高大空間室內(nèi)熱環(huán)境及節(jié)能潛力分析

高大空間室內(nèi)熱環(huán)境及節(jié)能潛力分析

0大空間室內(nèi)排熱的研究隨著大規(guī)模公共建筑（鐵路站、機(jī)場站等）的建設(shè)，大型建筑的設(shè)計(jì)和節(jié)能措施越來越受到重視。如何針對高大空間室內(nèi)熱環(huán)境的特點(diǎn),設(shè)計(jì)節(jié)能高效的空調(diào)排熱系統(tǒng),更有效地營造室內(nèi)熱濕環(huán)境成為高大空間空調(diào)節(jié)能研究的新任務(wù)。Nishioka等人對高大空間室內(nèi)局部的送風(fēng)方式,如座椅送風(fēng)對減少熱量摻混的影響進(jìn)行了研究;Chow等人通過對室內(nèi)氣流組織的模擬,建立了高大空間室內(nèi)通風(fēng)的評價方法;吳銳等人針對高大空間室內(nèi)空氣溫度分層的特點(diǎn),分析比較了下送風(fēng)和上送風(fēng)氣流組織方式對節(jié)能的影響;黃晨等人對高大空間進(jìn)行了大量的實(shí)測研究并分析了上部排風(fēng)的節(jié)能潛力;Nakahara研究了室內(nèi)熱量的混合損失及對能耗的影響。這些學(xué)者針對高大空間的研究都利用了高大空間中熱源的不均勻特性,通過對不同熱源進(jìn)行獨(dú)立排熱以減少熱量在空間中的混合損失?，F(xiàn)有的高大空間室內(nèi)排熱研究多是針對排熱過程中能耗的分析,通過數(shù)值模擬方法或?qū)嶒?yàn)手段得到相應(yīng)的結(jié)果。本文將通過對室內(nèi)不均勻分布熱源的特性進(jìn)行分析,比較不同末端方式的排熱損失,并以此分析不同排熱過程性能的差異,進(jìn)而優(yōu)化室內(nèi)不均勻溫度場的排熱過程,為高大空間室內(nèi)排熱末端的設(shè)計(jì)提供一定的參考。1大空間熱源溫度分布特點(diǎn)高大空間建筑的高度高、跨度大,建筑的夏季冷負(fù)荷比較大,熱源在空間上的分布具有不均勻性,其室內(nèi)熱環(huán)境主要包含以下幾個特點(diǎn):1)大多數(shù)新建高大空間都開始注重降低建筑能耗,大量采用自然采光、自然通風(fēng)、建筑遮陽等節(jié)能措施(高大空間窗墻面積比、天窗面積比如圖1所示),當(dāng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用較多透明材料時,室內(nèi)自然采光增加,受太陽輻射的影響,圍護(hù)結(jié)構(gòu)溫度較高,室內(nèi)表面太陽輻射得熱量也較多;2)根據(jù)使用情況,建筑內(nèi)有許多高溫?zé)嵩?如燈具、大屏幕顯示器等,在空間上一般分布在人員活動區(qū)及人員活動區(qū)上方;3)根據(jù)建筑使用功能的不同,室內(nèi)人員發(fā)熱量波動較大,例如鐵路客站、機(jī)場等建筑,人員發(fā)熱量占很大比例;4)高溫高濕的空氣受煙囪效應(yīng)的影響聚集在空間上方,形成空氣溫度分層。以上這些特點(diǎn)和因素決定了高大空間在豎直方向由下至上形成較為明顯的溫度上升趨勢。根據(jù)大量調(diào)研結(jié)果得到的大空間室內(nèi)熱源溫度在空間上的分布如圖2所示。從溫度水平分布來看,50℃左右的熱源為照明燈管;40℃左右的熱源包括透明屋頂內(nèi)表面、照明燈罩表面、平板電視等;30℃左右的熱源包括非透明屋頂內(nèi)表面、透明側(cè)墻內(nèi)表面、高層空氣、廣告箱、電子指示牌、人體服裝表面等;26℃左右的熱源為人員活動區(qū)的空氣。從空間位置來看,位于空間上部的圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面和空氣的溫度在30～40℃之間;位于空間中部的熱源既包含40℃的高溫?zé)嵩?平板電視、照明燈具等),又包含30℃的熱源(廣告箱、電子指示牌等);位于人員活動區(qū)(26℃)的熱源主要為溫度30℃左右的人員?？梢钥吹?中層和上層的熱源溫度與人員活動區(qū)溫度相差較大,應(yīng)充分利用熱源在空間上的不均勻分布特性,合理設(shè)計(jì)末端排熱方法,減少不同溫度水平熱源之間熱量的摻混,提高系統(tǒng)整體的排熱效率。2大空間噴口射流陣風(fēng)方式及輸配能耗分析根據(jù)調(diào)研結(jié)果(見表1),高大空間空調(diào)末端多采用噴口射流送風(fēng),噴口形式一般為鼓形噴口,送風(fēng)風(fēng)速為3.0～7.5m/s,送風(fēng)口高度一般為3～5m?，F(xiàn)有大空間室內(nèi)空調(diào)末端的噴口射流送風(fēng)方式,送風(fēng)風(fēng)速大,高度高,破壞高大空間溫度分層,造成了較大的混合損失。根據(jù)文獻(xiàn)實(shí)測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),高大空間噴口射流送風(fēng)方式有很高的輸配能耗。由多個實(shí)測案例能耗數(shù)據(jù)可以看出,末端風(fēng)機(jī)的輸配能耗所占比例很大,可占空調(diào)系統(tǒng)總能耗的1/3以上。由此可見,噴口射流送風(fēng)的末端排熱方式并不適合高大空間的熱環(huán)境特點(diǎn)。如何減少高大空間內(nèi)熱源排熱環(huán)節(jié)的各項(xiàng)損失,降低末端輸配能耗是設(shè)計(jì)節(jié)能高效的高大空間空調(diào)排熱末端方式的要點(diǎn)。3大空間熱源排熱方式的定性分析本章將針對熱源的不均勻特性來分析高大空間的排熱方法,并通過顯熱排熱過程損失的視角對高大空間內(nèi)不同類型熱源的排熱方式進(jìn)行定量比較和定性分析,以期得到高大空間的優(yōu)化排熱方式。高大空間的熱源可分為三種類型:上層空間的熱源,太陽輻射得熱及中層高溫?zé)嵩?人員散熱。不同類型熱源的排熱損失及如何提高熱源的排熱效率分析如下。3.1熱源回收和采用分布式風(fēng)力調(diào)濕低熱損失上層空間的熱源溫度水平比較高,并且距離人員活動區(qū)較遠(yuǎn)。采用集中排熱方式進(jìn)行排熱時將產(chǎn)生較大的混合損失,對這類熱源排熱時應(yīng)盡可能減少熱量向其他空間的混合損失,并根據(jù)溫度水平的不同采用獨(dú)立的排熱末端。本文以某高大空間為例,定量地計(jì)算上層空間的熱源在集中排熱末端方式下各排熱環(huán)節(jié)產(chǎn)生的損失,并與根據(jù)熱源溫度水平的不同采用獨(dú)立排熱末端方式進(jìn)行對比。以集中排熱末端和獨(dú)立排熱末端分別采用噴口射流送風(fēng)和分布式送風(fēng)為例進(jìn)行分析比較。該高大空間夏季受太陽輻射影響較大,屋頂圍護(hù)結(jié)構(gòu)溫度較高,室內(nèi)熱源僅為人員,熱源參數(shù)及送風(fēng)參數(shù)見表2。在該高大空間中熱源總投入的是由圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱源、人員熱源兩部分產(chǎn)生,在熱量傳遞過程中存在多個換熱環(huán)節(jié),會使得這部分投入的逐步損失,如表3所示。由于兩種末端方式略有不同,圍注:ΔJ1為熱源與空氣之間換熱產(chǎn)生的損失;ΔJ2為空氣層之間摻混產(chǎn)生的損失;ΔJ3為空氣層與排熱末端之間換熱產(chǎn)生的損失。護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面的溫度也有些差異,采用分布式末端方式時建筑上層空間有專門的排熱,因此壁面溫度也略低,導(dǎo)致排熱系統(tǒng)熱源總投入略低于噴口射流送風(fēng)方式。熱源與周圍空氣之間換熱產(chǎn)生的損失ΔJ1由高溫?zé)嵩磁c周圍空氣之間的換熱溫差產(chǎn)生,提高圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面的換熱系數(shù)可以減少這部分損失。分布式送風(fēng)末端條件下,屋頂內(nèi)表面與周圍空氣之間的溫差略小于噴口射流方式,因此ΔJ1也略小。在噴口射流方式下,各空氣層中的熱量要混合起來由噴口送風(fēng)統(tǒng)一進(jìn)行處理,而分布式送風(fēng)將上層空間的熱量單獨(dú)排走,減少了向下層空氣層之間摻混的排熱環(huán)節(jié),損失ΔJ2比噴口射流送風(fēng)小很多,如圖3所示?？諝鈱优c排熱末端之間換熱的損失ΔJ3是由空氣層與排熱末端之間的換熱溫差引起的,加大送風(fēng)量可以減少這部分損失。分布式送風(fēng)可根據(jù)不同溫度水平的熱源提高送風(fēng)溫度,因此也減小了空氣層與排熱末端之間的溫差,相應(yīng)地減小了損失。分布式送風(fēng)排熱過程總的損失為144.2kW·K,而噴口射流送風(fēng)排熱過程總的損失僅為74.3kW·K,如圖4所示。綜上所述,在分布式送風(fēng)方式中,當(dāng)系統(tǒng)總送風(fēng)量維持不變時,高層熱源與底層熱源可以分別采用不同送風(fēng)溫度的末端進(jìn)行排熱,即較高溫度的熱源可以用較高溫度的送風(fēng)進(jìn)行排熱,溫度較低的熱源就需要較低的送風(fēng)溫度。這種根據(jù)熱源溫度水平分別進(jìn)行處理的方式減少了排熱過程中不同溫度水平熱量之間的摻混損失,并有效地提高了末端的送風(fēng)溫度;同時避免了熱量摻混造成的不必要的損失,系統(tǒng)的損失較小。分布式送風(fēng)可以有效地減少上層空間熱量在排熱過程的損失,為此類熱源提供了較佳的排熱方案。3.2輻射排熱方式太陽直射輻射得熱量從透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)入室內(nèi)各表面,被圍護(hù)結(jié)構(gòu)吸收,并向室內(nèi)空間散熱。被地板吸收的太陽輻射得熱量將直接被冷水帶走,減少了向室內(nèi)空氣摻混的環(huán)節(jié)。太陽輻射得熱進(jìn)入室內(nèi)的熱量受吸收面(圍護(hù)結(jié)構(gòu))的溫度水平影響,因此其水平也由吸收面的溫度水平?jīng)Q定,與中層高溫?zé)嵩淳哂邢嗤臏囟雀?、面積大的特性。從熱源排熱所需要的環(huán)節(jié)角度來看,熱源在輻射排熱方式下可以不經(jīng)過空氣而與末端表面直接進(jìn)行輻射換熱,而熱源的對流排熱過程需要三步:熱源向空氣中的對流換熱、熱量在空氣中的摻混、熱量被末端送風(fēng)帶走,如圖5所示。采用輻射排熱方式將省去對流排熱方式產(chǎn)生的排熱環(huán)節(jié),減少了熱量摻混到空氣中的過程,換熱環(huán)節(jié)的減少意味著可能減少損失,例如表4中可以減少混合損失ΔJ1和ΔJ2;同時由于輻射排熱方式利用熱源與輻射板之間的輻射換熱方式進(jìn)行排熱,使得所需的制冷劑溫度得到提高,也就意味著可以提高機(jī)械制冷系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度、改善制冷系統(tǒng)的性能;輻射方式利用水作為冷量輸送媒介,與將熱量摻混到空氣中而利用空氣作為熱量“搬運(yùn)”載體的方式相比,輻射方式的輸配能耗可以得到有效降低;當(dāng)太陽輻射得熱量直接被地板的冷水帶走時,地板供冷量增大,當(dāng)太陽輻射得熱量較小或沒有時,地板供冷量減小,這種供冷量的自動調(diào)節(jié)能力是對流送風(fēng)末端所不具備的。從上述分析可知,輻射排熱末端利用輻射換熱方式減少了可能產(chǎn)生損失的換熱環(huán)節(jié),提高了所需的制冷劑溫度,降低了輸配能耗,直接帶走太陽輻射得熱量,可以有效地解決高大空間內(nèi)太陽輻射得熱和高溫?zé)嵩聪蚴覂?nèi)對流換熱所產(chǎn)生的損失,為此類熱源提供了一種有效的排熱方式。3.3基礎(chǔ)熱源的不均勻特性人員活動區(qū)的主要熱源為人員,熱源溫度水平為30℃左右,人員活動區(qū)(空氣溫度26℃或作用溫度26℃)受人體熱舒適所需溫度水平比較低的影響,人員排熱產(chǎn)生的損失將無法避免。由于人員的流動性,無法專門針對人體熱源進(jìn)行排熱,因此最有效的排熱方法是向人員活動區(qū)送風(fēng)的末端方式。根據(jù)以上高大空間室內(nèi)熱源的不均勻特性提出的相應(yīng)室內(nèi)空調(diào)末端的解決方案有如下幾方面要求:1)充分利用室內(nèi)熱源不均勻特性進(jìn)行排熱,減少不同溫度水平熱源之間的混合損失,實(shí)現(xiàn)不同溫度品位的熱源分別處理;2)盡量減少太陽輻射得熱及高溫?zé)嵩磁艧徇^程中的溫差損失,提高制冷系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度,降低制冷機(jī)的能耗;3)采用輻射末端等方式盡量降低末端輸配系統(tǒng)的能耗。4典型案例分析4.1輻射地板供冷+分散置換通風(fēng)末端泰國曼谷新國際機(jī)場如圖6所示,全年室外氣候潮濕,太陽輻射量大。機(jī)場大空間采用較多自然采光,室內(nèi)太陽輻射得熱量造成很大的室內(nèi)負(fù)荷,如果采用噴口射流送風(fēng)方式將帶來巨大的風(fēng)機(jī)輸配能耗。曼谷新國際機(jī)場采用了輻射地板供冷+分散置換通風(fēng)的室內(nèi)末端方式,輻射地板可直接吸收進(jìn)入室內(nèi)的太陽輻射得熱,減少了太陽輻射得熱向室內(nèi)空氣的摻混;分散式置換送風(fēng)末端將干燥新風(fēng)輸送到人員活動區(qū)域,并補(bǔ)充輻射地板供冷不足所需的冷量,這種分散式送風(fēng)末端避免了噴口射流送風(fēng)形式造成的空氣摻混,維持了空間上的空氣溫度分層。這種末端方案使得風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量減小,使輸送空氣的能耗降到最低,同時又可實(shí)現(xiàn)靈活調(diào)節(jié)室內(nèi)供冷量的效果。4.2濕風(fēng)通風(fēng)操作深圳招商地產(chǎn)前庭如圖7所示,大空間開口較多,滲風(fēng)量較大。前庭空間采用輻射地板供冷+置換送風(fēng),經(jīng)過除濕的新風(fēng)靠近地面送入室內(nèi),防止地板結(jié)露,并在地板附近形成干燥低溫的空氣層,有效地維持了空間內(nèi)空氣的溫度分層和濕度分層(見圖8),使得進(jìn)入室內(nèi)的潮濕滲透風(fēng)不干擾輻射地板表面。在前庭空間上部設(shè)置了固定裝飾板,用于吸收太陽輻射得熱,減少太陽輻射得熱向空間內(nèi)的混合,并通過排風(fēng)將熱量帶走,減少室內(nèi)負(fù)荷。5排熱末端設(shè)計(jì)5.1高大空間室內(nèi)熱源分布具有不均勻性,在豎直空間上形成較為明顯的溫度分層。充分利用熱