蒸发冷却与置换通风复合空调系统设计探讨.doc

蒸发冷却与置换通风复合空调系统设计探讨西安工程大学 向 瑾 黄 翔 武俊梅摘要：介绍了蒸发冷却与置换通风复合空调系统，对复合空调系统的设计过程进行了分析，给出了完整的设计方法。通过一具体体育馆工程测试，得出垂直温度梯度随送风速度的变化关系。结合目前中国国情，给出系统送风速度推荐范围，为设计人员的初步设计计算提供了参考依据。关键词：蒸发冷却；置换通风；系统设计；送风温度；送风速度0 引言国家“十一五”规划提出了节能降耗和污染减排的规划目标，国务院并印发了节能减排综合性工作方案。蒸发冷却空调技术是适应这一时代背景的技术，目前，此技术在我国西北地区，特别是新疆地区近百个工程中得到了应用1。近年来，随着置换通风技术在我国的不断研究与发展，此技术已应用到了很多实际工程中25，而且越来越受到设计人员和业主的高度重视。蒸发冷却与置换通风复合空调系统在新疆地区的某些工程中也得到了应用，但根据笔者调查所知，此部分的设计目前没有设计规范可查，设计大多参考国外相关的置换通风设计资料。笔者通过研究67，提出了蒸发冷却与置换通风复合空调系统的设计计算方法，并通过某一实际工程的现场实测，给出了适合中国国情的置换通风送风速度范围，以供设计人员参考。1 蒸发冷却与置换通风复合空调系统 置换通风是一种通风效率高，室内空气品质好的通风方式8。从置换通风的原理看，它是利用空气密度差而形成的。由房间低处送出的冷风低速进入工作区内，因为密度大而像湖水一样弥漫了整个房间地板上，遇到室内热源产生向上的对流气流，使室内产生垂直的温度梯度，向上的热对流将污染物和大部分的照明和围护结构的冷负荷带到高处，由排风直接带走。目前，从置换通风的应用情况看，置换通风系统设有回风装置，为了获得比排风温度低的空气，一些回风装置设置在排风口的下端，然而这样却改变了真正的置换通风流态。蒸发冷却空调技术是一种节能、环保、经济和可提高室内空气品质的冷却方式9。由空气蒸发冷却器与空气输送及分配系统所构成的蒸发冷却空调系统，实际上也是一种直流式（全新风）空调系统。所以，将置换通风与蒸发冷却结合起来使用，不仅可以保证置换通风流态，还可以节约能源，提高室内空气品质。2 空调系统设计方案如图1所示，由于西北地区独特的气候特点，室外空气参数在室内设计参数的左上部。在与置换通风结合时，蒸发冷却新风机组可以将室外空气处理到置换通风系统下所要求的送风温度。置换通风的送风温差一般为468。图1中O1为最小送风状态点，O2为最大送风状态点。当室外空气状态点落在W1和W2之间时，可直接选用一级蒸发冷却，将空气等焓降温即可满足要求；当室外状态天落在W1以上时，则需选用二级蒸发冷却，先将空气等湿降温到W1点，然后再等焓降温处理到送风状态点。图1 复合空调系统空气处理过程图 图2 蒸发冷却与置换通风复合系统设计方案空调系统的设计方案如图2所示，新风机组选择时可选用二级蒸发冷却机组，根据需要开启一级或二级。3 空调系统系统设计3.1 设计原则由于置换通风的送风口处于工作区，送风温度必须控制在人体舒适范围内，送风温差的合理确定是置换通风空调系统设计的难点之一。如果送风温差设计偏小，则会造成送风量偏大，送风口的尺寸大小和数量增多，设备投资加大；如果送风温差过大，送风温度必然较低，人体头部与脚面之间温差偏大，使人产生冷感，降低人体热舒适。因此，合理的设计送风量、送风速度和送风温度是关系到置换通风保证室内空气品质和人体热舒适性的一个重要因素。3.2 室内设计参数确定参照采暖通风与空气调节设计规范（GB500192003）：夏季室内设计温度为2428，相对湿度40%60%。具体室内设计参数参照采暖通风与空气调节设计规范中建筑物设计参数表。3.3 室内冷负荷计算采用置换通风进行夏季供冷，其室内工作区冷负荷QZ是确定置换通风设计的重要参数。根据建筑物的本身特点和使用情况，工作区冷负荷计算分两种方式，其一是平面式办公室、教室类建筑；其二是具有阶梯形的体育馆、影剧院、会议室类建筑。（1）平面式办公室、教室等类建筑10 （1）式中：Qoe为人体、桌灯、设备等产生的热量（W）；Q1为人头部以上的灯具散热量（W）；Qex为由外墙、外窗传入热及传入的太阳辐射热（W）；oe，1，ex分别为坐姿时人体头与足高度之间的空气分配到的对流加权系数，其值取为0.295、0.132、0.185。（2）阶梯式体育馆、影剧院、会议室等类建筑负荷计算采用空间分区与余热量计算，见表1。表1 分区余热量计算分区高度/m余热量来源余热量/W底部区0.0550%照明负荷，地板负荷，太阳辐射热Q0.1人员停留区0.05Hr人体显热负荷，围护结构负荷，太阳辐射热QZ上部区Hr50%照明负荷，顶板和外墙负荷，太阳辐射热QS应注意，在计算人员停留区余热量时，不计入人体潜热，因为置换通风中促成温度分层的因素是显热，人员呼出的水蒸气可由向上的热气流带走。3.4 确定送风量根据公式，得 （2）式中：L为送风量（m3/s）；为空气密度（kg/m3）；cp为空气比定压热容（kJ/（kg·）； t1.1t0.1为人体坐姿时头与足之间的温差（），ISO 7730给出的置换通风下舒适指标为温度梯度2/m。 注意，当公式（2）用于类建筑时，分母中t1.1t0.1的值应为设定的房间内温度梯度乘以人员停留区的高度。3.5 确定送风温度（1）平面式办公室、教室等类建筑置换通风的一大特点就是出现温度分层现象，温度梯度由三部分组成，即出风后地表层的温升t0.1= t0.1ts；工作区温度梯度t1.1= t1.1t0.1；室内上部温升tp= tpt1.1。室内送排风温差t= tpts，该值表示送风吸收室内全部的热量。根据停留区温升系数计算公式和地面区温升系数计算公式，则可确定送风温度ts： （3）式中：c为停留区温升系数，计算公式为 （4） k为地面区温升系数，计算公式为 （5）停留区温升系数c也可根据房间用途确定。表2列出了各种房间的c值11。地面区温升系数k也可根据房间用途及单位面积送风确定。表3列出了各种房间k值11。表2 各种房间工作区温升比工作区温升比例c=t1.1/t地表面部分冷负荷比例（Q1.1/Qt）/ %房间用途0.16020天棚附近有照明、博物馆、摄影棚0.252060办公室0.3360100置换诱导场合0.460100高负荷办公室、冷却顶棚、会议室表3 地表面空气层温升比地面层温升比例k=t0.1/t房间送风量/（m3·(m2·h)-1）房间用途及送风情况0.16020仅送最小新风量0.252060使用置换散流器房间0.460100集会场所、会议室（2）阶梯式体育馆、影剧院、会议室等类建筑根据公式，得 （6） 即： （7）3.6 确定送风风速及送风口个数 送风速度的大小关系到人体的舒适与否，目前置换通风的送风没有设计规范可查。可参考文献12选取，工业建筑,面风速v 取0. 5 m/ s；高级办公室,面风速v 取0. 2 m/ s。 送风口个数n可由下式确定： （8）式中：L为送风量（m3/s）；v为送风速度（m/s）；F为单位风口横截面积（m2）。4 实际测试结果与分析4.1 实测对象实测对象为新疆大学体育馆，该馆是一座多功能体育建筑，呈方形平面（93.5m×65.3m），中间的方形比赛大厅面积910m2，能容纳4200个观众席。大厅最高点标高29.2m，大厅周围12层布置有训练馆，乒乓球馆，器械健美馆，跆拳道馆等。主要测试馆内观众区垂直温度场随送风速度的变化关系。4.2 测试条件（1）位置：红座椅区，中间区域看台，3组测线分别布置在此区域的第一排、第三排、第六排，测线距离送风口0.4m，中间区域看台总落差3m。（2）测试时间：2007年7月12日下午15:40。（3）外扰：晴天，室外干球温度t=32.8，室外湿球温度ts=16.5。（4）内扰：室内照明全关，室内有2名测试人员及30多位参观和清扫人员。4.3 测试结果及分析 图3 新疆大学体育馆现场测试图需要说明，所有标高均从当地地面算起。（1）工作区空气温度随高度和测线的变化 如图4所示，三条测线上的温度都随高度的增加而升高。第六排测线上各高度的温度都比下两层测线上各高度的温度高。图4 各测线上断面温度随高度的变化 图5 各测线上断面风速随高度的变化（2）工作区风速随高度和测线的变化 如图5所示，三条测线上的风速都随高度的增加而降低，在某一高度风速会降低到可忽略不计。（3）送风速度对垂直温度分布的影响结合图4、图5可以看出，送风风速对垂直温度梯度有较大的影响。风速越大，垂直温度梯度越大。由于置换通风送风方式属于非等温自由射流。对于非等温自由射流，由于射流与周围介质的密度不同，在浮力和重力不平衡条件下，射流将发生变形，即水平射出（或与水平面成一定角度射出）的射流轴将发生弯曲，其判据为阿基米德数Ar13。阿基米德数是一个简单的比率，其可以表示为浮力和惯性力的比值，定义式为14： （9）式中：为冷热空气的密度差（kg/m3）；g为重力加速度（取9.81m/s2）；L为特征长度（m）；为空气的密度（kg/m3）；为空气流速特征（m/s）。实际上阿基米德数有多种表达形式，也可表示成温度差和浓度差等，但基本的因素表达是一样的。阿基米德数Ar可简单地理解为，Ar值越大，浮力的作用越起主导作用；Ar值越小，惯性力（或速度）将越起主导作用。考虑射流轴弯曲的轴心轨迹计算式可用下式13： （10）式中各符号的意义见图6。Ar值大小决定射流弯曲的大小。当yi，d0，xi和为定值时，Ar值与角度成反比。 从式（9）可知，当g，L和为定值，变化很小时，出风口风速越大，则阿基米德数Ar值越小，那么射流弯曲角度变大，竖直y方向的速度分量也变大，则垂直向上的风量变大。如果工作区计算冷负荷不变，根据公式（2），则工作区温度梯度变小。从第一排测线测试结果可得出，送风风速在0.25 m/s左右，坐姿时人体头脚的温差小于2，站姿时人体头脚的温差小于3，符合ISO7330标准规定的人体舒适范围。第三、第六排送风风速在0.45 m/s左右，坐姿时人体头脚的温差介于23之间。相同送风速度下，高位置测线上的垂直温度梯度越小。以上数据实在室内工作区基本没人的情况下，测试得出的，如果考虑到有实际人员负荷，则工作区温度梯度又有变大的趋势。 图6 非等温射流轨迹计算5 结论（1）结合西北地区的气候特点，将置换通风应用到蒸发冷却空调系统当中，提出了蒸发冷却与置换通风复合空调系统的设计思路。（2）通过体育馆建筑实际测试，得知送风速度在0.25 m/s左右，坐姿时人体头脚的温差小于2，站姿时人体头脚的温差小于3，符合ISO7330标准规定的人体舒适范围。（3）根据中国国情，结合测试人员的实际感受，建议蒸发冷却与置换通风复合空调系统在应用于类似本测试的体育馆或影剧院时，系统送风速度范围取0.40.5m/s。结论（3）中的数据，只是笔者根据实测当天对体育馆内30多人的问卷感受结果，是否适合不同地区的各年龄段人群，还有待于继续研究。参考文献1 黄翔国内外蒸发冷却空调技术研究进展（1）J暖通空调，2007，37（2）：24-282 芩鸣，倪波.上海体育馆置换通风系统设计研究J. 暖通空调,2000 ,30 (5) :34-383 屈国伦. 广州新体育馆置换通风空调设计探讨J. 制冷，2002 ,21 (2)：44-484 章利君. 深圳文化中心音乐厅空调送风方案比较J. 暖通空调,2002 ,32 (6)：72-745 孙敏生,王威,万水娥. 国家大剧院观众厅空调系统和气流组织方式的设计和分析J. 暖通空调，2003，33 (3)：1-8 6 向瑾，黄翔，武俊梅.蒸发冷却与置换通风相结合空调系统的应用分析J.建筑节能，2007，35（7）：12-147 向瑾，黄翔，武俊梅.蒸发冷却与置换通风相结合空调系统的经济性分析J.西安工程科技学院学报（增刊），2007，21：68-698 李强民置换通风原理、设计及应用J暖通空调，2000，30（5）：41-469 黄翔面向环保、节能、经济及室内空气品质联合挑战的蒸发冷却技术J建筑热能通风空调，2003，22（4）：1-410 Xiaoxiong Yuan, Qingyan Chen, Leon R Glicksman. Models for prediction of temperature difference and ventilation effectiveness with displacement ventilationJ. ASHRAE Trans，1999, 105(1)：353-367 11 连之伟，马仁民.下送风空调原理与设计M.上海：上海交通大学出版社.200612 Xiaxiong Yuan，Qingyan Chen，Leon R GlickmanA critical review of DisplacementVentilationJASHRAE Trans，1998，104(1)：78-9013 赵荣义，范存养等空气调节（第三版）M北京：中国建筑工业出版社.199414 周敏置换通风的技术经济性和设计方法研究D西安建筑科技大学，2004