變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)自然冷卻節(jié)能設(shè)計

1、2007年第37卷第1期68暖通空調(diào)HV&AC設(shè)計參考變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)自然冷卻節(jié)能設(shè)計華東建筑設(shè)計研究院有限公司葉大法楊國榮董濤摘要結(jié)合變風(fēng)量空氣處理系統(tǒng)的設(shè)計,卻節(jié)能技術(shù)。對該節(jié)能技術(shù)的兩種形式節(jié)能器的判別控制方法及各方法的適用地區(qū)關(guān)鍵詞內(nèi)區(qū)供冷ofnaturalcoolingVAVairconditioningsystemsByYeDafa,YangGuorongandDongTaoAbstractWiththedesighofVAVairconditioningsystem,presentstheenergysavingtechnologyofnaturalcoolingbycooling

2、airconditionedroomswithoutdoorairoflowtemperatureandlowenthalpy.Comparesthetwoenergysavingmodes,i.e.aireconomizerandwatereconomizer.Representsthecontroldiscriminationmethodsofaireconomizerandtheirapplicability.Givessomeimportantpointstobenotedduringdesignprocess.Keywordsinnerzone,cooling,aireconomiz

3、er,fixeddrybulbtemperaturemethod,freshairEastChinaArchitecturalDesignandResearchInstituteCo.,Ltd.,Shanghai,China近年來,空調(diào)系統(tǒng)內(nèi)區(qū)需要全年供冷的概念已經(jīng)被暖通空調(diào)設(shè)計界普遍接受。然而說起要全年開啟冷水機(jī)組,業(yè)主多為高昂的全年運(yùn)行電費憂心忡忡。其實在漫長的春、秋、冬三個季節(jié)里,供冷并不等同于開啟冷水機(jī)組,空調(diào)系統(tǒng)自然冷卻技術(shù)就是一種十分有效的節(jié)能方法。1概念與分類變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)有多種節(jié)能方法:采用變頻裝置調(diào)節(jié)系統(tǒng)風(fēng)量、避免或減少再熱損失、避免室內(nèi)混合損失及利用室內(nèi)混合得益,還有系統(tǒng)新

4、、排風(fēng)熱回收技術(shù)以及本文將介紹的自然冷卻節(jié)能技術(shù)等。系統(tǒng)的自然冷卻節(jié)能技術(shù)也稱為免費冷卻(freecooling),其概念是利用室外低溫、低比焓空氣供冷,全部或部分替代人工冷源,達(dá)到節(jié)能的目的。系統(tǒng)自然冷卻節(jié)能主要有兩種形式:1)直接利用室外低溫、低比焓空氣供冷,簡稱為空氣節(jié)能器(aireconomizer)。2)利用室外低溫空氣冷卻空調(diào)冷水,再由冷水盤管間接供冷,簡稱為水節(jié)能器(watereconomizer)。1.1空氣節(jié)能器空氣節(jié)能器空氣處理過程如圖1所示。圖1空氣節(jié)能器空氣處理過程葉大法,男,1954年10月生,大學(xué),高級工程師,主任工程師200002上海市漢口路151號華東建筑設(shè)計研

5、究院有限公司(021)63217420-8858E2mail:dafa_ye收稿日期:2006-10-31暖通空調(diào)HV&AC2007年第37卷第1期設(shè)計參考夏季,當(dāng)室外空氣比焓大于回風(fēng)比焓(hW1hR1)或室外空氣溫度高于回風(fēng)溫度(tW1tR1)時,新風(fēng)比越大,混合進(jìn)風(fēng)比焓(hC1)就越大,系統(tǒng)能耗也越大,所以新風(fēng)比越小越好。但是為了滿足衛(wèi)生要求,空調(diào)系統(tǒng)必須維持最小新風(fēng)比?；旌巷L(fēng)(C1)經(jīng)冷水盤管冷卻、除濕至盤管出風(fēng)狀態(tài)(L1)。同時盡可能通過全熱交換器進(jìn)行新、排風(fēng)熱回收。當(dāng)室外空氣比焓小于回風(fēng)比焓(hW2hR1)且室外空氣溫度低于回風(fēng)溫度(tW2tR1)時,新風(fēng)比越大,混合進(jìn)風(fēng)比焓越小,系

6、統(tǒng)能耗也越小,應(yīng)采用(L1)。(tW3tL1)時,(N2),相應(yīng)低于夏季室內(nèi)設(shè)計參數(shù)(N1):tN2tN1且N2hR,不啟動空氣節(jié)能器模式:新、排風(fēng)閥關(guān)閉,回風(fēng)閥全開,由新、排風(fēng)定風(fēng)量末端CAV控制最小新、排風(fēng)量;如果hWhR,啟動空氣節(jié)能模式:新、排風(fēng)閥全開,回風(fēng)閥和新、排風(fēng)CAV關(guān)閉,室外新風(fēng)經(jīng)冷水盤管冷卻除濕到盤管出風(fēng)狀態(tài)。焓差法是目前國內(nèi)常用的判別控制方法。2)fixedent)W,口處空氣溫度低于0,盤管則有凍結(jié)之慮,需加強(qiáng)盤管防凍控制。6)系統(tǒng)新風(fēng)比最小時采用全熱交換器,冬、春、秋季又采用空氣節(jié)能器,全年節(jié)能效果最好,是變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能的最佳選擇。但是它會使空氣箱及其機(jī)房更加復(fù)雜

7、,不僅增加了初投資而且需要更大的機(jī)房和進(jìn)排風(fēng)百葉,只有滿足了這些條件,才有可能采用。2空氣節(jié)能器控制要啟動空氣節(jié)能器模式。2.1ASHRAE1列舉了5種判別控制方法和變新風(fēng)比控制方法(見圖3)。47kJ/kg(干球溫度24,相對濕度50%)比較,決定啟動還是關(guān)閉空氣節(jié)能器模式。3)電子焓法(electronicenthalpy)等溫線tR與等焓線hR將h-d圖分成了四個區(qū)域(見圖5a),按照電子焓法,如果新風(fēng)狀態(tài)點位于左下側(cè)區(qū)域(即區(qū)域),則啟動空氣節(jié)能器模式,否則不啟動。4)溫差法(differentialdrybulbtemperature)在溫差法控制中,溫度傳感器T1,T2(見圖4)分

8、別測得新風(fēng)、回風(fēng)溫度tW,tR;如果tWtR,不啟動空氣節(jié)能器模式;如果tWtR,則啟動空氣節(jié)能器模式。5)固定溫度法(fixeddrybulbtemperature)在固定溫度法控制中,溫度傳感器測得室外新風(fēng)溫度tW,根據(jù)所在地區(qū)氣候條件,DDC控制器與表1中某個固定的溫度比較,決定是否啟動空氣節(jié)能器。固定溫度法控制思路是:室外新風(fēng)溫度在室溫24以上均不啟動空氣節(jié)能器模式。如表1所圖3空氣節(jié)能器判別控制方法1)焓差法(differentialenthalpy)比較室外新風(fēng)比焓hW與回風(fēng)比焓hR,當(dāng)hWhR時,空氣節(jié)能器啟動,反之則關(guān)閉。新風(fēng)比焓和回風(fēng)比焓一般是通過測得干球溫度、濕球溫度或露點

9、溫度求得。典型連續(xù)運(yùn)行的空氣節(jié)能器控制系統(tǒng)如圖4所示。溫度傳感器T1,T2分別測得新風(fēng)、回風(fēng)溫度tW,tR;濕度傳感器H1,H2分別測得示,在相對濕度約50%的干燥地區(qū)、約64%的適中地區(qū)和約85%的潮濕地區(qū),空氣節(jié)能器啟動,臨界表1不同氣候條件下的固定溫度值氣候干燥地區(qū)適中地區(qū)潮濕地區(qū)固定溫度值/242118與固定比焓47kJ/kg對應(yīng)的相對濕度/%506485溫度分別為24,21和18。上述三點都靠近等比焓線47kJ/kg。所以,24以上是等溫判別,24以下為等比焓判別,把比焓檢測問題轉(zhuǎn)化圖4空氣節(jié)能器控制原理為不同相對濕度下的溫度檢測問題。暖通空調(diào)HV&AC2007年第37卷第1期設(shè)計參

10、考6)變新風(fēng)比控制71已低于回風(fēng)溫度tR。如果用溫差法判別,將啟動空氣節(jié)能器模式,B區(qū)新風(fēng)比焓明顯高于回風(fēng)比焓hR,用以取代hR是不節(jié)能的。所以應(yīng)采用焓差法在春、夏、秋季,無論變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)空氣節(jié)能器的啟動與關(guān)閉采用何種判別控制方法,在冬季其判別控制方法都比較簡單。圖4中,當(dāng)溫度傳感器T1測得室外新風(fēng)溫度低于盤管出風(fēng)溫度時,系統(tǒng)進(jìn)入空氣節(jié)能器模式,進(jìn)行變新風(fēng)比控制。溫度傳感器T3測得送風(fēng)溫度tS2;DDC控制器根據(jù)tS2與設(shè)定送風(fēng)溫度的差值,比例調(diào)節(jié)新、回、排風(fēng)閥D1,D2,D3。相對濕度傳感器H2測得回風(fēng)相對濕度R,如需要加濕,DDC控制器根據(jù)R與設(shè)定值的差值比例控制加濕量,新排風(fēng)CAV。2

11、.2方法比較或固定焓法判別控制比較合適。3)為了兼顧適合干燥地區(qū)和潮濕地區(qū)的兩種不同的判別控制方法(溫度判別和比焓判別),電子焓法采用了折中的辦法,其曲線靠近干燥A區(qū)的一段接近于等溫線,靠近潮濕的B區(qū)的一段接近于等焓線,。但是檢(或露點溫度)兩。實際應(yīng)用中濕度傳感器有較大的誤差,有時可達(dá)到10%,而且需要經(jīng)常維護(hù)。露點溫度傳感器貴重、易損壞且維修困難。因此,更簡單方便的辦法是采用固定溫度法。5)國外學(xué)者研究表明,對于大多數(shù)室外濕度適中的地區(qū),焓差法比固定溫度法更節(jié)能,但二者差異僅為5%10%,因此采用固定干球溫度法作為空氣節(jié)能器的判別控制法是合適的。當(dāng)然在潮濕地區(qū),固定溫度設(shè)定值要低幾。2.3

12、適用地區(qū)ASHRAE標(biāo)準(zhǔn)90.12001對氣候條件作出動判別條件:,且室外新風(fēng)溫度低于回風(fēng)溫度。表2歸納了5種判別控制方法,然而實際工程中如何選用控制方法則取決于工程所在地的氣候、測量儀表的精度和維修等多種因素。表2空氣節(jié)能器判別控制方法判別控制法固定溫度法適用的氣候條件干燥適中潮濕溫差法固定焓法電子焓法焓差法全部全部全部全部節(jié)能器關(guān)閉時的條件tW24tW21tW18tWtRhW47kJ/kg新風(fēng)狀態(tài)點位于圖5a中區(qū)域以外hWhR了定義,對于不同氣候條件地區(qū)給出了允許或禁止的空氣節(jié)能器判別控制方法(見表3和圖5b)。表3氣候分區(qū)與空氣節(jié)能器控制法氣候條件干燥地區(qū)twb21或twb24且tdb3

13、8適中地區(qū)21twb23tdb23圖5空氣節(jié)能器模式與氣候條件的A區(qū),當(dāng)其逼近回風(fēng)溫度線tR時,比焓已小于回風(fēng)比焓hR。如用焓差法或固定焓法判別,將啟動空氣節(jié)能器模式,但A區(qū)溫度明顯高于回風(fēng)溫度,會大大增加空調(diào)箱顯熱負(fù)荷。采用固定溫度法或溫差法判別控制比較合適。2)潮濕地區(qū)室外新風(fēng)狀態(tài)常處于圖5a中的B區(qū)。當(dāng)其逼近回風(fēng)等焓線hR時,B區(qū)新風(fēng)溫度注:twb和tdb分別為ASHRAE標(biāo)準(zhǔn)90.12001定義的1%夏季空調(diào)設(shè)計濕球溫度和1%夏季空調(diào)設(shè)計干球溫度。我國主要城市也可以參考表3定義的氣候條件進(jìn)行劃分,見表4。從我國空調(diào)自控系統(tǒng)實際情況看,空氣比焓的檢測和控制是比較困難的。工程應(yīng)用中常常流于

14、形式。而干球溫度的檢測與控制則比較穩(wěn)定可靠。2007年第37卷第1期72設(shè)計參考暖通空調(diào)HV&AC表4我國主要城市氣候劃分表城市名哈爾濱、呼和浩特、昆明、蘭州、拉薩、太原、西寧、烏魯木齊、銀川適中地區(qū)北京、長春、大連、貴陽、沈陽、石家莊、天津、西安潮濕地區(qū)上海、長沙、成都、福州、廣州、杭州、合肥、濟(jì)南、青島、澳門、南昌、南京、南寧、武漢、廈門、鄭州、臺北、香港、?？谧?數(shù)據(jù)源自ASHRAE手冊2001表3B。氣候條件干燥地區(qū)因此采用固定溫度控制法比較可行,無論干燥、適中還是潮濕地區(qū)都能適用,區(qū)別僅在于干球溫度設(shè)定值不同。2.4設(shè)計要點,效果最好,設(shè)計時應(yīng)注意如下幾點。1)變新風(fēng)自然冷卻節(jié)能技術(shù)

15、需要較寬敞的空調(diào)機(jī)房和外窗百葉,在方案與初步設(shè)計中應(yīng)與建筑師密切配合,確定好機(jī)房位置,并協(xié)調(diào)好大面積百葉與建筑立面的關(guān)系。2)圖6,7分別表示了單風(fēng)機(jī)與雙風(fēng)機(jī)變風(fēng)量系統(tǒng)的原理與機(jī)房布置,均采用了最小新、排風(fēng)熱回注:圖中FVD為防火調(diào)節(jié)閥。圖7新排風(fēng)式送、回風(fēng)機(jī)系統(tǒng)3)變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)內(nèi)、外區(qū)常分設(shè)系統(tǒng)。對于外區(qū)專用系統(tǒng),冬季一般由空調(diào)箱或末端裝置供熱,處理建筑熱負(fù)荷。此時應(yīng)采用最小新風(fēng)量,并啟動全熱交換器進(jìn)行熱回收。4)為了保護(hù)全熱交換器,通常應(yīng)在全熱交換器的新風(fēng)和排風(fēng)入口處設(shè)置保護(hù)性粗效過濾器,在冷熱盤管前再設(shè)置中效過濾器。3結(jié)語對于全年供冷的內(nèi)區(qū)空調(diào)系統(tǒng),全(變)新風(fēng)供冷的空氣節(jié)能器模式是一

16、種簡單有效、節(jié)能舒適、易于普及的節(jié)能技術(shù)。在現(xiàn)有公共建筑空調(diào)設(shè)計方法上只需稍加改進(jìn)即可實現(xiàn)?？諝夤?jié)能器的基本條件是空調(diào)機(jī)房要靠外墻布置,關(guān)鍵技術(shù)是合適的判別方法、可靠的檢測元件和有效的自動控制。參考文獻(xiàn)90.12001Energystandardforbuildingsexceptlow2riseresidentialbuildingsS,20012ASHRAE.ANSI/ASHRAEStandard622001refrigerationM.NewYork:McGraw2Hill,20005空氘調(diào)和衛(wèi)生工仝.空氘調(diào)和衛(wèi)生工便覧volumesystemdesignguideS,2003注:圖中CA