鋒速達通風降溫系統(tǒng)
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通風降溫設備普及高效節(jié)能環(huán)保型空調設備置換通風與混合送風供冷
0 前言
改革開放二十多年以來，我國的人均壽命顯著增長。這一令人矚目的事實，除了歸功于新的政治環(huán)境和經濟環(huán)境以外，人們日常生活、工作環(huán)境的改善也是不容忽視的重要因素，空調設備正是營造這種使人益壽延年的環(huán)境條件的功臣。
然而，科技往往是把雙刃劍�？照{設備既是耗能大戶，又在創(chuàng)造局部舒適環(huán)境的同時，給整個地球的大環(huán)境帶來負面影響——破壞臭氧層；加劇全球溫室效應。難怪歐洲的“綠色和平”人士不愿使用空調設備，以致2004年夏天，發(fā)達的工業(yè)國里，竟然有人被酷暑“熱斃”。因此，空調設備必須朝節(jié)能和環(huán)保兩個方向發(fā)展，做到親和自然，才能廣泛而長久地為人類效勞。本文就普遍推廣高效節(jié)能環(huán)保型空調設備的相關問題進行以下論述。
空調設備的節(jié)能性和環(huán)保性密切相關，兩者相輔相成。一般來說節(jié)能型空調總是環(huán)保型的，環(huán)保型空調也多半是節(jié)能型的，至少在整體上與節(jié)能型是相協調的。所以，兩者可以相提并論，取長補短。
1 注重使用過程中節(jié)能性的空調設備設計理念
設計空調設備時不能單純考慮制造費用，還須重視運轉費用。在包含制作費用在內的整個使用壽命周期的總經費（壽命周成本）里，運轉費用占55％以上，所以設備的節(jié)能在降低壽命周期成本上起到很大作用。設計節(jié)能型空調時為了盡量提高COP（＝冷凍能力/消耗電力）的值，應采用直流變頻控制器、磁阻式渦旋壓縮機（因其電機鐵芯配置了磁力比普通鐵氧體磁鐵強10倍的釹磁鐵，并通過特殊設計產生了附加的磁阻轉矩，使效率提高20％以上）、紅外線傳感器之類的高技術配套產品，由此制成的變頻空調機可比定頻空調機節(jié)能45％左右，雖然需要較高的初始費用，但據計算，該差額只需1.5～2年即可償還。
2 制造全過程中切實關懷環(huán)境的生產經營理念
節(jié)能環(huán)保型空調設備應采用臭氧層破壞系數為“0”的HFC新冷媒，進行環(huán)境親和型設計（Environment-friendly Design）。同時，必須確保文明生產，做到“零廢棄物排放”。生產工廠本身取得ISO 14001認證自不待言，還應實行“綠色采購”，為了確保所采用的原料、器材、部件都達到環(huán)保要求，各相關廠商也都應取得ISO 14001認證。
3 最佳空調方式和最合適送風位置及能源的選定理念
空調方式對于空調設備的節(jié)能性至關重要，必須針對不同的場合和不同的空調要求，制訂切實可行且恰如其分的空調方案。
3.1 糾正中央空調方式的缺點
①僅在必要的時間里對必要的空間進行空調（消除空耗）
②削減輸送熱源的動力（采用中央空調時，輸送動力的機構比例很高）
③實施獨立的溫度控制（防止過冷、過熱）。
3.2 以局部空調取代完全空調
在操作場所（如車間、試驗室等），溫度對操作的安全和精度有很大影響，據統(tǒng)計，在17℃～23℃的穩(wěn)定環(huán)境里所產生的工傷事故和作業(yè)失誤指數最低。因此，這些場所應采取有效的定點空調（局部制冷或制熱），并盡量將送風管延伸到靠近人體的地方，這與空調效果密切相關，也是空調節(jié)能的關鍵所在。據某一實例測定：距離送風口1.0m處風速為2.7m/s，體感溫度為25.5℃，而在距離送風口2.0m處風速就降為1.4m/s，體感溫度則上升為29℃。
3.3 配備與空調效果相協調的通風裝置
如果空調與通風互相協調，就不會因空調后的室溫受到影響而浪費能源。以高溫車間為例，為了減輕制冷負荷，整體通風與局部通風并用，而對操作者則提供定點空調。通風方式應以有效的局部通風（排氣）將整體的通風次數n（n＝每小時通風量（m3）/ 室內容積（m3））降到最低，減少室內的熱損失。
在必須大量通風的場合應引入新風。對于機器發(fā)熱量很大的地方，可采用全新風方式，即對新風加以空調后引入。對于只需通常排熱·通風的地方，可采用回風＋新風的混合方法，即在循環(huán)空氣與新風混合后進行空調的方式。
3.4 采用特殊的配置和工藝
用于醫(yī)院、療養(yǎng)所等地方的潔凈空調和空氣清潔器等設備需要獲得空氣高度凈化的效果，應采用高效除菌濾網和光催化（材料成分為氧化鈦）除臭濾網，這些過濾網除了集塵功能以外還有顯著的除臭、抗菌功效，并具備抑制飄浮菌和病毒的作用。
3.5 因地制宜地選擇空調能源
毫無疑問，電力是最常用的空調能源，電動方式的一次能耗量較小，其CO2的排放量也較小。但在燃氣（天然氣或煤氣）或燃油（石油等）供應充足而電力相對缺乏的地區(qū)可使用以吸收式制冷機為代表的熱源設備。在夜間電費便宜的地區(qū)可考慮發(fā)展冰蓄熱式空調機。另外，太陽能空調機可說是最理想的節(jié)能環(huán)保型空調設備，應該大有發(fā)展前途。
4 安裝操作技術、附配件及器材質量絕對可靠的施工理念
安裝之前應由SE（銷售工程師）進行施工設計，通過負荷計算確保設備的功率與所需的空調區(qū)域相匹配，確定最佳的設備安裝位置。操作必須由合格的專業(yè)人員實施，并且只能使用設備附帶的配件，現場外配的銅管、電線、懸吊支架、螺栓等器材必須嚴格符合廠商規(guī)定的技術要求。
5 空調設備控制工程IT化的管理理念
要使空調設備的舒適性和節(jié)能性兩全其美，其管理工程的IT化是關鍵所在，所以應選用下列控制裝置。
5.1 智能管理器（i-Manager，具有大規(guī)模、高等級的監(jiān)控功能）
智能管理器是適應于獨立空調（大樓用多聯機）主體設備管理的集中監(jiān)視裝置，能通過專用通信線路直接聯系空調設備，構成價格性能比很高的工程，可100％地利用設備信息。
5.1.1 節(jié)能功能之一
在用電高峰階段將要超過目標電力時，可通過空調工程設定溫度的換檔和使室內機停止的控制方法，盡量在不影響舒適性的前提下把用電量掌握在目標電力以內。
5.1.2 節(jié)能功能之二
在維持舒適度的同時，若想進一步降低電力消費，可分別使用下列兩種運轉模式：（1）使任何一臺室內機經過一定間隔的時間停止，或同時使多臺機交替運轉。（2）對室外機進行容量限制。
5.1.3 異常管理
異常發(fā)生時，內容顯示于“異常記錄時間顯示區(qū)”，同時根據工程設定內容觸發(fā)報警蜂鳴器，告知異常。并且，把過去500,000件異常狀態(tài)變化資料作為檔案保存在硬盤中。
5.1.4 用電量的按比例分配
借助于“由室內機運轉狀態(tài)得出的空調容量”可算出各室內機單位的使用電力，即使在同一運轉時間里，也能通過空調負荷找出差異，從而更公平地按比例分配電費。
5.1.5 利用局域網進行遠程監(jiān)視
通過在遠離某大樓的集中管理室和該大樓之間設立專用的局域網，就能實現遠程管理，另外，對于將來增加設施（建筑物等）時也能容易地相應增設空調機和擴展局域網。
5.2 空調專用網絡（AIRNET）＋ 智能管理器
通過智能管理器向用戶提供自由的空調控制，同時還通過空調專用網絡來約束未知故障的運轉。以信息處理·通信技術時刻監(jiān)控空調機的運行狀態(tài)，借助“在線診斷工程”對故障防患于未然，由此可以節(jié)能并提高機器的使用壽命。而且，萬一發(fā)生故障，可能在用戶尚未發(fā)現之前，維修工程師已先行發(fā)出通知，隨即到達現場排除障礙。
5.3 智能觸摸式控制器
為不具備專用管理室或不想聘用專職人員時的理想選擇。
5.3.1 使空調工程簡便地獲得高功能
通過編程以年為單位設定每日的運轉停止和所需溫度。大幅度地減少管理的時間和人力。并且，操作簡便，無須專業(yè)人員，任何人都能管理。
5.3.2 根據空調的使用狀況按比例分配用電量
通過追加相應的軟件，可提供便于電費管理的按比例配電信息。
5.3.3 進行高效節(jié)能的空調管理
因常時監(jiān)視各房間的溫度，并在進行適當溫度管理的基礎上配備了設定溫度范圍的控制功能，所以可形成高度節(jié)能的空調運轉。另外，由于避免了由事先編程所造成的無用運轉，也能節(jié)約可觀的經費。
6 多方位無微不至的維護管理理念
為了減少故障、保持設備的性能以達到長期實行經濟的運轉并延長使用壽命必須進行維護保養(yǎng)。為了對災害防患于未然應
清華大學 李先庭☆ 趙彬 林波榮 陸俊俊
Comparison between annual energy consumptions of displacement ventilation
and mixing ventilation
By Li Xianting, Zhao Bin, Lin Borong and Lu Junjun
摘要 根據置換通風和混合送風設計及運行的特點，以DeST為模擬工具，分析了北京某寫字樓分別采用置換通風和混合送風方式供冷季空調工程的運行情況，討論了兩種送風方式在定風量或變風量運行時工程的逐時能耗及在室外新風利用上的特點。結果表明，置換通風比混合送風節(jié)省10%以上的運行費用。
關鍵詞 置換通風， 混合送風， 節(jié)能
Abstract Based on the design and operation characteristics of displacement ventilation and mixing air supply, by means of DeST tool, analyses operation status of displacement ventilation and mixing air supply in an office building in Beijing in cool air supply season respectively. Discusses the hourly energy consumption of operation of displacement ventilation and mixing air supply under fixed air volume ad variant air volume and the characteristics of fresh air utilization outdoor. Results show that displacement ventilation can save more than 10% of operation cost compared to mixing air supply.
Keywords displacement ventilation, mixing ventilation, energy saving
Tsinghua University , China
引言
隨著辦公自動化設備的開發(fā)與利用，新型辦公樓室內布局的變化以及智能化建筑的出現，置換通風空調方式以其自身在熱環(huán)境、空氣品質等方面的優(yōu)點及在施工運行中的靈活性及經濟性，歷外辦公建筑中的應用日趨廣泛[1]。目前，置換通風在國內的研究及應用亦已起步。
置換通風形式不同于傳統(tǒng)的混合通風形式。置換通風空間分上區(qū)和下區(qū)，下區(qū)的氣流為置換氣流，空氣品質明顯優(yōu)于混合式通風。與混合通風相比[2～4]，置換通風還有通風效率高、工作區(qū)負荷低、室內垂直溫度分層明顯等特點，但它是否節(jié)能學術界沿有爭議。因為盡管工作區(qū)負荷低可相對提高置換通風的送風溫度，擴大室外新風的利用率，使冷水溫度相應提高，從而降低AHU負荷并提高制冷機的COP；但基于控制工作區(qū)溫度梯度的要求以及AHU回風溫度顯著升高的現實情況，亦有可能增加AHU負荷。Seppanen（1989年）對美國的辦公建筑做了置換通風和混合送風的能耗比較[5]，就美國4個典型的氣候帶、兩種典型的通風控制策略（VAV，CAV）、帶有不同熱回收部件的AHU工程等方面作了研究，內區(qū)平均冷負荷14 W/m2，最大冷負荷負荷24W/m2,外區(qū)負荷約120 W/m2。研究發(fā)現：置換通風的能耗很大程度上取決于控制策略和空調箱工程。一個帶有熱回收器、采用VAV控制的置換通風工程的能耗和混合通風工程的能耗幾乎一樣。Zhivov（1998年）比較了不同氣候下美國一餐廳使用置換通風和混合送風的能耗[6]�？紤]了兩種室外空氣的控制策略：定室外空氣量、變室外空氣量，結果發(fā)現：當定室外空氣量時，置換通風節(jié)省12%～18%的能量；當變室外空氣量時，置換通風節(jié)省16%～26%的能量。陳清焰等考察了美國5種典型氣候條件下辦公室、教室、工業(yè)廠房使用置換通風的能耗情況[4]，結果發(fā)現：與混合通風相比，置換通風工程可能消耗更多的風機能量、較少的制冷機和鍋爐的能量。置換通風的總體能耗稍微小于混合通風。國內有學者曾作過上送風與下送風方式的耗冷量比較[7]，但只是基于定性分析，并沒有進行逐時計算，也缺乏對不同空調工程運行模式的全面討論。為此本文擬通過計算機逐時模擬，對此問題進行更為深入的探討。
1 研究方法
研究對象為北京某寫字樓一標準辦公樓層。如圖1所示。室內空調設計溫度為24±2℃，相對濕度為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。夏季辦公室內設備負荷為20 W/m2，照明負荷為15m2，人員密度約0.1人/m2。混合通風樓層高度為3.5m，房間面積：Ar3-1=Ar3-3=Ar3-4=Ar3-5=700 m2;Ar3-2= 460m2。
以建筑熱環(huán)境設計模擬軟件DeST分別計算采用混合送風和置換通風兩種方式供冷季的逐時負荷，并對不同的空調工程模式（定風量、變風量；定新風比、變新風比以及定送風狀態(tài)或變送風狀態(tài)等）進行逐時模擬。模擬結果包括AHU的逐時送風狀態(tài)、送風量、新風比例β、逐時能耗以及各房間的逐時風量及室內溫度等。根據AHU負荷，對冷水側取一固定的綜合COP（一般為1.8～2.5，本文取為2），即可得到水側的總能耗；在風側，分別考慮定風量工程和變風量工程下風機的效率以及風機壓頭，根據逐時的總送風量即可得到風機的側總能耗；由此可得整個工程的總能耗并進行分析比較。
模擬計算說明如下：
�、� 混合送風和置換通風兩種方式所處理的房間總負荷相同。
�、� 不同情況下進行模擬計算時，室外逐時氣象情況相同。
�、� 考慮到置換通風效率較高，因此其所需的新風量應小于混合送風，本文取置換通風和混合送風的效率分別為1.25和1。根據空調辦公房間的空氣品質要求，不同工程類型下混合送風和置換通風的新風設定如表1。
表1 新風比的設定 混合送風 置換通風定風量工程 固定新風比β2520可變新風比β最小25 最大100最小20 最大100變風量工程 固定新風比β2520可變新風比β最小25 最大100最小20 最大100
�、� 置換通風最大送風溫差為5℃，混合送風的最大送風溫差為8℃，即二者相應的最低送風溫度分別為19℃和16℃；在定風量工程中置換通風和混合送風的送風量相同；在變風量工程中二者風量的變化范圍相同，最小送風量為最大送風量的30%。
�、� 假定通過配置風口整個數及類型，置換通風可達到ASHRAE 5592的標準，即離地1.8m和0.1m之間的溫差在3℃以內。
�、� 混合送風的回風溫度應控制在26℃以下，而置換通風的回風溫度則應控制在27℃左右[3]；超過這一溫度即認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負荷，時間從6月1日到9月14日。
圖2 室內逐時負荷
2 結果分析
2．1 定風量工程中，固定新風比β時的能耗比較
需要指出，在定風量工程中，AHU的送風狀態(tài)是可變的。圖3所示為定風量工程中固定新風比β時混合送風和置換通風方式下AHU的逐時負荷，從中可以看出，除了6月約20天的時間以外，多數時間內置換通風的AHU負荷要比混合送風的AHU負荷低。在這段時間內，置換通風的AHU總負荷為59039kWh，而混合送風AHU總負荷為67080 kWh；比較可知，置換通風在AHU側可節(jié)能約12%。由于二者送風量相同，因此風機側面的能耗可認為相同（實際上由于置換通風沒有管路，靜壓箱壓力低，因此風機能耗應相對略低[3]）。
圖3 CAV定β的AHU負荷比較
在此段時間內，以房間r3-5為例，混合送風方式下不滿意小時百分數為4.5%；而置換通風方式下不滿意小時百分數為4%。可認為二者的熱舒適效果相近。
在采用置換通風的定風量工程中，置換通風的AHU負荷與β并非存在線性關系。研究中分別考慮了β為15%，18%，20%及23%的情況，發(fā)現相應的AHU側的負荷為混合送風的AHU負荷（保持不變）的90%，88%，92%及96%。 這一結果與文獻[7]不同。原因可能在于定風量空調工程中，固定β后使得在不同氣象條件下，AHU對回風或新風的利用不足。整個供冷季置換通風AHU處理的新風總量為混合送風的80%。
2．2 定風量工程中，β可變的能耗比較
圖4比較了定風量工程中可變時的AHU負荷。新風比的設定如前所述�？梢娭脫Q通風的AHU負荷始終低
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