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浙江降温设备办公楼地板送风工程的应用及其设计要求风力发电技术
关键词：地板送风工程 地板散流器 空气品质 工作区 热舒适
1 引言
提高室内空气品质、降低建筑能耗，以及进行大空间局部热湿环境的控制，逐步成为当今办公楼建筑空调发展的重要方向，同时也对办公楼传统空调工程的设计提出新的挑战。传统的办公楼中央空调工程为：风机盘管加新风机组空调工程，集中式定风量空调工程，以及变风量空调工程。这些工程通常采用顶棚送风（上送风）的空调方式，它强调送风气流与室内空气的充分混合，由吊顶送出的空气吸收室内产生的全部余热、余湿并稀释污染物，这样使室内所有空间的温湿度基本一致。此种控制方式不能很好地满足同一使用空间中不同使用者对温度和通风的不同要求。而且，一旦工程安装后，就不便于以后根据需要更改风口的位置。
地板送风的送风口一般与地面平齐设置，地面需架空，下部空间用作布置送风管或直接用作送风静压箱，送风通过地板送风口进入室内，与室内空气发生热质交换后从房间上部（顶棚或者工作区之上）的出风口排出。20世纪70年代以来，欧洲开始应用到办公楼建筑。特别是80年代中期，英国伦敦的Lloyd，s大楼和香港汇丰银行采用下送风空调工程的成功，引起各国空调技术界的关注。目前，地板送风工程在我国的研究和应用处于起步阶段。
2 地板送风工程与传统送风工程的主要区别
就冷热源设备和空气处理设备而言，地板送风工程与传统的上送风空调工程是相似的。地板送风工程主要的不同在于：它是从地板下部空间送风；供冷时的送风温度较高(一般为17～18℃)；在同一大空间内可以形成不同的局部气候环境；室内气流分布为从地板至顶棚的下送上回气流模式。
3 地板送风工程的优点
3.1 便于建筑物重新装修和现有建筑的翻新改造
当办公室用途改变，需要重新布置、装修时，设置在活动地板上的送风口易于变动，且地板下部空间可方便电力线路、通讯线路、水管等的重新安装，这可大大地降低重新装修的费用。据日本经验，仅劳动力就可节约32％[1]。地板送风工程可以用于建筑物翻新改造，虽然加高地板会遇到楼层高度、楼梯和电梯停靠位置的调整、卫生间地面的抬高等问题，但是这些问题可以得到解决。另外，静压箱的安装过程是一个相对干燥的过程，对其他建筑结构的破坏可以减小到最小。
3.2 局部气候环境的个人控制
采用静压箱送风后，送风口一般与地面平齐设置散流器直接送风至工作岗位。使用者既能控制风量也能控制出风的方向，很明显地提高了个人的舒适度。使用静压箱送风使混凝土楼板变成了一个蓄热层，因此减少了温度的波动和峰值冷负荷。
3.3 提高工作区空气品质
由于回风口设于吊顶上，下送上回的气流组织形式，有利于从使用空间中排除余热、余湿和污染物，从而保证工作区较高的换气效率和空气质量。
3.4 节能
地板送风工程的能耗是传统空调工程能耗的34％[2]，其节能效果可以体现在如下几个方面：
（1）静压箱送风工程使用较高的送风温度，有关研究表明，在达到相同的工作区温湿度环境时，地板送风工程比传统空调工程的送风温度高约4℃[3]，这就允许在空气较为干燥的季节，采用较高的盘管冷却温度和蒸发器蒸发温度，提高了冷水机组的COP。
（2）由于地板送风工程的热力分层特性[4]，所以空气的混合区只要在人员停留的区域即可。对于该工程，大部分从安装在天花板的灯具所产生的热量还未到达地面就被排出，提高了通风温度，减少了总冷负荷，减小了制冷机组的容量。文献[5]表明，地板送风工程仅需处理整个空调房间显热得热的64％。
（3）由于地板下送风横截面较大，所以压力损失较小，从而减小了空气输送动力，减少了风机能耗；
（4）在过渡季节，使用较高的送风温度延长了使用室外新风的时间，减少了冷冻机的开启时间。
（5）建筑物使用地板送风工程，虽然需要送风静压箱，但不需要较大的顶棚空间来容纳送风管路及末端装置，与传统上送风全空气空调工程相比，地板送风工程可降低5％～10％的楼层高度[6]。
尽管地板送风工程较传统送风工程具有上述诸多优点，但是也有一些缺点，例如不舒适的吹风感，得不到满意的热力分层等。文献[7]提到，距地板散流器0.8m的区域会产生不适的吹风感。
4 地板送风工程及送风风口的分类
4.1 按照送风房间的类型分
（1）大面积区域送风。在大面积送风中，采用地板下空间作为静压箱。由于地板下空间的压力分布均匀，地板风口上无需再加静压箱。如该区域内气流分布均匀，则风口可不用附加调节阀。
（2）分室送风。对单个房间的控制需用到静压箱，以此做到分别控制各房间的送风量。而风管工程应有许多支管，风口上带调节阀使气流分布均匀。
（3）混合式送风。对于既有大面积区域送风又有分室送风要求的场合，房间内的地板风口由风管将气流送入其静压箱。而区域送风则通过地板下空间作为静压箱将空气送人。
4.2 按照地板下的设置分
（1）地板下设风管的送风方式：早期曾采用(如香港汇丰银行工程)，送风量控制可靠。启动时间短．但风口位置固定、灵活性差。
（2）地面压出式直接送风(静压箱内为正压)：地板下向上送风，通过对送风量和送风温度的控制，调节工作区温度，启动时间长（因结构热情性）。
（3）地板下设混风箱和风机（静压箱内不需要正压），即部分空气通过地面回地板下与一次空气混台(相当于二次回风方式)，将风机动力型末端设在地下，如不设混风箱，则一次空气和回风的混合不易控制，使送风温度不稳定，这种方式虽AHU风量可减小．但地板下装置复杂。
（4）地面与吊顶送风相结合方式：照明等稳定的负荷由顶棚送风承担，办公机器的负荷由下送风负担。回风均从吊顶回风口吸入。采用这种方式时，如将下送部分空气的送风进一步局部化(如利用中空的分隔板出风)，以及由上进风提供要求较低的背景空调．而下送风充分满足人体需要，这种方式即所谓的“工作与环境”相结合的空调方式(Task ambient air conditioning TAC)。
4.3 地板送风的风口形式
按气流方向分
（1）旋流型风口：依靠较大的诱导此，随气流送出时，温差射流迅速衰碱；
（2）指向性风口：出口格栅构成一定的射出角度，具有指向性强的轴线方向型送风口，适用于TAC送风，方向和流量均可依照个人需要调整。
按装置高低分
（1）与地面相平的送风口；
（2）伸出在地面上的送风口，如用于TAC的风口，通常安装在办公桌附近。
按送风口的分布分
（1）分散布点型：是指按风口的特性(作用范围、风量等)及办公设备布置，按一定间隔布置送风口。并且按照服务区域的不同选择风口的类型，是目前应用最广的型式；
（2）全面出风口型：是指从下而上空气经透气的阻尼层或穿孔板送凤．整个出风面具有均匀的气流。
5 地板散流器的形式
按照静压箱的结构形式和散流器的工作状态，将地板散流器分为主动式和被动式散流器，主动式散流器通过风机将送风气流从静压箱送入室内空调区域，被动式散流器通过静压箱内的正压将送风气流从静压箱送入室内空调区域。在被动式散流器的下方简单安装一个风机动力箱，就可以将被动式散流器变为主动式散流器。下面是三种常用的地板散流器。
5.1 旋流地板散流器
对于这种散流器，气流送出时速度和温度衰减快，具有较好的扩散性，在地板送风工程中应用最广泛。从这种旋流型散流器中送出的气流迅速与工作区的空气混合，使整个空调区域很快达到其设计温度。用户可以通过在散流器上安装风阀来控制局部送风量，也可以直接使用自控工程调节送风量。
5.2 VAV地板散流器
这种散流器是为VAV工程设计的，它采用自动末端风阀的开启，以保证当送风量增加或减小时，送风速度保持不变。方形地板格栅以射流形式向室内送风，用户可以通过改变格栅的方向，来调整送风的射流方向。送风量可以通过温控器调整，或者用户自己调整。
5.3 条型地板格栅
条型地板格栅以射流形式向室内送风，它通常安装在靠近外窗的周边区域，起到很好的装饰效果。尽管流线型格栅通常带有风阀，但是在实际设计及使用中很少调节风量，所以通常不用于建筑物人流密度大的内区。
另外，对于任务－环境空调（TAC）工程, 按照不同的“任务”设计出安装于不同位置的散流器。
6 地板送风工程的设计要求[8,9]
6.1 送风温度的控制
地板送风工程用于制冷时，其送风温度保持在17～18℃。
另外，还要考虑建筑结构热
信息来源：电子设计技术
但是，在一种概念上最简单的方法中， Enercon公司开创了一系列无齿轮直驱式风力涡轮发电机，其额定发电量现在可达到4.5MW 。在这种设计中，将转子直接装在发电机上，就可将传动轮系轴承的数量减少到只有两个低速旋转部件。问题在于如何在低转速时产生足够的电力，以及如何用最好的方法将其转换为电网频率。Enercon公司解决发电机问题的方法是使用一个有大量电极的电激同步发电机，例如该公司的E-40机型600kW风力涡轮发电机中的直径为4.8m的84极电激励同步发电机。在这里，转子的速度从18rpm~34 rpm不等，扫过面积为1521m2。由于在工业变频驱动设计领域深厚的功底，Enercon公司 采用自己的电子电路。与之相比，Zephyros 公司刚推出的 Z72 型2MW风力涡轮发电机虽然同样具有直驱发电机，但却采用ABB 公司的改进型ACS 1000 变速电动机传动控制器。一个驱动轴轴承支承也是由 ABB 公司制造的永磁发电机。Zyphyros公司在 列举发电机损耗降低、部分负载效率出色、故障机率较低等优点时，突出了永磁发电机的好处
。永磁发电机的不足之处是它因使用高导磁率的磁性材料（如钕铁硼和钐钴）而成本很高。永磁发电机的另一个缺点是功率因数特性差，必须由变频电路来进行补偿。
但许多专家认为，永磁发电机是发展方向，对大型直驱设计来说尤其是这样。英国 NaREC（新能源与再生能源中心）的电气技术专家Adrian Wilson说,这种方法是当今一个以减轻重量为主要目标的研究项目的核心。由于风力涡轮发电机理论上电力输出是按它获得的空气体积的三次方增加的，所以结构件也会成比例地增加重量。Wilson说，现在的设计方法不能简单地按比例增大到10MW量级——更不用说未来需要的20MW或 30MW，所以他所在的部门正在调查一种可节省齿轮箱质量的直驱设计。这种方法同样也需要一个大直径的发电机。在该项目涉及到的尺度上，有一种可能违背常规的方法，即采用自行车轮似的结构，其辐条支持发电机的电极对。电网输出连接需要一条满功率的 交流－直流－交流 变频器链路，而变频器链路则需要多个并行的变频器。
IGBT 取代可控硅
风力涡轮发电机所需的功率半导体器件是从事微电子学的人所不熟悉的。你要考虑的不是亚微米线宽，而是一个单器件模块占用的欧洲标准印制板面积(从34mm×94mm ~ 140mm×190 mm)。这样的器件可在数千伏电压下承受千安培级的电流，而且在过去几十年内，这一技术的进步是对风力涡轮发电机发展的最大贡献。在 Growian 时代，可控硅技术可应付大功率应用，但传导损耗很大，并且转换时间的性能很差，常常在 100ms 范围内。相应地，变频器级采用6个阶跃或12个阶跃的波形近似一个正弦波的能量分布，从而产生特别强的奇次谐波，如五次谐波和十一次谐波。这些局限导致人们需要使用谐波频率滤波器。
用IGBT（绝缘栅双极晶体管）代替 Growian 的第一代可控硅，就可使用脉宽调制（PWM）来克服不良的谐波性能。该技术也使实际功率和无功功率的控制更为方便。尽管传统的可控硅很耐用，当今的可控硅，如三菱公司的 FT1500AU-240 可以在 12kV电压下开关1.5kA 电流，开关时间为 15ms ，但当传导电流超过维持电流值时，传统的可控硅是不可能关断的。GTO（栅极可关断）可控硅（如三菱公司的 FG6000AU-120D）可连续提供 6 kV 的电压和1.5kA的电流，并可在 30ms 内实现关断控制，但它们难以驱动。更糟的是，所有的可控硅都很难并联使用，而要达到风力涡轮发电机所需的功率水平，并联使用常常是不可或缺的。
大功率 IGBT 既有 MOSFET 的容易驱动和电流共享特性，又有1ms 的开关时间。虽然转换线路频率所需的 PWM 频率很低，仅为几千赫兹，但这种快速切换在IGBT穿越线性工作区时可减小传导损耗。诸如 Eupec 公司的 FZ600R65KF1等器件，其 导通时间不到 1ms，关断时间小于 6ms，可以在 6kV 电压下控制 1.2kA 电流；诸如该公司的 FZ3600R12KE3 等低电压器件，可以在 1.2kV 电压下开关 3.6kA 电流。因此，IGBT 可用于大功率变频器和软起动控制器。专业生产大功率半导体器件的其他公司包括 ABB公司、Dynex公司、富士通电子公司、Powerex公司和 Semikron公司。
Gamesa E條ica 公司的风力涡轮发电机系列具有660kW ~ 2MW输出功率范围，广泛采用IGBT 技术来实现变速控制和变频控制。可变倾斜角转子轮叶控制允许进行连续调整来获取最高的功率，并可耦合到其发电机速度范围为900rpm~1900rpm的一个 DFIG 工程。这种控制技术可将峰值、闪烁以及谐波都降低到最低程度，从而方便连网许可问题。矢量控制工程可产生或消耗无功能量，对功率系数进行精密调整，使电网电压稳定性得到提高。Gamesa E條ica公司 的功率电路还使自己的涡轮机能在电网中其他地方发生断电时保持在线操作。从经济上说，这些问题在西班牙是至关重要的，因为西班牙对高质量的电网连接要征收额外关税的。
法国 Cegele 公司主管风能部门的Ivan Novikoff指出，风力涡轮发电机及其技术的选择主要取决于当地基础设施的位置和特性。Novikoff 说，电缆敷设、起动时的起动电流和短路电流等问题都取决于工程结构。该公司在为已知用途的风力涡轮发电机制定规范时，都要考虑许多次要而又必须考虑的问题，从允许的转子高度、噪声辐射，到制造商的现场服务质量，不一而足。Novikoff 解释说，从投资者的观点来看，要考虑的机器经济因素包括风力供应的可靠性、机器的可靠性和维护成本以及电力生产关税的差异。
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