基于冷凍水大溫差的溫濕度獨立控制系統(tǒng)研究

舒志成 張光玉

浙江理工大學(xué)建筑工程學(xué)院

0 引言

暖通空調(diào)系統(tǒng)能耗在城市建筑能耗中占有重要比例，因此提高暖通空調(diào)系統(tǒng)能效是建筑節(jié)能的重要方向，成為近年來暖通空調(diào)領(lǐng)域研究重點之一。溫濕度獨立控制空調(diào)系統(tǒng)[1]和獨立新風(fēng)系統(tǒng)[2]采用熱、濕獨立處理的方式，提高空調(diào)制冷能效，這一新型空調(diào)技術(shù)已在不少暖通工程中得到應(yīng)用，顯示出良好的節(jié)能效益[3-4]。

新風(fēng)除濕是溫濕度獨立控制空調(diào)系統(tǒng)中最重要的技術(shù)環(huán)節(jié)之一，由于冷卻除濕技術(shù)成熟、初始投入較低，因此對于潛熱負(fù)荷較低的情況，部分研究人員也進(jìn)行了雙溫冷源的溫濕度獨立控制技術(shù)方案研究和嘗試[5-8]。雖然雙冷源形式提高了冷水機(jī)組能效，但是會增加冷凍水輸送能耗和系統(tǒng)復(fù)雜性。鑒于此，劉曉華等[1]提出了冷水機(jī)組三級串聯(lián)的冷凍水大溫差系統(tǒng)[9-10]，不僅可以顯著提高冷源能效，還可大幅降低冷水輸送能耗。這是一種全新的系統(tǒng)，自提出以來，少數(shù)研究人員開展了相應(yīng)的末端設(shè)備的研究[11-12]。

為了探討三級串聯(lián)冷水大溫差系統(tǒng)適應(yīng)性及其設(shè)計方法。本文擬針對不同地區(qū)、不同用途建筑進(jìn)行15 ℃冷凍水大溫差空調(diào)系統(tǒng)適應(yīng)性的研究，以期為建筑節(jié)能和溫顯濕度獨立控制空調(diào)系統(tǒng)提供新的技術(shù)方案和設(shè)計參考。

1 系統(tǒng)原理和模型構(gòu)建

1.1 系統(tǒng)原理和構(gòu)成

在基于冷水大溫差的溫濕度獨立控制空調(diào)系統(tǒng)中，冷水機(jī)組以7 ℃出水采用水側(cè)大溫差三級運行，運行過程如圖1 所示。制冷機(jī)1 換熱的水溫從22 ℃降溫到17 ℃，制冷機(jī)2 為將水溫從17 ℃降至12 ℃，制冷機(jī)3 的任務(wù)將水溫從12 ℃降至7 ℃。與常規(guī)冷水機(jī)組相比，出水溫度提高10 ℃。新風(fēng)處理過程如圖2 所示，新風(fēng)由室外狀態(tài)點W 和室內(nèi)狀態(tài)點N 全熱回收后混合至O 點，經(jīng)降溫減濕后至送風(fēng)狀態(tài)點S，低溫新風(fēng)可通過誘導(dǎo)送風(fēng)口送入室內(nèi)。

圖1 冷水與制冷機(jī)組的串聯(lián)換熱過程

圖2 新風(fēng)處理過程

圖3 冷凍水大溫差空調(diào)系統(tǒng)原理圖

冷凍水末端水路運行過程如圖3 所示，低溫冷凍水先進(jìn)入表冷器，對新風(fēng)進(jìn)行冷卻減濕處理，升溫后的冷水再進(jìn)入各類顯熱末端[13-14]向房間供冷，處理顯熱。新風(fēng)經(jīng)全熱交換器、表冷器處理后，達(dá)到送風(fēng)要求[15-16]，承擔(dān)室內(nèi)全部潛熱負(fù)荷和部分顯熱負(fù)荷。

1.2 分析框架和模型

根據(jù)前述原理介紹，低溫段冷凍水處理新風(fēng)，承擔(dān)潛熱負(fù)荷及部分顯熱負(fù)荷，高溫顯熱段處理剩余顯熱負(fù)荷。不同用途的空調(diào)房間新風(fēng)量不同，處理新風(fēng)需要的冷量不同。房間在不同室內(nèi)設(shè)計工況下，負(fù)荷不同。因此，需根據(jù)不同房間模型進(jìn)行計算，分析冷水大溫差溫濕度獨立控制空調(diào)系統(tǒng)的可行性。

按照中國建筑氣候劃分，選取寒冷地區(qū)，夏熱冬冷地區(qū)和夏熱冬暖地區(qū)中的幾個典型城市，北京，上海，廣州，西安和武漢為例進(jìn)行計算。室內(nèi)設(shè)計溫度26 ℃，室內(nèi)設(shè)計相對濕度在50%～60%。在計算過程中，在不同建筑用途環(huán)境下，人員密度以及人均新風(fēng)量的的變化都會對新風(fēng)除濕產(chǎn)生影響。因此根據(jù)人員密度及人均新風(fēng)量的相對高低，構(gòu)建了一～九號建筑模型。高中低人員密度分別為0.3 人/m2，0.2 人/m2和0.1 人/m2；高中低人均新風(fēng)量分別為20 m3/h，30 m3/h 和50 m3/h。又以人員密度極高，新風(fēng)量較大的觀眾廳為參考構(gòu)建了十號模型。十種不同類型的建筑模型具體參數(shù)見表1。為了保證計算分析的準(zhǔn)確性，統(tǒng)一采用一個相同房間參數(shù)進(jìn)行計算。總建筑面積為400 m2，高度為5 m。

表1 人員濕負(fù)荷計算表

2 新風(fēng)負(fù)荷及低溫段冷水供冷量

三級串聯(lián)的冷水機(jī)組提供的低溫冷水，首先進(jìn)入新風(fēng)機(jī)組處理新風(fēng)，以承擔(dān)潛熱負(fù)荷及部分顯熱負(fù)荷。故新風(fēng)負(fù)荷計算是后續(xù)分析討論的基礎(chǔ)。

2.1 新風(fēng)量與送風(fēng)參數(shù)

溫濕度獨立控制系統(tǒng)中根據(jù)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)來確定新風(fēng)量，根據(jù)不同設(shè)計要求，室外氣象參數(shù)，建筑參數(shù)計算室內(nèi)濕負(fù)荷[19]。房間濕負(fù)荷一般由人體散濕量和新風(fēng)滲透組成。在一些特殊建筑中，還包括食物散濕量和敞開水面的蒸發(fā)散濕量。在本文研究計算中，房間的模型正壓設(shè)計，不考慮新風(fēng)滲透影響。房建模型也不考慮食物散濕量和敞開水面散濕量，僅考慮人體的散濕。

根據(jù)已知房間面積，人員密度和群集系數(shù)。查文獻(xiàn)[15-17]人員散濕量如式（1）計算：

式中：Dτ為人員產(chǎn)濕量，g/h；φ 為人員密度，人/m2；nτ為濕負(fù)荷指標(biāo)，g/h；g 為群集系數(shù)。各類建筑用途的人員散濕量計算如表1 所示。

根據(jù)式（2）計算新風(fēng)送風(fēng)含濕量差，確定送風(fēng)狀態(tài)點的含濕量。

式中：ds為送風(fēng)含濕量，g/kg；dn為室內(nèi)含濕量，g/kg；Dτc為總濕負(fù)荷，g/h；Gc為新風(fēng)量，m3/h；ρ 為空氣密度，取1.2 kg/m3。

以全熱交換器效率為60%計算，根據(jù)新風(fēng)量，室內(nèi)狀態(tài)焓值與新風(fēng)全熱交換后的焓值差可得到新風(fēng)負(fù)荷。新風(fēng)除了承擔(dān)潛熱負(fù)荷，還承擔(dān)部分顯熱負(fù)荷。杭州各個模型房間在60%室內(nèi)設(shè)計濕度時，新風(fēng)的供冷能力如圖4 所示。

圖4 各模型房間新風(fēng)供冷量

2.2 低溫段出水溫度和供冷量

從冷水機(jī)組流出進(jìn)入末端的低溫冷凍水通常為7 ℃。三級串聯(lián)冷水大溫差空調(diào)系統(tǒng)中顯熱段進(jìn)水溫度即為低溫段的出水溫度，為防止顯熱段凝露，顯熱段進(jìn)水溫度需高于室內(nèi)露點溫度1～2 ℃，即低溫段的出水溫度也可確定。根據(jù)新風(fēng)量，送風(fēng)狀態(tài)焓值與新風(fēng)全熱交換后的焓值差計算，可得到低溫段的供冷能力。以杭州地區(qū)為例各模型房間的低溫段供冷量如表2 所示。

表2 各模型房間低溫段供冷量

3 顯熱段冷水供冷能力

低溫冷水通過表冷器處理新風(fēng)后，溫度升高，進(jìn)入顯熱段處理室內(nèi)顯熱。由于室內(nèi)設(shè)計溫度通常在25 ℃左右，考慮到必要的傳熱溫差，高溫段冷水回水溫度以不高于22 ℃為宜，此處采用22 ℃計算。由于低溫段和顯熱段串聯(lián)，其冷水流量相等，故冷水低溫段供冷能力和顯熱段供冷能力由兩段冷水溫差決定。通過高、低溫段冷水供冷量的計算可折合得到冷負(fù)荷指標(biāo)。以杭州為例，不同設(shè)計濕度各模型系統(tǒng)分段供冷量如圖5所示，各模型系統(tǒng)供冷能力如圖6 所示。

圖5 不同設(shè)計濕度各模型系統(tǒng)分段供冷量

圖6 不同設(shè)計濕度各模型系統(tǒng)供冷能力

通過表2 和圖5～6 可知，室內(nèi)設(shè)計濕度對該冷水大溫差空調(diào)系統(tǒng)有較大影響。隨著室內(nèi)設(shè)計濕度降低1%，需要低溫段供冷加強(qiáng)約2%～3%，顯熱段供冷加強(qiáng)11%～23%。當(dāng)室內(nèi)設(shè)計濕度降低，室內(nèi)露點溫度降低，相應(yīng)出口表冷器冷水溫度也降低，低溫段的冷水溫差減小，導(dǎo)致低溫段在大溫差系統(tǒng)中的供冷占比降低。而顯熱段由于進(jìn)水溫度降低，顯熱段冷水溫差增大，需供冷能力進(jìn)一步加強(qiáng)，可見室內(nèi)設(shè)計濕度變化對顯熱段的影響較大。

4 結(jié)果分析

前文得到了不同地區(qū)不同用途空調(diào)房間在不同設(shè)計濕度下，基于冷水大溫差的溫顯度獨立控制空調(diào)系統(tǒng)中，冷水低溫段和顯熱段供冷能力，計算其面積冷負(fù)荷指標(biāo)后再與常用建筑面積冷負(fù)荷指標(biāo)[19-20]進(jìn)行比較，判斷該系統(tǒng)理論上的可行性。

4.1 人員密度及人均新風(fēng)量的影響

圖7 是杭州地區(qū)空調(diào)房間在室內(nèi)設(shè)計濕度為60%時，不同人員密度和不同人均新風(fēng)量下大溫差系統(tǒng)的供冷能力。分析人員密度和人均新風(fēng)量情況，該大溫差系統(tǒng)比較適用于五～八號模型房間。當(dāng)人員密度或人均新風(fēng)量較低時，面積冷負(fù)荷指標(biāo)較低，大溫差系統(tǒng)難以承擔(dān)所有冷負(fù)荷，此時需要通過增加回風(fēng)或者增加供冷末端來解決供冷不足的問題。在人員密度或人均新風(fēng)量較高時，新風(fēng)承擔(dān)了大部分負(fù)荷，高溫段供冷能力已大于所需承擔(dān)的剩余顯熱負(fù)荷，即高溫段回水溫度將低于22 ℃，低溫段的占據(jù)了系統(tǒng)的大部分供冷，兩段供冷不匹配。因此，該大溫差系統(tǒng)適用于人員密度適中，在0.3 人/m2左右且人均新風(fēng)量較高，至少30 m3/h 的建筑。

圖7 不同人員密度人均新風(fēng)量下大溫差系統(tǒng)供冷能力

4.2 城市氣候的影響

圖8 是各個城市五號模型房間大溫差系統(tǒng)的供冷能力。在相同室內(nèi)設(shè)計濕度下，各個城市除西安外大溫差系統(tǒng)的供冷能力差別不是特別明顯。西安由于室外空氣干燥，新風(fēng)焓值較低，大溫差系統(tǒng)的供冷能力相比武漢，供冷能力少18%左右。以辦公建筑為標(biāo)準(zhǔn)，大溫差系統(tǒng)適用于武漢，卻不適用于西安，而大溫差系統(tǒng)卻適用于部分西安的四號建筑模型。因此該大溫差系統(tǒng)的使用比較靈活，針對不同地區(qū)需要結(jié)合實際情況進(jìn)行計算。

圖8 不同城市五號模型房間大溫差系統(tǒng)供冷能力

4.3 室內(nèi)設(shè)計濕度的影響

圖9 是在室內(nèi)設(shè)計溫度26 ℃下，杭州五～八號建筑模型在不同室內(nèi)相對濕度下的大溫差系統(tǒng)供冷能力。當(dāng)室內(nèi)設(shè)計濕度降低時，大溫差系統(tǒng)的供冷能力需進(jìn)一步增強(qiáng)。以五號模型舉例，設(shè)計濕度降低1%，需要大溫差系統(tǒng)的供冷加強(qiáng)約4%～8%，因此濕度變化對該大溫差系統(tǒng)影響較為劇烈。

圖9 五～八號模型不同設(shè)計濕度下的大溫差系統(tǒng)供冷能力

4.4 綜合分析

根據(jù)前述計算分析可知，大溫差系統(tǒng)僅適用于部分建筑。其中一～四號房間模型，顯熱負(fù)荷占總負(fù)荷的比例很高，顯熱段無法滿足供冷需求，針對這類建筑,可以另外配備供冷末端或增加回風(fēng)來滿足室內(nèi)的負(fù)荷要求。九～十號模型類似于觀眾廳，休息廳等模型，這類房間模型人員密度較高，新風(fēng)量很大，低溫供冷段就承擔(dān)了大部分負(fù)荷。針對這類建筑可以適當(dāng)減小冷凍水的供回水溫差。五～八號模型，系統(tǒng)低溫段和顯熱段的供冷能較好的匹配，承擔(dān)新風(fēng)和室內(nèi)的負(fù)荷。因此該系統(tǒng)適用于人員密度適中，人均新風(fēng)量較大的建筑。

在不同城市中，需要該大溫差系統(tǒng)的供冷能力也有差異，這主要與室外氣象參數(shù)有關(guān)。在所選城市中，大部分城市除西安外差別不大。在考慮大溫差系統(tǒng)在城市中的適用性時，需要考慮當(dāng)?shù)亟ㄖ膶嶋H情況作出合理計算。

室內(nèi)設(shè)計工況的變化也會對大溫差系統(tǒng)產(chǎn)生影響。設(shè)計濕度改變對大溫差系統(tǒng)影響較大。而設(shè)計溫度相對于濕度而言，影響較小。因此，該大溫差系統(tǒng)應(yīng)運行在室內(nèi)濕度相對恒定的環(huán)境中。

5 結(jié)論

本文對基于15 ℃冷凍水大溫差的溫顯度獨立控制空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行了分析研究。針對不同類型、不同地區(qū)和不同室內(nèi)設(shè)計條件的建筑房間，做了計算分析，得到了以下結(jié)論：

1）該系統(tǒng)適用于人員密度在0.3 人/m2左右，人均新風(fēng)量至少30 m3/h 的建筑。

2）該系統(tǒng)在不同城市中的適應(yīng)性有差異，需考慮建筑的實際情況。

3）室內(nèi)設(shè)計濕度的改變對大溫差系統(tǒng)影響較大。室內(nèi)設(shè)計濕度變化1%，大溫差系統(tǒng)的供冷能力變化4%～8%。

15 ℃冷凍水大溫差空調(diào)系統(tǒng)可與串聯(lián)三級冷水機(jī)組及大溫差空調(diào)箱等其它末端形式一起配套，形成新型的高效節(jié)能空調(diào)系統(tǒng)，為減少空調(diào)能耗、推廣建筑節(jié)能提供新的技術(shù)方案。