張哲 張睿 律寶瑩 陳薩如拉
(1.天津商業(yè)大學機械工程學院,天津 300134;2.天津商業(yè)大學商業(yè)設(shè)計研究院,天津 300134)
建筑能耗在國內(nèi)總能耗的比重是衡量一個國家經(jīng)濟發(fā)展水平的重要指標。隨著中國經(jīng)濟的迅猛發(fā)展,建筑能耗的比重將會逐漸增加,這必將會導致能源需求量的快速增長。年能耗統(tǒng)計表明,空調(diào)系統(tǒng)的能耗在建筑中所占的比重為40%~60%,年運營費用所占的比重為25%[1]。因此空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能問題已成為研究的重點。
本文通過分析常規(guī)空調(diào)系統(tǒng),提出溫濕度獨立控制空調(diào)系統(tǒng)可以有效解決當前存在的問題。對新型空調(diào)系統(tǒng)的不足進行探討,并定性的提出了改良的方向。
在一次回風系統(tǒng)中空氣處理過程如圖1所示室外新風W與室內(nèi)回風N經(jīng)混合后到達點C,經(jīng)過空調(diào)機組冷凝除濕后到達機器露點L,其相對濕度為90%~95%,由于送風溫差小,需將L再加熱到送風點O,送入空調(diào)房間。
圖1 全空氣系統(tǒng)一次回風空氣處理過程
風機盤管加新風系統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng),空氣處理過程如圖2所示。室外新風處理到與室內(nèi)等含濕量的值。常用的冷源溫度為7℃的冷凍水,新風系統(tǒng)和風機盤管采用相同溫度的冷源。新風系統(tǒng)承擔新風的全熱負荷和部分室內(nèi)顯熱負荷,風機盤管系統(tǒng)承擔全部室內(nèi)潛熱負荷和部分室內(nèi)顯熱負荷(從N點到L'點)。
圖2 風機盤管加新風系統(tǒng)的空氣處理過程
1)風量大的問題。常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)運行,既要完全消除室內(nèi)的顯熱和潛熱負荷,又不能使用過低的送風溫度,因此只能通過增大送風量來滿足要求。然而大的送風量會帶來一系列問題。風量大必然管徑大,在室內(nèi)布置大管徑時,會降低室內(nèi)凈高或增大層高。大風量會使室內(nèi)風速增大,有吹風感降低人體舒適度,同時會產(chǎn)生噪聲。在冬季為了避免吹風感,往往另設(shè)一套采暖系統(tǒng)由散熱器供暖,導致投資增加。
2)溫濕度共同處理的損失。夏季人體舒適區(qū)為25℃,相對濕度60%,此時露點溫度為16.6℃。常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)的除熱除濕功能,大都通過對空氣進行冷卻和冷凝除濕來完成的。如果空調(diào)系統(tǒng)僅滿足人體對室內(nèi)溫度的要求,送風溫度只要低于25℃,考慮媒介輸送造成的冷量損失和傳熱溫差(10℃),冷源溫度只需15℃~18℃。如果只去除室內(nèi)濕度,送風溫度只要低于露點溫度16.6℃,考慮輸送損耗和傳熱溫差(10℃左右),冷源溫度為6.6℃。在空調(diào)系統(tǒng)中,顯熱負荷占總負荷的比重大于潛熱負荷,占比重大的顯熱負荷本可以用高溫冷源排走熱量的,但實際工程中處理顯熱和潛熱負荷的冷源都為低溫冷源,造成低品位能源的浪費。有時通過再加熱的方式提高室內(nèi)溫濕度的控制精度,造成冷熱抵消,造成能源不必要的浪費。
圖3 冷凝除濕的處理范圍
3)難以適應顯熱和潛熱比的變化。冷凝除濕的實質(zhì)是通過降低溫度使空氣冷卻到露點以下,達到降溫和除濕的目的,因此降溫和除濕必須同時進行。所以這種方式溫濕度比的變化范圍比較小,如圖3所示N,B,W圍成的三角形區(qū)域(其中N為室內(nèi)空氣的狀態(tài)點,對應的露點為B,W為冷水的狀態(tài)點)。而實際中建筑物需要的顯熱和潛熱比變化有時會超出圖中的區(qū)域。有時溫濕度不能同時滿足,只能犧牲濕度而只考慮溫度要求了。當濕度大時,過高的溫度會造成不舒適,就要降低室內(nèi)溫度來滿足舒適度,這必然會造成能源浪費。含濕量不變,溫度降低,相對濕度就會升高,導致焓值降低,加大了與室外空氣點的焓差,必然會增加處理新風時的能耗。由于冷凝除濕的顯熱和潛熱比的變化范圍受到限制,為了適應建筑顯熱和潛熱比的變化范圍就要尋求新的除濕方法。
4)對室內(nèi)空氣品質(zhì)的影響。隨著人們生活水平的不斷提高,室內(nèi)空氣品質(zhì)得到重視,而空調(diào)系統(tǒng)直接影響人們的身體健康。常規(guī)的空調(diào)系統(tǒng)大多采用冷凝除濕的方法,使空氣和表冷器等冷表面直接接觸達到降溫除濕的目的,表冷器表面出現(xiàn)潮濕甚至產(chǎn)生凝水,成為霉菌等的繁殖場所。空調(diào)系統(tǒng)導致霉菌繁殖和傳播是影響人們健康的主要因素。因此如何實現(xiàn)除濕又不會產(chǎn)生潮濕表面是亟待解決的問題。另一方面,我國城市大氣污染物主要是可吸入顆粒物,引進空調(diào)系統(tǒng)的新風要通過過濾除塵,過濾器就會聚集大量粉塵,如果過濾器比較潮濕,則會繁殖各種微生物。因此如何有效過濾又不會繁殖微生物也是需要解決的另一個問題。
5)輸配損耗問題。為了達到設(shè)定的溫濕度,帶走室內(nèi)的污染物,就需要有輸配網(wǎng)系統(tǒng),而采用不同的輸配形式,不同的輸配媒介,輸配系統(tǒng)的效率是不同的,如采用空氣作為輸配媒介的能源消耗是采用水的5倍~10倍。
溫濕度獨立控制空調(diào)系統(tǒng)由溫度控制系統(tǒng)和濕度控制系統(tǒng)組成,兩套系統(tǒng)分別調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度和濕度,如圖4所示。
圖4 溫濕度獨立控制空調(diào)系統(tǒng)原理圖
針對常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)存在的問題,研究發(fā)現(xiàn)溫濕度獨立控制空調(diào)系統(tǒng)可有效解決現(xiàn)有的問題。溫濕度獨立控制空調(diào)系統(tǒng)包括處理顯熱和處理潛熱的兩套系統(tǒng),分別控制溫度和濕度。顯熱控制系統(tǒng)通過干式末端排除室內(nèi)余熱,滿足室內(nèi)溫度要求;潛熱控制系統(tǒng)對新風除濕,用干燥的新風去除室內(nèi)余濕,CO2及異味,滿足室內(nèi)濕度和空氣品質(zhì)的要求[3]。這種方法單獨控制溫度和濕度,能夠達到比較高的控制精度,能更大范圍適應建筑顯熱和潛熱比的變化。
作為一種新型空調(diào)系統(tǒng),溫濕度獨立控制系統(tǒng)具有以下優(yōu)點:
1)由于分別控制系統(tǒng)的除濕量和除熱量,可以根據(jù)建筑物熱濕比的變化情況,對室內(nèi)環(huán)境的溫濕度進行實時控制,克服了常規(guī)空調(diào)熱濕比變化范圍小的缺陷。2)對于溫度控制系統(tǒng),只需滿足室內(nèi)溫度要求,低于室內(nèi)溫度25℃,同時考慮傳輸溫差和傳熱溫差,冷源溫度一般在15℃左右。采用高溫冷源降低了能耗。3)和常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)相比,溫濕度獨立控制空調(diào)系統(tǒng)可以避免送風再加熱問題,減少再加熱產(chǎn)生的不必要的能耗。4)采用輻射換熱末端裝置,可以和冬季采暖共用一套環(huán)境控制裝置,減少初投資,并且溫度場均勻。5)采用溶液除濕方法,通常的除濕劑為氯化鈣、氯化鋰、三甘醇等??梢员苊饫淠凉癞a(chǎn)生潮濕表面,同時避免在表冷器和風道中產(chǎn)生霉菌,通過噴淋的方法可以去除空氣中的可吸入顆粒和霉菌,兼有清潔空氣的作用。6)克服了常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)中難以同時滿足溫度、濕度參數(shù)要求的致命缺點。7)過渡季能充分利用室外新風去除余濕,保證較舒適的室內(nèi)環(huán)境,減少空調(diào)系統(tǒng)的運行時間。
1)干式風機盤管的輸送性能系數(shù)較濕式風機盤管的低。干式風機盤管仍和常規(guī)風機盤管結(jié)構(gòu)相同,造成輸送性能系數(shù)比較低,由于干式風機盤管沒有凝結(jié)水,因此干式風機盤管完全可以用不同的結(jié)構(gòu)形式。目前市場上已經(jīng)有輸送性能系數(shù)很高的干式風機盤管產(chǎn)品。
2)溫濕度獨立控制空調(diào)系統(tǒng)的控制系統(tǒng)比較復雜,測點多,要求嚴格,會加大控制系統(tǒng)的初投資。
3)冷卻塔的出水溫度不高。冷卻塔的出水溫度影響高溫冷水機組的冷凝溫度,從而會降低冷水機組的COP值。如果增大冷卻塔的進風量將會提高其使用效率,降低高溫冷水機組的冷凝溫度。
通過與常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)的比較,溫濕度獨立控制空調(diào)系統(tǒng)具有很高的節(jié)能效率,并且可以更好的保證室內(nèi)環(huán)境的舒適度,同時也可以減少霉菌的產(chǎn)生,空氣品質(zhì)好,所以該系統(tǒng)有很大的發(fā)展前景。但由于這項技術(shù)起步晚,國內(nèi)外沒有成熟的工程實例,所以有待研究人員進一步研究和推廣。
[1]崔文盈.溫濕度獨立控制溶液除濕空調(diào)系統(tǒng)的理論研究及技術(shù)方案論證[D].重慶:重慶大學城市建設(shè)與環(huán)境工程學院,2007:2-3.
[2]茅江曼.基于溶液除濕的溫濕度獨立控制空調(diào)系統(tǒng)研究[D].南京:南京理工大學,2010:15-19.
[3]王 飛.基于雙溫冷源的溫濕度獨立控制空調(diào)系統(tǒng)的研究[D].廣州:華南理工大學土木與交通學院,2011:6-8.
[4]薛志峰.超低能耗建筑技術(shù)及應用[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2005.
[5]郭永聰.深圳建筑太陽能利用技術(shù)研究——深圳太陽能溶液除濕空調(diào)可行性研究[D].重慶:重慶大學城市建設(shè)與環(huán)境工程學院,2006:11-19.
[6]陳雷娟,劉春花,仲 婷.酒店空調(diào)系統(tǒng)方案設(shè)計及優(yōu)化[J].山西建筑,2011,37(24):123-124.
[7]江 億,劉曉華.溫濕度獨立控制空調(diào)系統(tǒng)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2006.
[8]陸耀慶.實用供熱空調(diào)設(shè)計手冊[M].第2版.北京:中國建筑工業(yè)出版社,1993.