某別墅雙冷源新風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)及運(yùn)行策略研究

劉 暢

北京金茂綠建科技有限公司

1 引言

以風(fēng)機(jī)盤(pán)管加新風(fēng)為例的常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)，空調(diào)末端對(duì)空氣進(jìn)行降溫的同時(shí)還承擔(dān)濕負(fù)荷，為達(dá)到熱濕處理要求，冷源供水設(shè)計(jì)溫度多低至6℃～7℃。這種熱濕耦合處理的方式致使空調(diào)冷源效率低下，帶來(lái)了高品位能源的浪費(fèi)。在建筑能耗日益增高，節(jié)能減排工作重要性凸顯的背景下，溫濕度獨(dú)立控制系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生[1-2]。溫濕度獨(dú)立控制系統(tǒng)中，輻射末端或干式風(fēng)盤(pán)承擔(dān)顯熱負(fù)荷，新風(fēng)承擔(dān)潛熱負(fù)荷。因而，可采用高溫冷源對(duì)新風(fēng)進(jìn)行除濕處理，也為可再生能源的利用提供了良好條件。

在溫濕度獨(dú)立控制系統(tǒng)中，新風(fēng)的除濕要求相對(duì)較高，新風(fēng)機(jī)的選型及新風(fēng)運(yùn)行策略將直接影響系統(tǒng)使用效果及運(yùn)行能耗[3]。目前針對(duì)該類(lèi)新風(fēng)的研究資料較少，為工程設(shè)計(jì)優(yōu)化帶來(lái)了不便。本文以成都市某別墅為例，探討雙冷源新風(fēng)機(jī)的選型及運(yùn)行策略?xún)?yōu)化，在保證室內(nèi)濕熱環(huán)境舒適性的基礎(chǔ)上，降低運(yùn)行能耗的同時(shí)節(jié)約戶(hù)式系統(tǒng)業(yè)主的能源費(fèi)用。

2 雙冷源新風(fēng)機(jī)原理

溫濕度獨(dú)立控制系統(tǒng)中，因輻射末端或干式風(fēng)盤(pán)易產(chǎn)生結(jié)露問(wèn)題，新風(fēng)機(jī)的除濕能力非常關(guān)鍵。以采用吊頂鋪設(shè)毛細(xì)輻射空調(diào)的系統(tǒng)為例，輻射板表面結(jié)露是因?yàn)楸砻鏈囟鹊陀谑覂?nèi)空氣的露點(diǎn)溫度所造成的。當(dāng)輻射板表面溫度低于室內(nèi)空氣露點(diǎn)溫度時(shí)，空氣中水蒸氣就會(huì)在輻射板表面凝結(jié)，出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象。從濕空氣焓濕圖可知，室內(nèi)空氣相對(duì)濕度越高，露點(diǎn)溫度越高，相應(yīng)的冷水供水設(shè)計(jì)溫度升高。而輻射板的制冷能力，與供水溫度呈反比關(guān)系，從設(shè)計(jì)的角度應(yīng)盡量降低冷水供水溫度。

考慮室內(nèi)空氣露點(diǎn)溫度、冷水供水溫度、輻射板制冷量三個(gè)因素，結(jié)合多個(gè)項(xiàng)目應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，一般將除濕后的新風(fēng)含濕量控制在8g/kg左右。為實(shí)現(xiàn)該設(shè)計(jì)參數(shù)，雙冷源新風(fēng)機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。雙冷源新風(fēng)機(jī)是一種可以對(duì)空氣進(jìn)行雙級(jí)除濕處理的新風(fēng)機(jī)形式，典型的雙冷源新風(fēng)機(jī)包括過(guò)濾段、冷卻段、表冷器一級(jí)除濕段、直膨段深度除濕、再熱段、送風(fēng)段等。其中與新風(fēng)除濕直接相關(guān)的，包括表冷器一級(jí)除濕及直膨段深度除濕。其中，表冷器一級(jí)除濕，冷源采用系統(tǒng)一次水，直膨段深度除濕冷源為自有冷源。常見(jiàn)的冷凝熱的處理有風(fēng)冷及水冷兩種。一級(jí)除濕和深度除濕兩段承擔(dān)的濕負(fù)荷比例因項(xiàng)目不同，需要校核和優(yōu)化設(shè)計(jì)。此外，深度除濕段可根據(jù)控制策略，實(shí)現(xiàn)智能開(kāi)啟。

3 項(xiàng)目介紹

本項(xiàng)目位于成都市，總建筑面積1000m2，套內(nèi)面積約800m2，地上三層，建筑高度12m。根據(jù)GB 50736—2012《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》，成都市夏季空氣調(diào)節(jié)室外計(jì)算干球溫度31.8℃，夏季空氣調(diào)節(jié)室外計(jì)算濕球溫度26.4℃。冬季空氣調(diào)節(jié)室外計(jì)算溫度1℃，空氣調(diào)節(jié)室外計(jì)算相對(duì)濕度83%。圍護(hù)結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)滿(mǎn)足JGJ 134—2010《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》。

空調(diào)冷熱源采用空氣源熱泵，末端采用毛細(xì)輻射空調(diào)及置換式新風(fēng)。夏季空氣源熱泵供回水溫度16/19℃，供至新風(fēng)機(jī)、毛細(xì)輻射末端；冬季供暖，熱泵主機(jī)供回水溫度35/30℃，供至新風(fēng)機(jī)及毛細(xì)輻射末端。制冷工況下，輻射末端系統(tǒng)承擔(dān)室內(nèi)顯熱冷負(fù)荷；新風(fēng)系統(tǒng)承擔(dān)室內(nèi)潛熱負(fù)荷及新風(fēng)負(fù)荷，控制室內(nèi)濕度，滿(mǎn)足通風(fēng)要求的同時(shí)滿(mǎn)足室內(nèi)衛(wèi)生要求。采暖工況下，毛細(xì)輻射末端系統(tǒng)承擔(dān)室內(nèi)熱負(fù)荷，新風(fēng)系統(tǒng)承擔(dān)新風(fēng)熱負(fù)荷。

表1 室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)表

4 新風(fēng)除濕工況分析

根據(jù)能耗模擬軟件DeST中典型年氣象參數(shù)，將五月至九月的室外空氣參數(shù)按照含濕量劃分區(qū)間，進(jìn)行分析。

圖1 成都市典型年逐時(shí)干球溫度

本文重點(diǎn)分析新風(fēng)的除濕處理過(guò)程，在不考慮極端工況的情況下，成都市夏季空氣調(diào)節(jié)室外計(jì)算干球溫度31.8℃，含濕量19.85g/kg，焓值82.89kJ/kg。本工程新風(fēng)量的確定，結(jié)合人員衛(wèi)生新風(fēng)量及除濕需求取上限，換氣次數(shù)約1次/h,全新風(fēng)運(yùn)行工況新風(fēng)量為2000m3/h。新風(fēng)經(jīng)過(guò)兩級(jí)除濕，到再熱段之前，將被處理到飽和狀態(tài)，相對(duì)濕度95%，干球溫度11.3℃，含濕量8g/kg。即整個(gè)新風(fēng)處理過(guò)程，若考慮1.1富裕系數(shù)，含濕量差值13.0g/kg新風(fēng)，折算總濕負(fù)荷為31.3kg/h。

圖35 月～9月新風(fēng)含濕量大于8g/kg小時(shí)數(shù)分布圖

從圖3可以看到，5月份新風(fēng)含濕量大于16g/kg的小時(shí)數(shù)為177小時(shí)，介于13g/kg～16g/kg小時(shí)數(shù)為176小時(shí)。室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)下含濕量約12.8g/kg（干球26℃，60%RH），建議5 月份新風(fēng)機(jī)僅通風(fēng)，不開(kāi)啟除濕設(shè)備。原因是高于室內(nèi)設(shè)計(jì)含濕量的小時(shí)數(shù)較少，且時(shí)間上較為分散，在常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，五月屬于過(guò)渡季，從能耗及使用者行為習(xí)慣的角度，均可以接受室外新風(fēng)不除濕的處理。

雙冷源新風(fēng)機(jī)兩級(jí)除濕段的配比，需要結(jié)合一級(jí)表冷段制冷除濕能力，以及直膨段COP。從6 月1 日起至9 月30 日，新風(fēng)機(jī)開(kāi)啟制冷除濕模式，并根據(jù)出風(fēng)溫度判斷是否需要再熱。該模式下，冷源提供的一次水溫度為16/19℃，平均水溫17.5℃。一級(jí)冷卻除濕采用表冷器的形式，冷水平均溫度直接決定了該段盤(pán)管的制冷除濕能力。根據(jù)某雙冷源新風(fēng)機(jī)樣本，在該工況下新風(fēng)經(jīng)過(guò)一級(jí)除濕后，含濕量在13.3g/kg～14.5g/kg，直膨段COP區(qū)間2.2～2.6，該數(shù)值與壓縮機(jī)及冷凝熱排放方式直接相關(guān)。從能效的角度，以某合資品牌空氣源熱泵為例，在出水溫度16/19℃的情況下熱泵COP3.2，高于直膨段。綜上，一級(jí)除濕可將新風(fēng)由19.85g/kg處理至14g/kg，以最終除濕至8g/kg含濕量為目標(biāo)，則一級(jí)表冷段與二級(jí)深度直膨除濕段承擔(dān)濕負(fù)荷的比例是1:1。

5 新風(fēng)機(jī)制冷工況運(yùn)行策略探討

在合理進(jìn)行雙冷源新風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)與選型后，為進(jìn)一步降低運(yùn)行能耗，運(yùn)行策略是關(guān)鍵的影響因素。在本項(xiàng)目中，制冷季時(shí)間5月～9月，業(yè)主離家時(shí)段可選擇系統(tǒng)關(guān)機(jī)。在系統(tǒng)運(yùn)行期間，結(jié)合室外空氣溫濕度傳感器及新風(fēng)機(jī)內(nèi)置溫濕度傳感器數(shù)據(jù)，判斷是否開(kāi)啟直膨段二級(jí)除濕。當(dāng)室外空氣含濕量低于8g/kg時(shí)，表冷器電動(dòng)調(diào)節(jié)閥關(guān)斷，同時(shí)直膨段不開(kāi)啟；當(dāng)室外空氣含濕量介于8g/kg～14g/kg之間時(shí)，表冷器電動(dòng)調(diào)節(jié)閥開(kāi)啟并根據(jù)出風(fēng)溫度調(diào)整冷水流量；當(dāng)室外空氣含濕高于14g/kg時(shí)，直膨段開(kāi)啟對(duì)新風(fēng)進(jìn)行深度除濕。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文以成都市某別墅為例，探討了雙冷源新風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)選型及運(yùn)行策略?xún)?yōu)化。根據(jù)當(dāng)?shù)氐湫湍晔彝庑嘛L(fēng)熱濕參數(shù)詳細(xì)分析，雙冷源新風(fēng)機(jī)一級(jí)除濕段除濕能力受到冷水溫度限制，而適當(dāng)提高空氣源熱泵出水溫度可提高主機(jī)能效比。本項(xiàng)目采用毛細(xì)輻射空調(diào)作為末端，其夏季供回水溫度為16/19℃，為簡(jiǎn)化系統(tǒng)，雙冷源新風(fēng)機(jī)表冷器冷水溫度建議與毛細(xì)輻射空調(diào)水溫一致。在這樣的設(shè)計(jì)思路下，一級(jí)除濕段與二級(jí)深度除濕段比例建議在1:1左右。此外，新風(fēng)機(jī)的運(yùn)行策略需充分結(jié)合室外氣象參數(shù)，進(jìn)行智能控制，從而降低運(yùn)行能耗。