫濕度獨立調節空調技術是分別采用兩個手段來解決溫度控制和濕度控制這兩個方面問題,從而可以分別達到對室內溫度和濕度的控制要求。結合相應的能源形式,可以大大降低能耗,并有可能利用同一末端設備,解決春、夏、秋、冬四季的室內環境的問題。
    2、輻射地板供冷
    輻射地板供冷最關鍵的問題就是如何控制地板表面不發生結露現象。當地表溫度低于室內露點溫度時,會產生表面結露現象。結露不僅降低空調供冷的效果,而且影響建筑物的使用功能及建筑材料的使用壽命,應堅決避免。這樣就要求在采用地板供冷時,一定要保證地板表面的最低溫度高于室內空氣的露點溫度,且有一定的余量。在實際應用中,可以采用防止輻射吊頂結露的方式進行控制,即當輻射地板溫度低于某一設定值(如一般場所可以取18oC)時,停止供水循環,使得溫度逐步上升,以保證正常工作。因此,在室內設計狀態下,地板表面的溫度存在一個最低值。
    室外參數的選擇
    溫濕度獨立控制空調系統,溫度、濕度為兩個獨立控制的參數,與傳統熱濕聯合處理空調系統不同。傳統的空調系統設計中,按暖通規范規定,夏季空調設計采用歷年平均不保證50h的干球溫度、歷年平均不保證50h的濕球溫度的狀態點作為室外設計狀態點,把這種選擇方法用在溫濕度獨立控制空調系統設計是不妥的。
    根據年平均溫度、最濕月平均含濕量,我國劃為三個區域(1)。根據我國典型氣象(設計典型)年逐時參數報表(2)中看出,不同區域最濕月平均含濕量與夏季空調室外狀態點對應含濕量不同,一般干燥地區最濕月平均含濕量大于夏季空調室外狀態點對應含濕量,潮濕地區最濕月平均含濕量接近或小于夏季空調室外狀態點對應含濕量;所有地區最濕日平均含濕量均大于夏季空調室外狀態點對應含濕量。為保證空調系統運行可靠性,建議采用最濕日平均含濕量作為夏季空調室外計算含濕量。夏季空調設計采用歷年平均不保證50h的干球溫度、最濕日平均含濕量的狀態點作為室外設計狀態點。表1為不同區域典型城市室外氣象參數對照表。

    室內參數的確定

    采用了地板輻射供冷方式,可以適當提高室內的空氣溫度,以達到與傳統空調系統一致的體感溫度,滿足舒適性要求。由于地板輻射不能負擔全部顯熱負荷,因此,設計的室內溫度比傳統空調提高的幅度需要進一步分析。參照熱輻射地板的規范要求,聯合供冷采用下部送風方式,設計溫度可以比傳統空調提高2oC;采用上部送風方式,設計時的室內溫度按照線性比例提高,即如果地板輻射全部負擔顯熱負荷,設計溫度可以比傳統空調提高2oC,如果只占有一定比例,則設計溫度也提高2oC的相應比例。
    設計步驟
    1、地表溫度確定
    應根據空調負荷、新風量及舒適性要求,確定地表溫度,一般不宜低于18~20℃。     2、地板新風承擔空調負荷比例
    地板承擔部分顯熱負荷,新風承擔室內全部潛熱負荷及其余顯熱負荷。
    單位面積輻射地板承擔的顯熱負荷為:
Qd=α*(tn-td)
其中:
     Qd:單位面積輻射地板傳熱量
       α:輻射換熱系數
     tn:房間空氣溫度
                 td:輻射地板表面平均溫度
       3、新風量的確定
    滿足人員新風量(新鮮空氣)及室內空氣品質的要求。
    為使室內空氣充分混合,維持均勻的溫度場、速度場,杜絕地板結露,聯合供冷系統新風量即送風量(誘導式送風除外),宜滿足暖通規范舒適性空調室內換氣次數要求。
    4、新風送風點的含濕量確定
    新風負擔全部的濕負荷,根據室內的余濕量、含濕量以新風量,計算新風送風點的濕度:
ds=dn-W/(Gx*ρ)
其中:
     ds:新風送風點的含濕量      (g/kg)
     dn:室內空氣含濕量           (g/kg)
     W:室內余濕                  (g/h)
     G:新風量                    (m3/h)
     ρ:空氣密度                (kg/m3)
    5、新風送風點的溫度確定
    新風負擔的顯熱負荷為全部顯熱負荷減去地板承擔的顯熱負荷。根據這個負荷,確定送風點的溫度。具體計算如下:
ts=tn-3.6*Qx/(Cp*G*ρ)
Q=Qx+Qd
其中:
     ts:新風送風點的溫度         ( oC )
     tn:室內空調溫度              ( oC )
     Cp:空氣定壓比熱              (kJ/kg oC)
     Q:室內顯熱余熱              (W)
     Qx:新風負擔顯熱負荷          (W)
   其它符號含義同上
    應用舉例
    按照以上的設計計算方法,對典型的餐廳和辦公房間進行設計,并且比較計算結果。
    設計的室內基本參數見表2

    為了便于計算,室內設計溫度仍按照傳統方式選取,同時,確定輻射地板表面的平均溫度為20oC,根據分析,如室內設計溫度提高,露點溫度相應提高,但仍可滿足要求。表中新風量考慮了人員的新風要求和換氣次數的限制。
    根據上述的計算方法、步驟,計算典型餐廳辦公室的新風送風點和負荷如表3,表4


    根據計算可以看出新風的送風點達不到機器露點的范圍(相對濕度85%~90%),因此新風的處理過程可以由獨立的溫濕度控制空調機組完成。
    新風處理方法和高溫冷水的制備
    由于我國幅員遼闊,氣候類型多樣,因此,對于特定的新風送風點,在不同的地域,采用的處理手段也不盡相同,其能耗也差別很大。西北干燥地區,室外氣候比較干燥,可采用蒸發冷卻式新風處理機組、高溫冷水表冷器新風處理機組對新風降溫;東南潮濕地區,室外空氣需要除濕降溫后才能送入室內,可采用熱濕聯合處理(冷凝除濕)機組、溫濕度獨立控制新風處理機組對新風除濕降溫。(1)
    需要特別說明的是,新風機組選型的容量計算。由于新風處理過程除濕是關鍵,如果除濕量不足,則送入室內的新風不能排除全部余濕,室內空氣含濕量加大,干式空調末端設備產生結露現象。因此,新風機組除濕量選擇十分重要,是選擇機組的首要參數。按前文所述,為安全起見,建議以室外最濕日平均含濕量作為計算室外狀態點的依據,并用建議的室外狀態點與送風點的差值來選擇機組。這樣,相對于傳統的室外參數點為基礎的機組選型,獨立控制空調設備的選型容量增大。為保證空調系統運行可靠,在設備選型中應特別注意。
    輻射地板供冷,表面的平均溫度約為20℃,適宜的冷水溫度為15~18℃,此溫度要求的冷水可以采用很多天然冷源,如深井水、通過土壤源換熱器獲取冷水等,我國很多地區可以直接利用該方式提供15~18oC冷水。在某些干燥地區(如新疆等)通過直接蒸發或間接蒸發的方法獲取15~18oC冷水。即使采用機械制冷方式,由于要求的壓縮比很小,制冷機的理想COP將有大幅度提高。
    聯合供冷適用場所
    1、干燥地區
    空氣干燥、含濕量低氣候條件比較適宜的地域,采用地板輻射供冷的空調系統,新風處理可以減少甚至取消除濕過程。當室外溫度較低時,可以利用自然通風的方式,大大節約了能耗。如在我國西北地區,室內負荷較小,對空調的要求是通風和降溫,因此,這種方式有廣泛的應用前景。
    2、人員密集房間
    對于人員密集、新風量要求大的空調區域,采用輻射地板加獨立新風系統,可以利用較大的新風量負擔更多的顯熱符合,以減輕地板的負擔。這樣做可以提高地板表面的溫度,降低結露危險。同時,由于采用新風方式控制室內空氣參數,借助于成熟的空調控制手段,通過調節新風參數,控制室內溫度,增加了可調性。人員密集的高大空間,聯合供冷采用地板送風方式,節能效果更為明顯,送風量的減小,節約建筑空間,具有廣闊的發展前景。
    3、冬季地板供暖房間
    在冬季采用地板供暖的建筑中,如果夏季采用輻射地板供冷,兩者可以公用一套系統及末端裝置,節省初投資。對于人員密度較低的房間,聯合供冷系統新風量大于人員需要的新鮮空氣量。新風量增加,大大提高空氣品質,通過采用熱回收方式、變風量系統及優化控制策略等減少由于新風量的增加帶來的能耗損失。
    小結
    聯合供冷系統有著廣泛的應用前景,隨著地板輻射的深入研究與應用和溫濕度獨立控制空調設備的成功研制,可實現溫濕度獨立控制空氣處理過程,新風送風點可以達到更大范圍的溫度濕度。由于可以直接將含濕量處理到要求的送風點,因此比傳統熱濕聯合空調方式節約能源。結合我國氣候特點,采用多種形式,耗費較低能量來制備高溫冷水,用于輻射地板供冷。
    在室外氣象參數選擇過程中,溫濕度獨立控制空調系統,建議采用最濕日平均含濕量作為濕度確定依據。
    在設計計算中,應先確定地板表面溫度,從而確定輻射所承擔的顯熱負荷,以及新風量,根據室內的濕負荷和余下的顯熱負荷分別確定新風送風點,最后由送風點的位置選取適當的處理方法。

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