彌散式吊頂送風(fēng)在商場(chǎng)內(nèi)區(qū)冬季供冷中的適用性分析

趙江東 余 濤 雷 波

彌散式吊頂送風(fēng)在商場(chǎng)內(nèi)區(qū)冬季供冷中的適用性分析

趙江東 余 濤 雷 波

（西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 成都 610031）

針對(duì)冬季需供冷的商場(chǎng)內(nèi)區(qū)，提出采用彌散式吊頂送風(fēng)系統(tǒng)（DCVS）直接引入室外冷空氣對(duì)內(nèi)區(qū)進(jìn)行通風(fēng)降溫。通過(guò)理論分析，計(jì)算了我國(guó)不同氣候分區(qū)商場(chǎng)在不同人員密度條件下應(yīng)用該系統(tǒng)時(shí)的室內(nèi)空氣溫度，并與排風(fēng)熱回收新風(fēng)免費(fèi)供冷系統(tǒng)（EAHRS）進(jìn)行了能耗比較。結(jié)果表明，夏熱冬冷地區(qū)和溫和地區(qū)的冬季商場(chǎng)內(nèi)區(qū)供冷中，隨著人員密度的增大，DCVS適應(yīng)性變高，且當(dāng)人員密度為0.2人/m2到0.6人/m2之間時(shí)80%以上工作時(shí)間段均可保證室內(nèi)的舒適性標(biāo)準(zhǔn)；相較EAHRS，各地區(qū)能耗均有所降低，其中夏熱冬冷地區(qū)可減少40%的能耗。由此可見(jiàn)，利用DCVS處理商場(chǎng)內(nèi)區(qū)的冬季冷負(fù)荷能提供適宜的室內(nèi)熱環(huán)境，節(jié)能潛力高，有較好的推廣價(jià)值。

商場(chǎng)；內(nèi)區(qū)供冷；彌散吊頂送風(fēng)；熱舒適性；節(jié)能潛力

0 引言

隨著社會(huì)的高速發(fā)展，商業(yè)體體量逐漸擴(kuò)大，商場(chǎng)在冬季不可避免的出現(xiàn)了內(nèi)區(qū)。建筑內(nèi)區(qū)冬季空調(diào)負(fù)荷整體表現(xiàn)為冷負(fù)荷，隨區(qū)域內(nèi)照明、設(shè)備、人員等熱源發(fā)熱量的變化而變化。通常情況下，對(duì)于大空間，將距離外墻3～8m以?xún)?nèi)的區(qū)域當(dāng)作外區(qū)，其余區(qū)域即為內(nèi)區(qū)[1]。為了提高內(nèi)區(qū)冬季的舒適性，傳統(tǒng)工程上會(huì)采用分區(qū)兩管制或四管制的水系統(tǒng)方式進(jìn)行供冷。這種處理方式雖能保證室內(nèi)的舒適性，但系統(tǒng)復(fù)雜、管道占用空間大且不節(jié)能。隨著節(jié)能減排等政策的實(shí)施，《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50189—2015）[2]中明確提出對(duì)于冬季或過(guò)渡季存在供冷需求的建筑，應(yīng)充分利用室外新風(fēng)來(lái)消除室內(nèi)余熱。若采用末端風(fēng)口直接引入新風(fēng)，尤其是室內(nèi)人員密集、風(fēng)量需求較大時(shí)，易造成人員強(qiáng)烈的吹冷風(fēng)感，影響舒適性。當(dāng)室外溫度過(guò)低時(shí)，為了防止結(jié)露還會(huì)額外增加能耗來(lái)對(duì)新風(fēng)預(yù)熱。彌散式吊頂送風(fēng)系統(tǒng)（Diffuse Ceiling Ventilation System, 簡(jiǎn)稱(chēng)DCVS）是一種區(qū)別于置換通風(fēng)和混合通風(fēng)的新型送風(fēng)形式，全年都能使用，無(wú)需另設(shè)管路，可采用大溫差小流量送風(fēng)，室內(nèi)人員活動(dòng)區(qū)無(wú)吹風(fēng)感，氣流均勻，舒適性高，特別適用于熱源比較集中的場(chǎng)合[3-12]。

針對(duì)人員密集的商場(chǎng)內(nèi)區(qū)亟待處理的余熱，本文提出全年采用DCVS處理，并對(duì)冬季直接引入室外新風(fēng)供冷的DCVS在全國(guó)不同氣候區(qū)不同人員密度商場(chǎng)建筑中的適用性和節(jié)能潛力進(jìn)行分析。

1 系統(tǒng)原理

圖1 吊頂板材料實(shí)圖

圖2 DCV系統(tǒng)速度分布圖[11]

DCVS起源于歐洲，最初在豬圈[3]等牲畜場(chǎng)所的通風(fēng)系統(tǒng)中使用并取得一定成效，近幾年其研究轉(zhuǎn)向公共建筑，在教室[5-8]、辦公室[9-10]等實(shí)際建筑中均有涉及，但還未研究商場(chǎng)等大型人員密集場(chǎng)所。DCVS和常規(guī)送風(fēng)系統(tǒng)一樣全年均可使用，DCVS無(wú)需設(shè)置末端風(fēng)口，該系統(tǒng)采用由木屑粘合而成的多孔吊頂板（如圖1）和兩板之間的縫隙作為送風(fēng)口，與樓板之間的空腔為一靜壓箱，送風(fēng)進(jìn)入空腔后通過(guò)分布在彌散式吊頂板上的大面積細(xì)孔送入室內(nèi)。此外，DCVS在冬季需供冷的區(qū)域中使用時(shí)，由于空氣下壓作用，如圖2所示，天花板周?chē)佑|的均為冷空氣，分散后的均勻低速送風(fēng)迅速與室內(nèi)空氣混合，提高室內(nèi)舒適性的同時(shí)降低了吊頂板結(jié)露的可能性。從國(guó)內(nèi)外研究文獻(xiàn)[7-12]可知，該系統(tǒng)不僅初投資小，節(jié)能降噪，多孔末端阻力小，還能送低溫大風(fēng)量空氣，且室內(nèi)人員活動(dòng)區(qū)毫無(wú)吹風(fēng)感，非常適用于人員集中、通風(fēng)量需求大的場(chǎng)合。

圖3 商場(chǎng)內(nèi)區(qū)彌散吊頂送風(fēng)示意圖

因此，本文提出將DCVS用于商場(chǎng)全年空調(diào)系統(tǒng)的方案，夏季經(jīng)冷源處理好的低溫空氣通過(guò)彌散吊頂送入室內(nèi)，由于系統(tǒng)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，可以采用大溫差小流量送風(fēng)方式，從而減小輸配系統(tǒng)的尺寸，降低運(yùn)輸能耗；冬季內(nèi)區(qū)供冷時(shí)，系統(tǒng)可直接引入室外新風(fēng)消除余熱。本文著重對(duì)冬季供冷進(jìn)行分析。如圖3所示，吊頂板采用多孔的石膏板或木屑粘合而成的隔音板材，整個(gè)吊頂作為送風(fēng)口，送風(fēng)管安裝在吊頂板與混凝土樓板之間的空腔內(nèi)，冬季新風(fēng)經(jīng)過(guò)側(cè)開(kāi)風(fēng)口送入空腔，由于壓力的作用，通過(guò)多孔天花板的新風(fēng)被均勻分散，且充斥在吊頂板周?chē)固旎ò鍩o(wú)結(jié)露危險(xiǎn)。送入室內(nèi)的冷空氣與上升熱氣流有效迅速混合，整個(gè)室內(nèi)的空氣流速極低。

2 適用性分析

2.1 商場(chǎng)內(nèi)區(qū)建筑負(fù)荷特性分析

商場(chǎng)建筑室內(nèi)人員密度大且與新風(fēng)需求量正相關(guān)，隨節(jié)假日等波動(dòng)。不同商場(chǎng)建筑體量不同，用途功能各異，整體負(fù)荷也不一，且內(nèi)區(qū)負(fù)荷與室外氣象參數(shù)無(wú)關(guān)。為了有一定的參考價(jià)值，本文選取不同人員密度單位面積商場(chǎng)內(nèi)區(qū)進(jìn)行分析。參考相關(guān)規(guī)范[13,14]，冬季內(nèi)區(qū)室內(nèi)設(shè)計(jì)狀態(tài)點(diǎn)干球溫度取21℃，相對(duì)濕度=40%（由于舒適性因人而異，室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)溫度可上下浮動(dòng)1℃）；商場(chǎng)人員密度按0.2～0.6人/m2共五種工況分別取值，本文以0.4人/m2作為示例計(jì)算，最小新風(fēng)量20m3/(h·p)，商場(chǎng)逐時(shí)人員百分比分為工作日、節(jié)假日兩類(lèi)，如表1所示。根據(jù)式（1）、式（2）可計(jì)算單位面積人體負(fù)荷和新風(fēng)量：

式中：q為21℃輕度勞動(dòng)時(shí)成年男子散熱量，181W（顯熱87W，潛熱94W）；0為商業(yè)區(qū)單位人群密度，0.4人/m2；1為室內(nèi)人員時(shí)間指派，如表1；是群集系數(shù)，0.89；C為冷負(fù)荷系數(shù)，0.93；0為每人最小新風(fēng)量，20m3/(h·p)。

表1 工作時(shí)間段不同工況人員時(shí)間指派

照明冷負(fù)荷取30W/m2，設(shè)備負(fù)荷取15W/m2，照明、設(shè)備的時(shí)間指派均按100%進(jìn)行設(shè)計(jì)。典型設(shè)計(jì)時(shí)刻室內(nèi)負(fù)荷各項(xiàng)參數(shù)值如下表2所示。

表2 最大時(shí)刻各項(xiàng)負(fù)荷統(tǒng)計(jì)

2.2 適用性評(píng)價(jià)指標(biāo)

DCVS直接引入室外新風(fēng)消除余熱的可行性可以采用新風(fēng)供冷能力和室內(nèi)舒適性判定。

根據(jù)式（3）可計(jì)算單位面積新風(fēng)能消除的余熱量：

當(dāng)式（3）計(jì)算值小于室內(nèi)余熱時(shí)，表明適當(dāng)加大新風(fēng)量可消除室內(nèi)余熱，DCVS適用。

此外，基于DCVS送風(fēng)特性[15]而言，如圖4所示，當(dāng)送風(fēng)量過(guò)?。ǖ陀谧钚⌒嘛L(fēng)量標(biāo)準(zhǔn)），如圖中左側(cè)部分，室內(nèi)空氣品質(zhì)無(wú)法得到保證，當(dāng)送風(fēng)溫差過(guò)大，會(huì)造成室內(nèi)的吹冷風(fēng)感或垂直溫度梯度過(guò)大，若在送風(fēng)溫差范圍內(nèi)，風(fēng)速過(guò)高，同樣也會(huì)引起室內(nèi)人員的吹風(fēng)感，影響舒適性。因此，最佳送風(fēng)狀態(tài)范圍確定為圖中的中間空白區(qū)域。

圖4 q0-△T模型示意圖[15]

綜合上述標(biāo)準(zhǔn)，本文采用的評(píng)價(jià)指標(biāo)為：在室外溫度高于2 ℃的前提下，送入室內(nèi)的風(fēng)量處于最小新風(fēng)量與最大送風(fēng)量（10倍最小新風(fēng)量）之間，能夠保證室內(nèi)溫度在20～22℃時(shí)，表明采用該系統(tǒng)時(shí)室內(nèi)能夠滿(mǎn)足舒適性需求。

2.3 不同地區(qū)適用性分析

為分析該系統(tǒng)在不同地區(qū)不同人員密度條件下的適用性，按照上一小節(jié)描述的評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)整個(gè)冬季分析計(jì)算，搜集5個(gè)氣候分區(qū)的典型城市冬季（11月16日～次年3月15日）10:00至21:00共計(jì)1440 h的氣候參數(shù)，按月份劃分，在系統(tǒng)開(kāi)啟時(shí)間內(nèi)，統(tǒng)計(jì)累積逐時(shí)滿(mǎn)足小時(shí)數(shù)占運(yùn)行總小時(shí)數(shù)的比例，即為DCVS在該地區(qū)當(dāng)月的滿(mǎn)足率，如式（4）。

式中：為滿(mǎn)足率；為當(dāng)月滿(mǎn)足時(shí)刻累積小時(shí)數(shù)，h；為當(dāng)月系統(tǒng)運(yùn)行總時(shí)長(zhǎng)，h。

選取5個(gè)代表城市五種人員密度情況進(jìn)行計(jì)算分析，結(jié)果如圖5至圖9所示。

圖5 沈陽(yáng)地區(qū)不同人員密度適用性結(jié)果

圖6 北京地區(qū)不同人員密度適用性結(jié)果

圖7 成都地區(qū)不同人員密度適用性結(jié)果

圖8 昆明地區(qū)不同人員密度適用性結(jié)果

圖9 廣州地區(qū)不同人員密度適用性結(jié)果

由圖5至圖9可見(jiàn)，各工況成都地區(qū)和昆明地區(qū)冬季滿(mǎn)足率均達(dá)到80%，成都地區(qū)甚至高達(dá)90%，表明DCVS在夏熱冬冷地區(qū)和溫和地區(qū)適用性最好。且隨著人員密度的增大，該系統(tǒng)在這兩個(gè)地區(qū)的滿(mǎn)足率也在提高。夏熱冬暖地區(qū)冬季室外氣溫較為溫和，與室內(nèi)空氣的焓差較小，因此需要的新風(fēng)量大，特別是冬季初期和末期時(shí)間段，易造成室內(nèi)強(qiáng)烈的吹風(fēng)感，因此廣州地區(qū)在全年最冷時(shí)刻滿(mǎn)足率高于冬季初末期；而嚴(yán)寒地區(qū)和寒冷地區(qū)滿(mǎn)足率較低，沈陽(yáng)不同人員密度下滿(mǎn)足率均不足20%，北京地區(qū)滿(mǎn)足率在50%左右，這兩個(gè)地區(qū)隨著人員密度的增大，滿(mǎn)足率降低。由于冬季室外溫度過(guò)低，室內(nèi)外溫差較大，人員密度增大的同時(shí)，新風(fēng)最小需求量也同步增大，從而造成新風(fēng)帶入的冷量遠(yuǎn)大于室內(nèi)余熱，所以隨著人員密度增大，其滿(mǎn)足率反而降低。

因此，DCVS用于商場(chǎng)冬季內(nèi)區(qū)供冷在夏熱冬冷地區(qū)和溫和地區(qū)適用性高，具有廣闊的應(yīng)用前景；對(duì)于寒冷地區(qū)和嚴(yán)寒地區(qū)單獨(dú)引用室外新風(fēng)供冷滿(mǎn)足率雖然較低，但若預(yù)先利用室內(nèi)排風(fēng)對(duì)新風(fēng)進(jìn)行預(yù)熱，或按一定比例混合后再通過(guò)彌散吊頂送入室內(nèi)，其舒適性將得到保證，DCVS在這兩個(gè)氣候分區(qū)同樣也能適用。

3 節(jié)能性分析

對(duì)于冬季商場(chǎng)內(nèi)區(qū)需供冷的建筑，目前常用的供冷方式包括冷水機(jī)組或空氣源熱泵等制冷冷源供冷、冷卻塔免費(fèi)供冷、排風(fēng)熱回收預(yù)熱新風(fēng)免費(fèi)供冷系統(tǒng)（Exhaust Air Heat Recovery Systems，簡(jiǎn)稱(chēng)EAHRS）等。EAHRS是利用轉(zhuǎn)輪將排風(fēng)的熱量進(jìn)行回收，回收的熱量被用來(lái)預(yù)熱新風(fēng)，以防結(jié)露。相比其他兩種供冷方式，節(jié)省了冷水機(jī)組、水泵、冷卻塔等設(shè)備的運(yùn)行功耗，節(jié)能潛力最高。針對(duì)上節(jié)分析結(jié)果，本節(jié)將選取適用性高的成都、昆明兩地商場(chǎng)建筑，將DCVS和EAHRS的冬季供冷能耗進(jìn)行對(duì)比分析。為了統(tǒng)一，當(dāng)系統(tǒng)不滿(mǎn)足室內(nèi)舒適性需求時(shí)，均考慮開(kāi)啟以冷水機(jī)組為主機(jī)，系統(tǒng)COP為3.0的系統(tǒng)進(jìn)行供冷。

3.1 DCVS能耗

對(duì)上一小節(jié)得到的各地不同人員密度條件下的適用性進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)，當(dāng)DCVS能夠保證室內(nèi)舒適性需求時(shí)，冬季僅需開(kāi)啟風(fēng)機(jī)引入室外新風(fēng)，無(wú)其他能耗，風(fēng)機(jī)送風(fēng)量采用式（5）計(jì)算，而風(fēng)機(jī)能耗計(jì)算均取為文獻(xiàn)[2]中所給數(shù)據(jù)：商業(yè)、酒店建筑全空氣系統(tǒng)風(fēng)道系統(tǒng)單位風(fēng)量耗功率W為0.3W/(m3/h)。當(dāng)DCVS不適用時(shí)，則考慮采用冷水機(jī)組供冷消除室內(nèi)余熱，系統(tǒng)能耗按照COP為3.0進(jìn)行計(jì)算。

3.2 EAHRS能耗

EAHRS不僅包括送風(fēng)機(jī)和回風(fēng)機(jī)的能耗，熱回收轉(zhuǎn)輪也會(huì)消耗功率，且為0.13W/(m3/h)[18]。EAHRS一個(gè)重要指標(biāo)是回收效率，受迎面風(fēng)速、排風(fēng)量與新風(fēng)量之比、新風(fēng)溫度、新風(fēng)含濕量等多因素影響。為了統(tǒng)一，本文計(jì)算時(shí)考慮逐時(shí)排風(fēng)量與新風(fēng)量之比為0.8，迎面風(fēng)速取2.0 m/s。全熱交換效率僅與新風(fēng)溫度和含濕量有關(guān)。設(shè)計(jì)工況的全熱交換效率取為76%[1]。根據(jù)文獻(xiàn)[17]冬季全熱交換逐時(shí)效率可按以下經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算：

式中：為室外空氣干球溫度，℃；為室外空氣含濕量，g/kg。

預(yù)熱后的新風(fēng)溫度過(guò)高時(shí)送風(fēng)量往往偏大，不僅加大風(fēng)機(jī)壓頭，同時(shí)易造成室內(nèi)的吹風(fēng)感。因此本文做出如下規(guī)定：當(dāng)室外溫度低于10℃時(shí)，通過(guò)熱回收將新風(fēng)預(yù)熱至10℃后送入室內(nèi)；若室外溫度高于10℃，則直接引入新風(fēng)。經(jīng)分析校核發(fā)現(xiàn)室外新風(fēng)預(yù)熱至10℃時(shí)的全熱交換效率均小于實(shí)際值，表明假設(shè)成立。同樣，EAHRS不滿(mǎn)足時(shí)，采用COP為3.0的供冷系統(tǒng)制冷消除余熱。

將成都地區(qū)和昆明地區(qū)不同人員密度商場(chǎng)兩種系統(tǒng)單位面積能耗計(jì)算結(jié)果匯總于表3、表4。

表3 成都地區(qū)兩種方案不同人員密度能耗對(duì)比

續(xù)表3 成都地區(qū)兩種方案不同人員密度能耗對(duì)比

表4 昆明地區(qū)兩種方案不同人員密度能耗對(duì)比

對(duì)比DCVS與EAHRS的能耗，成都地區(qū)DCVS單位面積商業(yè)內(nèi)區(qū)冬季能耗只有EAHRS的60%，且能提供整個(gè)供暖季90%以上的能耗，該比例隨著人員密度增大而上升。昆明地區(qū)相比EAHRS可節(jié)約30%的能耗。兩種系統(tǒng)處理冬季內(nèi)區(qū)冷負(fù)荷時(shí)，在無(wú)需開(kāi)啟功率大的機(jī)組，初投資較為接近的前提下，DCVS更加節(jié)能經(jīng)濟(jì)。

4 結(jié)論

本文提出將DCVS用于商場(chǎng)全年空調(diào)系統(tǒng)，對(duì)內(nèi)區(qū)冬季供冷的送風(fēng)方案進(jìn)行了詳細(xì)分析說(shuō)明：該系統(tǒng)可以送入大風(fēng)量、大溫差條件下的新風(fēng)，通過(guò)彌散式多孔天花板均勻分散地送入室內(nèi)，冷空氣在吊頂附近與室內(nèi)熱空氣有效混合，無(wú)結(jié)露危險(xiǎn)，低溫送風(fēng)也不會(huì)對(duì)人員活動(dòng)區(qū)產(chǎn)生冷風(fēng)感。經(jīng)理論分析和計(jì)算，得出DCVS在夏熱冬冷地區(qū)和溫和地區(qū)具有廣闊的應(yīng)用前景，且隨著人員密度的加大，適用率上升，當(dāng)人員密度從0.2人/m2到0.6人/m2均能保證80%以上工作時(shí)間段室內(nèi)環(huán)境均處于舒適范圍。相比于EAHRS，DCVS冬季單位面積商業(yè)內(nèi)區(qū)能耗溫和地區(qū)和夏熱冬冷地區(qū)分別減少30%、40%，節(jié)能效益可觀。當(dāng)然，本文僅對(duì)該系統(tǒng)冬季內(nèi)區(qū)供冷進(jìn)行分析說(shuō)明，對(duì)于寒冷地區(qū)和嚴(yán)寒地區(qū)舒適性不佳的時(shí)段，還可以考慮將室外新風(fēng)與室內(nèi)回風(fēng)按一定比例混合后送入室內(nèi)，以提高送風(fēng)溫度，提高舒適性時(shí)間段比例。

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Applicability of Diffuse Ceiling Ventilation System for Cooling in Winter in Interior Zone of Shopping Mall

Zhao Jiangdong Yu Tao Lei Bo

( School of Mechanical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu, 610031 )

This paper aims to analyze the performance of the diffuse ceiling ventilation system (DCVS) for the cooling in the interior zone of shopping mall in winter. The indoor air temperature is calculated theoretically for the shopping mall in different climate zones using this system with different occupant-densities, the energy saving potential of this system is compared with the exhaust air heat recovery system (EAHRS) as well. Results show that DCVS can be used in shopping malls in hot summer and cold winter zone and temperate zone, and more than 80% of the working time the comfort standard can be met. Compared with the EAHRS, the DCVS used in hot summer and cold winter zone can reduce energy consumption by 40%. Thus, it can be seen that the use of DCVS to deal with the cooling load of the shopping mall in winter is promising, with good indoor thermal environment and high energy saving potential.

shopping mall; internal cooling; diffuse ceiling ventilation (DCV); thermal comfort; energy saving potential

TU831

A

1671-6612（2019）04-414-07

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金資助（編號(hào)：2682017CX027）

趙江東（1993.11-），男，在讀碩士研究生，E-mail：nev1127@163.com

余 濤（1987.8-），男，博士，講師，碩士生導(dǎo)師，E-mail：yutao073@swjtu.edu.cn

2018-08