濕熱地區(qū)實(shí)驗(yàn)室分功能的新風(fēng)?補(bǔ)風(fēng)系統(tǒng)的空調(diào)能耗分析

陳建潤，劉麗孺，黃家豪，劉 琳，黃志榮

（廣東工業(yè)大學(xué) 土木與交通工程學(xué)院，廣東 廣州 510006）

夏季濕熱地區(qū)的實(shí)驗(yàn)室，特別是進(jìn)行生物、化學(xué)實(shí)驗(yàn)的這類實(shí)驗(yàn)室，空調(diào)能耗為一般公共建筑的5～10倍[1]。其原因主要是這類實(shí)驗(yàn)室常配備許多通風(fēng)柜等大排風(fēng)量的排風(fēng)設(shè)備，同時(shí)為了維持室內(nèi)的微負(fù)壓，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的新風(fēng)補(bǔ)風(fēng)量約為排風(fēng)量的80%～90%。而濕熱地區(qū)的夏季大量室外新風(fēng)若不經(jīng)過 處理直接送進(jìn)室內(nèi)，易造成室內(nèi)制冷達(dá)不到舒適性要求[2]，若全部新風(fēng)處理會導(dǎo)致空調(diào)系統(tǒng)新風(fēng)負(fù)荷過大。目前國內(nèi)外的研究設(shè)計(jì)[3-13]多傾向于采用“直流式全新風(fēng)+變風(fēng)量”的空調(diào)系統(tǒng)方案，即不采用回風(fēng)，將室外新風(fēng)經(jīng)過熱濕處理后送至實(shí)驗(yàn)室內(nèi)以滿足室內(nèi)舒適和排風(fēng)設(shè)備排風(fēng)量的補(bǔ)風(fēng)要求，同時(shí)通過調(diào)節(jié)排風(fēng)與空調(diào)送風(fēng)的聯(lián)動風(fēng)量來減少風(fēng)量和能耗。這在一定程度上能降低全新風(fēng)空調(diào)的能耗，但并未從根源上解決問題。本文從室內(nèi)舒適度、安全性和節(jié)能等多方面考慮，提出一種“分功能新風(fēng)?補(bǔ)風(fēng)”的空調(diào)送風(fēng)系統(tǒng)，在滿足室內(nèi)安全舒適的前提下，從新風(fēng)處入手，較大程度地降低能耗。

1 “分功能新風(fēng)?補(bǔ)風(fēng)”系統(tǒng)模型構(gòu)建

1.1 物理模型構(gòu)建

當(dāng)前濕熱地區(qū)實(shí)驗(yàn)室常用的空調(diào)系統(tǒng)形式為“多聯(lián)機(jī)+新風(fēng)”的空調(diào)系統(tǒng)，即采用多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)維持實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的熱舒適性，同時(shí)增設(shè)一套新風(fēng)系統(tǒng)向室內(nèi)補(bǔ)充新風(fēng)。常規(guī)“多聯(lián)機(jī)+新風(fēng)”空調(diào)系統(tǒng)如圖1所示，其中多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)室內(nèi)的溫濕度調(diào)節(jié)，排風(fēng)系統(tǒng)負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)排風(fēng)設(shè)備的排風(fēng)，而新風(fēng)系統(tǒng)則負(fù)責(zé)將室內(nèi)所需的新風(fēng)量從遠(yuǎn)離實(shí)驗(yàn)污染區(qū)的地方經(jīng)由室內(nèi)區(qū)域通向排風(fēng)區(qū)域。這種系統(tǒng)的特點(diǎn)是多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)能耗低[14]運(yùn)行靈活、管路簡單、控制方便和室內(nèi)空氣質(zhì)量有保證。缺點(diǎn)則是由于排風(fēng)量很大，為維持室內(nèi)微負(fù)壓所需的新風(fēng)處理量也十分大。

圖1 “多聯(lián)機(jī)+新風(fēng)”空調(diào)系統(tǒng)Fig.1 The “multi-split air conditioner + fresh air” air-conditioning system

新風(fēng)系統(tǒng)一方面要提供足夠的新風(fēng)到室內(nèi)供室內(nèi)人員呼吸和補(bǔ)充排風(fēng)設(shè)備的排風(fēng)量，維持室內(nèi)的負(fù)壓在一定范圍內(nèi)；另一方面是要將大量未經(jīng)處理的新風(fēng)處理到室內(nèi)空氣狀態(tài)點(diǎn)后，經(jīng)風(fēng)管輸送到室內(nèi)，使新風(fēng)負(fù)荷比常規(guī)空調(diào)房間的空調(diào)負(fù)荷大得多。另外，多聯(lián)機(jī)空調(diào)一般采用多聯(lián)機(jī)空調(diào)的專用冷媒直接對新風(fēng)機(jī)組的送風(fēng)進(jìn)行熱濕處理，由于新風(fēng)補(bǔ)風(fēng)量大，處理新風(fēng)時(shí)所需的巨大冷量也帶來了多聯(lián)機(jī)空調(diào)處理機(jī)組選型不合理和成本過大等問題。

基于“多聯(lián)機(jī)+新風(fēng)”空調(diào)系統(tǒng)的眾多問題，本文對其進(jìn)行改造設(shè)計(jì)，提出了“多聯(lián)機(jī)+分功能的新風(fēng)?補(bǔ)風(fēng)”空調(diào)系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2 “多聯(lián)機(jī)+分功能新風(fēng)?補(bǔ)風(fēng)”空調(diào)系統(tǒng)Fig.2 The “multi-split air conditioner + divided function fresh airsupplementary air” air-conditioning system

從圖2中可以看出，“分功能的新風(fēng)?補(bǔ)風(fēng)”系統(tǒng)在多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)和排風(fēng)系統(tǒng)不改變的基礎(chǔ)上，將單一功能的新風(fēng)系統(tǒng)分成人員衛(wèi)生新風(fēng)系統(tǒng)和設(shè)備排風(fēng)補(bǔ)風(fēng)系統(tǒng)。(1) 人員衛(wèi)生新風(fēng)系統(tǒng)將根據(jù)人員衛(wèi)生要求所確定的新風(fēng)量通過新風(fēng)機(jī)組處理后送入實(shí)驗(yàn)室內(nèi)用于滿足實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的空氣品質(zhì)。(2) 排風(fēng)設(shè)備補(bǔ)風(fēng)系統(tǒng)中，補(bǔ)風(fēng)管道設(shè)電動風(fēng)閥，與通風(fēng)柜排風(fēng)管上電動風(fēng)閥聯(lián)動，當(dāng)通風(fēng)柜作業(yè)時(shí)，補(bǔ)風(fēng)管道將室外未經(jīng)過熱濕處理(但經(jīng)過過濾處理)的室外風(fēng)直接送至通風(fēng)柜柜門上方，自上往下進(jìn)行補(bǔ)風(fēng)，通風(fēng)柜排風(fēng)時(shí)抽吸來自補(bǔ)風(fēng)系統(tǒng)的室外補(bǔ)風(fēng)，在柜內(nèi)循環(huán)后通過排風(fēng)管道排出室外。如此可達(dá)到減少新風(fēng)負(fù)荷和維持室內(nèi)微負(fù)壓的效果，其實(shí)現(xiàn)的室內(nèi)氣流效果大致如圖3所示。

圖3 “多聯(lián)機(jī)＋分功能新風(fēng)?補(bǔ)風(fēng)”空調(diào)系統(tǒng)氣流分布Fig.3 Air flow distribution of “multi-online + divided function fresh air-supplementary air” air-conditioning system

與普通的“多聯(lián)機(jī)+新風(fēng)”空調(diào)系統(tǒng)相比，該“多聯(lián)機(jī)+分功能新風(fēng)?補(bǔ)風(fēng)”空調(diào)系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)在于把原本新風(fēng)中大比例的僅為補(bǔ)足設(shè)備排風(fēng)的那部分新風(fēng)分離出來而不進(jìn)行熱濕處理，降低了新風(fēng)負(fù)荷，從而達(dá)到了節(jié)能的效果。同時(shí)補(bǔ)風(fēng)直接送到通風(fēng)柜柜門前，不與室內(nèi)空氣環(huán)境進(jìn)行熱濕交換而直接被排風(fēng)設(shè)備排出室外，保證了室內(nèi)的環(huán)境舒適性和安全性。

1.2 能耗對比分析模型構(gòu)建

為了更好地分析上述“多聯(lián)機(jī)+分功能新風(fēng)?補(bǔ)風(fēng)”空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能效果，下面分別從“多聯(lián)機(jī)+新風(fēng)”空調(diào)系統(tǒng)與“多聯(lián)機(jī)+分功能新風(fēng)?補(bǔ)風(fēng)”空調(diào)系統(tǒng)的冷負(fù)荷入手，構(gòu)建能耗對比分析模型。

2個(gè)系統(tǒng)中，多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)部分負(fù)擔(dān)全部室內(nèi)冷負(fù)荷，這一部分負(fù)荷由房間本身屬性和室內(nèi)的設(shè)備、人員情況等確定，對于2個(gè)空調(diào)系統(tǒng)這部分參數(shù)均一致。室內(nèi)冷負(fù)荷Ql可根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范[15]中的冷負(fù)荷系數(shù)法求得，此處不再贅述。

對于“多聯(lián)機(jī)+新風(fēng)”空調(diào)系統(tǒng)，其新風(fēng)系統(tǒng)部分將全部室外新風(fēng)處理到室內(nèi)空氣狀態(tài)點(diǎn)，其新風(fēng)負(fù)荷公式為

其中，Qx為該系統(tǒng)下的新風(fēng)負(fù)荷，kW；hw為室外新風(fēng)比焓值，kJ/kg；hn為室內(nèi)空氣比焓值，kJ/kg；Gx為該系統(tǒng)下所需新風(fēng)量，m3/h。

根據(jù)設(shè)計(jì)手冊[16]，室內(nèi)新風(fēng)應(yīng)同時(shí)滿足3個(gè)要求：(1) 保持室內(nèi)空氣滿足人員健康衛(wèi)生要求的標(biāo)準(zhǔn)；(2) 不小于空調(diào)總送風(fēng)量的10%；(3) 維持室內(nèi)的微負(fù)壓，并在三者中取新風(fēng)量要求最大的那一個(gè)作為設(shè)計(jì)的新風(fēng)量。由于實(shí)驗(yàn)室房間內(nèi)有大量的排風(fēng)設(shè)備，為了維持室內(nèi)微負(fù)壓所需的新風(fēng)量遠(yuǎn)大于其他兩者，因此新風(fēng)量按這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，可選取排風(fēng)量的80%～90%，即新風(fēng)量為

其中，G為實(shí)驗(yàn)室排風(fēng)系統(tǒng)的排風(fēng)量，其計(jì)算公式為

其中，Gi為各個(gè)排風(fēng)設(shè)備的額定排風(fēng)量，m3/h；ni為設(shè)備同時(shí)使用系數(shù)。

從而可得，在不考慮附加負(fù)荷的情況下，該“多聯(lián)機(jī)+新風(fēng)”空調(diào)系統(tǒng)總負(fù)荷為

對于“多聯(lián)機(jī)+分功能的新風(fēng)?補(bǔ)風(fēng)”空調(diào)系統(tǒng)，系統(tǒng)的新風(fēng)負(fù)荷為

其中，Q′x為該系統(tǒng)下的新風(fēng)負(fù)荷，kW；hw為室外新風(fēng)比焓值，kJ/kg；hn為室內(nèi)空氣比焓值，kJ/kg；Gxr為人員衛(wèi)生新風(fēng)量，m3/h。

根據(jù)設(shè)計(jì)手冊[16]可知人員衛(wèi)生新風(fēng)量為

其中，Gxr,p為每人每小時(shí)所需新風(fēng)量，m3/(h·人)，其數(shù)值由房間性質(zhì)決定；n為室內(nèi)人員數(shù)，人。

由上述描述可知，總新風(fēng)量Gx在“多聯(lián)機(jī)+分功能新風(fēng)?補(bǔ)風(fēng)”空調(diào)系統(tǒng)中，按照服務(wù)對象的不同，將其分為2部分，即

其中，Gx為實(shí)驗(yàn)室所需總新風(fēng)量， m3/h；Gxb為排風(fēng)設(shè)備補(bǔ)風(fēng)量， m3/h；Gxr為人員衛(wèi)生新風(fēng)量， m3/h. 從而可得，在不考慮附加負(fù)荷的情況下，該系統(tǒng)空調(diào)總負(fù)荷為

根據(jù)空調(diào)相關(guān)知識可知，在其他條件相同的前提下，空調(diào)負(fù)荷越大能耗越高，因此可通過負(fù)荷的比較得出不同空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能效果。綜上所述，與常規(guī)“多聯(lián)機(jī)+新風(fēng)”空調(diào)系統(tǒng)相比，“多聯(lián)機(jī)+分功能立新風(fēng)?補(bǔ)風(fēng)”空調(diào)系統(tǒng)的新風(fēng)節(jié)能率為

空調(diào)總負(fù)荷節(jié)能率為

2 案例應(yīng)用

為研究分功能空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能效果，本文將以廣州某高校實(shí)驗(yàn)室為例，對比分析“多聯(lián)機(jī)+新風(fēng)”空調(diào)系統(tǒng)與“多聯(lián)機(jī)+分功能的新風(fēng)?補(bǔ)風(fēng)”空調(diào)系統(tǒng)的能耗差異。

實(shí)驗(yàn)室位于一棟實(shí)驗(yàn)樓的5層，共5間，總面積約980 m2，配備通風(fēng)柜77臺，可容納學(xué)生人數(shù)80～100人。各實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的大致設(shè)備布局(以501室為例)，如圖4所示。

圖4 501室平面示意圖Fig.4 The plan sketch of room 501

根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范[15]選取夏季廣州地區(qū)(大氣壓力為1 004 hPa)室外計(jì)算參數(shù)、空調(diào)室內(nèi)計(jì)算參數(shù)，并通過焓濕表查得室內(nèi)外焓值等數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1 室內(nèi)外計(jì)算參數(shù)表Table 1 Parameter list of indoor and outdoor calculation

由產(chǎn)品手冊可得通風(fēng)柜在正常工作時(shí)的額定風(fēng)量為1 000 m3/h，選取同時(shí)使用系數(shù)為0.6，可由式(3)求得實(shí)驗(yàn)室總排風(fēng)量G=0.6×(1 000×77)=46 200 m3/h。

對實(shí)驗(yàn)室分別采用“多聯(lián)機(jī)+新風(fēng)”空調(diào)系統(tǒng)(系統(tǒng)A)和“多聯(lián)機(jī)+分功能的新風(fēng)?補(bǔ)風(fēng)”空調(diào)系統(tǒng)(系統(tǒng)B)，由式(1)、(4)、(5)、(8)計(jì)算得到的實(shí)驗(yàn)室空調(diào)系統(tǒng)各項(xiàng)負(fù)荷如表2所示。其中(1) “多聯(lián)機(jī)+新風(fēng)”空調(diào)系統(tǒng)的處理新風(fēng)量根據(jù)式(2)，選取排風(fēng)量的90%作為新風(fēng)量，得到系統(tǒng)A的處理新風(fēng)量Gx=0.9G=41 580 m3/h。(2) “多聯(lián)機(jī)+分功能的新風(fēng)?補(bǔ)風(fēng)”空調(diào)系統(tǒng)中的人員衛(wèi)生新風(fēng)量根據(jù)式(6)，選取人數(shù)n=95 人，人均每小時(shí)所需新風(fēng)量Gxr,p=30 m3/(h·人)，計(jì)算得系統(tǒng)B的處理新風(fēng)量Gxr=30×95=2 850 m3/h，從而排風(fēng)補(bǔ)風(fēng)新風(fēng)量Gxb=Gx–Gxr= 41 580–2 850=38 730 m3/h。

表2 實(shí)驗(yàn)室空調(diào)各項(xiàng)負(fù)荷參數(shù)表Table 2 Parameter list of air-conditioning system load

綜上所述，由式(9)、(10)可得新風(fēng)節(jié)能率為ηx=[(449.3?30.8)/449.3]×100%=93.1%；總負(fù)荷節(jié)能率為η =[(636.5?218.0)/636.5]×100%=65.8%。

3 結(jié)論

本文針對濕熱地區(qū)實(shí)驗(yàn)室能耗大的問題提出“分功能新風(fēng)?補(bǔ)風(fēng)”系統(tǒng)，并在“多聯(lián)機(jī)+新風(fēng)”空調(diào)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上建立“多聯(lián)機(jī)+分功能的新風(fēng)?補(bǔ)風(fēng)”空調(diào)系統(tǒng)模型. 結(jié)合案例分析表明，“分功能新風(fēng)?補(bǔ)風(fēng)”系統(tǒng)能使一般的實(shí)驗(yàn)室空調(diào)能耗得到很好的改善，相比于常規(guī)“多聯(lián)機(jī)+新風(fēng)”空調(diào)系統(tǒng)的新風(fēng)負(fù)荷和空調(diào)總負(fù)荷節(jié)能率分別達(dá)到了93.1%和65.8%，節(jié)能效果明顯。因此可以認(rèn)為該新系統(tǒng)對于實(shí)驗(yàn)室，尤其是濕熱地區(qū)實(shí)驗(yàn)室的空調(diào)節(jié)能設(shè)計(jì)以及改造具有一定的參考價(jià)值。