锋速达通风降温系统
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通风降温设备普及高效节能环保型空调设备置换通风与混合送风供冷
0 前言
改革开放二十多年以来，我国的人均寿命显著增长。这一令人瞩目的事实，除了归功于新的政治环境和经济环境以外，人们日常生活、工作环境的改善也是不容忽视的重要因素，空调设备正是营造这种使人益寿延年的环境条件的功臣。
然而，科技往往是把双刃剑。空调设备既是耗能大户，又在创造局部舒适环境的同时，给整个地球的大环境带来负面影响——破坏臭氧层；加剧全球温室效应。难怪欧洲的“绿色和平”人士不愿使用空调设备，以致2004年夏天，发达的工业国里，竟然有人被酷暑“热毙”。因此，空调设备必须朝节能和环保两个方向发展，做到亲和自然，才能广泛而长久地为人类效劳。本文就普遍推广高效节能环保型空调设备的相关问题进行以下论述。
空调设备的节能性和环保性密切相关，两者相辅相成。一般来说节能型空调总是环保型的，环保型空调也多半是节能型的，至少在整体上与节能型是相协调的。所以，两者可以相提并论，取长补短。
1 注重使用过程中节能性的空调设备设计理念
设计空调设备时不能单纯考虑制造费用，还须重视运转费用。在包含制作费用在内的整个使用寿命周期的总经费（寿命周成本）里，运转费用占55％以上，所以设备的节能在降低寿命周期成本上起到很大作用。设计节能型空调时为了尽量提高COP（＝冷冻能力/消耗电力）的值，应采用直流变频控制器、磁阻式涡旋压缩机（因其电机铁芯配置了磁力比普通铁氧体磁铁强10倍的钕磁铁，并通过特殊设计产生了附加的磁阻转矩，使效率提高20％以上）、红外线传感器之类的高技术配套产品，由此制成的变频空调机可比定频空调机节能45％左右，虽然需要较高的初始费用，但据计算，该差额只需1.5～2年即可偿还。
2 制造全过程中切实关怀环境的生产经营理念
节能环保型空调设备应采用臭氧层破坏系数为“0”的HFC新冷媒，进行环境亲和型设计（Environment-friendly Design）。同时，必须确保文明生产，做到“零废弃物排放”。生产工厂本身取得ISO 14001认证自不待言，还应实行“绿色采购”，为了确保所采用的原料、器材、部件都达到环保要求，各相关厂商也都应取得ISO 14001认证。
3 最佳空调方式和最合适送风位置及能源的选定理念
空调方式对于空调设备的节能性至关重要，必须针对不同的场合和不同的空调要求，制订切实可行且恰如其分的空调方案。
3.1 纠正中央空调方式的缺点
①仅在必要的时间里对必要的空间进行空调（消除空耗）
②削减输送热源的动力（采用中央空调时，输送动力的机构比例很高）
③实施独立的温度控制（防止过冷、过热）。
3.2 以局部空调取代完全空调
在操作场所（如车间、试验室等），温度对操作的安全和精度有很大影响，据统计，在17℃～23℃的稳定环境里所产生的工伤事故和作业失误指数最低。因此，这些场所应采取有效的定点空调（局部制冷或制热），并尽量将送风管延伸到靠近人体的地方，这与空调效果密切相关，也是空调节能的关键所在。据某一实例测定：距离送风口1.0m处风速为2.7m/s，体感温度为25.5℃，而在距离送风口2.0m处风速就降为1.4m/s，体感温度则上升为29℃。
3.3 配备与空调效果相协调的通风装置
如果空调与通风互相协调，就不会因空调后的室温受到影响而浪费能源。以高温车间为例，为了减轻制冷负荷，整体通风与局部通风并用，而对操作者则提供定点空调。通风方式应以有效的局部通风（排气）将整体的通风次数n（n＝每小时通风量（m3）/ 室内容积（m3））降到最低，减少室内的热损失。
在必须大量通风的场合应引入新风。对于机器发热量很大的地方，可采用全新风方式，即对新风加以空调后引入。对于只需通常排热·通风的地方，可采用回风＋新风的混合方法，即在循环空气与新风混合后进行空调的方式。
3.4 采用特殊的配置和工艺
用于医院、疗养所等地方的洁净空调和空气清洁器等设备需要获得空气高度净化的效果，应采用高效除菌滤网和光催化（材料成分为氧化钛）除臭滤网，这些过滤网除了集尘功能以外还有显著的除臭、抗菌功效，并具备抑制飘浮菌和病毒的作用。
3.5 因地制宜地选择空调能源
毫无疑问，电力是最常用的空调能源，电动方式的一次能耗量较小，其CO2的排放量也较小。但在燃气（天然气或煤气）或燃油（石油等）供应充足而电力相对缺乏的地区可使用以吸收式制冷机为代表的热源设备。在夜间电费便宜的地区可考虑发展冰蓄热式空调机。另外，太阳能空调机可说是最理想的节能环保型空调设备，应该大有发展前途。
4 安装操作技术、附配件及器材质量绝对可靠的施工理念
安装之前应由SE（销售工程师）进行施工设计，通过负荷计算确保设备的功率与所需的空调区域相匹配，确定最佳的设备安装位置。操作必须由合格的专业人员实施，并且只能使用设备附带的配件，现场外配的铜管、电线、悬吊支架、螺栓等器材必须严格符合厂商规定的技术要求。
5 空调设备控制工程IT化的管理理念
要使空调设备的舒适性和节能性两全其美，其管理工程的IT化是关键所在，所以应选用下列控制装置。
5.1 智能管理器（i-Manager，具有大规模、高等级的监控功能）
智能管理器是适应于独立空调（大楼用多联机）主体设备管理的集中监视装置，能通过专用通信线路直接联系空调设备，构成价格性能比很高的工程，可100％地利用设备信息。
5.1.1 节能功能之一
在用电高峰阶段将要超过目标电力时，可通过空调工程设定温度的换档和使室内机停止的控制方法，尽量在不影响舒适性的前提下把用电量掌握在目标电力以内。
5.1.2 节能功能之二
在维持舒适度的同时，若想进一步降低电力消费，可分别使用下列两种运转模式：（1）使任何一台室内机经过一定间隔的时间停止，或同时使多台机交替运转。（2）对室外机进行容量限制。
5.1.3 异常管理
异常发生时，内容显示于“异常记录时间显示区”，同时根据工程设定内容触发报警蜂鸣器，告知异常。并且，把过去500,000件异常状态变化资料作为档案保存在硬盘中。
5.1.4 用电量的按比例分配
借助于“由室内机运转状态得出的空调容量”可算出各室内机单位的使用电力，即使在同一运转时间里，也能通过空调负荷找出差异，从而更公平地按比例分配电费。
5.1.5 利用局域网进行远程监视
通过在远离某大楼的集中管理室和该大楼之间设立专用的局域网，就能实现远程管理，另外，对于将来增加设施（建筑物等）时也能容易地相应增设空调机和扩展局域网。
5.2 空调专用网络（AIRNET）＋ 智能管理器
通过智能管理器向用户提供自由的空调控制，同时还通过空调专用网络来约束未知故障的运转。以信息处理·通信技术时刻监控空调机的运行状态，借助“在线诊断工程”对故障防患于未然，由此可以节能并提高机器的使用寿命。而且，万一发生故障，可能在用户尚未发现之前，维修工程师已先行发出通知，随即到达现场排除障碍。
5.3 智能触摸式控制器
为不具备专用管理室或不想聘用专职人员时的理想选择。
5.3.1 使空调工程简便地获得高功能
通过编程以年为单位设定每日的运转停止和所需温度。大幅度地减少管理的时间和人力。并且，操作简便，无须专业人员，任何人都能管理。
5.3.2 根据空调的使用状况按比例分配用电量
通过追加相应的软件，可提供便于电费管理的按比例配电信息。
5.3.3 进行高效节能的空调管理
因常时监视各房间的温度，并在进行适当温度管理的基础上配备了设定温度范围的控制功能，所以可形成高度节能的空调运转。另外，由于避免了由事先编程所造成的无用运转，也能节约可观的经费。
6 多方位无微不至的维护管理理念
为了减少故障、保持设备的性能以达到长期实行经济的运转并延长使用寿命必须进行维护保养。为了对灾害防患于未然应
清华大学 李先庭☆ 赵彬 林波荣 陆俊俊
Comparison between annual energy consumptions of displacement ventilation
and mixing ventilation
By Li Xianting, Zhao Bin, Lin Borong and Lu Junjun
摘要 根据置换通风和混合送风设计及运行的特点，以DeST为模拟工具，分析了北京某写字楼分别采用置换通风和混合送风方式供冷季空调工程的运行情况，讨论了两种送风方式在定风量或变风量运行时工程的逐时能耗及在室外新风利用上的特点。结果表明，置换通风比混合送风节省10%以上的运行费用。
关键词 置换通风， 混合送风， 节能
Abstract Based on the design and operation characteristics of displacement ventilation and mixing air supply, by means of DeST tool, analyses operation status of displacement ventilation and mixing air supply in an office building in Beijing in cool air supply season respectively. Discusses the hourly energy consumption of operation of displacement ventilation and mixing air supply under fixed air volume ad variant air volume and the characteristics of fresh air utilization outdoor. Results show that displacement ventilation can save more than 10% of operation cost compared to mixing air supply.
Keywords displacement ventilation, mixing ventilation, energy saving
Tsinghua University , China
引言
随着办公自动化设备的开发与利用，新型办公楼室内布局的变化以及智能化建筑的出现，置换通风空调方式以其自身在热环境、空气品质等方面的优点及在施工运行中的灵活性及经济性，历外办公建筑中的应用日趋广泛[1]。目前，置换通风在国内的研究及应用亦已起步。
置换通风形式不同于传统的混合通风形式。置换通风空间分上区和下区，下区的气流为置换气流，空气品质明显优于混合式通风。与混合通风相比[2～4]，置换通风还有通风效率高、工作区负荷低、室内垂直温度分层明显等特点，但它是否节能学术界沿有争议。因为尽管工作区负荷低可相对提高置换通风的送风温度，扩大室外新风的利用率，使冷水温度相应提高，从而降低AHU负荷并提高制冷机的COP；但基于控制工作区温度梯度的要求以及AHU回风温度显著升高的现实情况，亦有可能增加AHU负荷。Seppanen（1989年）对美国的办公建筑做了置换通风和混合送风的能耗比较[5]，就美国4个典型的气候带、两种典型的通风控制策略（VAV，CAV）、带有不同热回收部件的AHU工程等方面作了研究，内区平均冷负荷14 W/m2，最大冷负荷负荷24W/m2,外区负荷约120 W/m2。研究发现：置换通风的能耗很大程度上取决于控制策略和空调箱工程。一个带有热回收器、采用VAV控制的置换通风工程的能耗和混合通风工程的能耗几乎一样。Zhivov（1998年）比较了不同气候下美国一餐厅使用置换通风和混合送风的能耗[6]。考虑了两种室外空气的控制策略：定室外空气量、变室外空气量，结果发现：当定室外空气量时，置换通风节省12%～18%的能量；当变室外空气量时，置换通风节省16%～26%的能量。陈清焰等考察了美国5种典型气候条件下办公室、教室、工业厂房使用置换通风的能耗情况[4]，结果发现：与混合通风相比，置换通风工程可能消耗更多的风机能量、较少的制冷机和锅炉的能量。置换通风的总体能耗稍微小于混合通风。国内有学者曾作过上送风与下送风方式的耗冷量比较[7]，但只是基于定性分析，并没有进行逐时计算，也缺乏对不同空调工程运行模式的全面讨论。为此本文拟通过计算机逐时模拟，对此问题进行更为深入的探讨。
1 研究方法
研究对象为北京某写字楼一标准办公楼层。如图1所示。室内空调设计温度为24±2℃，相对湿度为50%±10%。建筑外墙为370mm保温砖墙，屋顶采用加气混凝土保温屋面。夏季办公室内设备负荷为20 W/m2，照明负荷为15m2，人员密度约0.1人/m2。混合通风楼层高度为3.5m，房间面积：Ar3-1=Ar3-3=Ar3-4=Ar3-5=700 m2;Ar3-2= 460m2。
以建筑热环境设计模拟软件DeST分别计算采用混合送风和置换通风两种方式供冷季的逐时负荷，并对不同的空调工程模式（定风量、变风量；定新风比、变新风比以及定送风状态或变送风状态等）进行逐时模拟。模拟结果包括AHU的逐时送风状态、送风量、新风比例β、逐时能耗以及各房间的逐时风量及室内温度等。根据AHU负荷，对冷水侧取一固定的综合COP（一般为1.8～2.5，本文取为2），即可得到水侧的总能耗；在风侧，分别考虑定风量工程和变风量工程下风机的效率以及风机压头，根据逐时的总送风量即可得到风机的侧总能耗；由此可得整个工程的总能耗并进行分析比较。
模拟计算说明如下：
① 混合送风和置换通风两种方式所处理的房间总负荷相同。
② 不同情况下进行模拟计算时，室外逐时气象情况相同。
③ 考虑到置换通风效率较高，因此其所需的新风量应小于混合送风，本文取置换通风和混合送风的效率分别为1.25和1。根据空调办公房间的空气品质要求，不同工程类型下混合送风和置换通风的新风设定如表1。
表1 新风比的设定 混合送风 置换通风定风量工程 固定新风比β2520可变新风比β最小25 最大100最小20 最大100变风量工程 固定新风比β2520可变新风比β最小25 最大100最小20 最大100
④ 置换通风最大送风温差为5℃，混合送风的最大送风温差为8℃，即二者相应的最低送风温度分别为19℃和16℃；在定风量工程中置换通风和混合送风的送风量相同；在变风量工程中二者风量的变化范围相同，最小送风量为最大送风量的30%。
⑤ 假定通过配置风口整个数及类型，置换通风可达到ASHRAE 5592的标准，即离地1.8m和0.1m之间的温差在3℃以内。
⑥ 混合送风的回风温度应控制在26℃以下，而置换通风的回风温度则应控制在27℃左右[3]；超过这一温度即认为该房间处于不满意工况。
以房间r3-1和r3-2为例，图2给出了在供冷季的逐时负荷，时间从6月1日到9月14日。
图2 室内逐时负荷
2 结果分析
2．1 定风量工程中，固定新风比β时的能耗比较
需要指出，在定风量工程中，AHU的送风状态是可变的。图3所示为定风量工程中固定新风比β时混合送风和置换通风方式下AHU的逐时负荷，从中可以看出，除了6月约20天的时间以外，多数时间内置换通风的AHU负荷要比混合送风的AHU负荷低。在这段时间内，置换通风的AHU总负荷为59039kWh，而混合送风AHU总负荷为67080 kWh；比较可知，置换通风在AHU侧可节能约12%。由于二者送风量相同，因此风机侧面的能耗可认为相同（实际上由于置换通风没有管路，静压箱压力低，因此风机能耗应相对略低[3]）。
图3 CAV定β的AHU负荷比较
在此段时间内，以房间r3-5为例，混合送风方式下不满意小时百分数为4.5%；而置换通风方式下不满意小时百分数为4%。可认为二者的热舒适效果相近。
在采用置换通风的定风量工程中，置换通风的AHU负荷与β并非存在线性关系。研究中分别考虑了β为15%，18%，20%及23%的情况，发现相应的AHU侧的负荷为混合送风的AHU负荷（保持不变）的90%，88%，92%及96%。 这一结果与文献[7]不同。原因可能在于定风量空调工程中，固定β后使得在不同气象条件下，AHU对回风或新风的利用不足。整个供冷季置换通风AHU处理的新风总量为混合送风的80%。
2．2 定风量工程中，β可变的能耗比较
图4比较了定风量工程中可变时的AHU负荷。新风比的设定如前所述。可见置换通风的AHU负荷始终低
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