空調(diào)分區(qū)系統(tǒng)中幾種空調(diào)方式的探討
發(fā)布時(shí)間:2019/3/21 信息來(lái)源：武漢中央空調(diào)精品超市
武漢海爾中央空調(diào)
現(xiàn)在的辦公建筑大多數(shù)進(jìn)深較大，具有多個(gè)朝向，各房間熱濕負(fù)荷相差較大。同時(shí),內(nèi)外區(qū)之間通常設(shè)有隔斷，并一直延伸到吊頂。這樣，內(nèi)外區(qū)的空氣被隔絕，無(wú)法進(jìn)行流通，致使內(nèi)外區(qū)房間的溫度分布冷熱不均。在對(duì)一些寫字樓的調(diào)查測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，沒有設(shè)置空調(diào)分區(qū)的建筑，溫度分布均勻性差，有些建筑內(nèi)外區(qū)的房間溫差有時(shí)甚至可能高達(dá)4~5℃。
對(duì)于進(jìn)深比較大、而內(nèi)外區(qū)沒有空氣流通的辦公建筑,要避免冷熱不均的現(xiàn)象，合理劃分內(nèi)外區(qū)是非常重要的。另外，由于辦公建筑能耗中，空調(diào)能耗占絕大部分，節(jié)約能源已經(jīng)成為空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、運(yùn)行中一個(gè)非常重要的元素。尤其，冬季在空調(diào)分區(qū)系統(tǒng)中，內(nèi)外區(qū)的冷、熱負(fù)荷并不同步。在這種情況下，選擇合適的空調(diào)方式，充分利用室外的自然冷源給內(nèi)區(qū)供冷無(wú)疑是節(jié)約能源，減少運(yùn)行費(fèi)用的很好途徑。因此，選擇合適的空調(diào)方式，充分利用能夠利用的自然能源供冷、供熱已經(jīng)越來(lái)越受到關(guān)注。
1 空調(diào)分區(qū)的原則
1.1 在辦公建筑中，一般劃分為內(nèi)區(qū)和周邊區(qū)，并分別供冷和供熱，這是由辦公建筑的負(fù)荷特點(diǎn)決定的。辦公建筑周邊區(qū)的冷負(fù)荷是由于室內(nèi)外溫差和太陽(yáng)輻射作用，通過(guò)圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳入室內(nèi)的熱量形成的冷負(fù)荷。與太陽(yáng)輻射熱，室內(nèi)、外溫度，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能有關(guān)。周邊區(qū)夏季存在冷負(fù)荷，冬季存在熱負(fù)荷，并且負(fù)荷波動(dòng)較大。內(nèi)區(qū)的冷負(fù)荷則是由于人體、燈光照明以及其他設(shè)備散熱形成的冷負(fù)荷。由于人體及設(shè)備散熱量的變化較小，所以內(nèi)區(qū)的冷負(fù)荷波動(dòng)較小，并且全年均為冷負(fù)荷。在1月、2月、11 月和12 月這4個(gè)月里,外區(qū)房間需要供熱,而內(nèi)區(qū)房間則需要供冷。因此，合理劃分內(nèi)外區(qū)是非常重要的。
1.2 內(nèi)外分區(qū)的界限，設(shè)計(jì)者一般是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)而定。在歐洲和日本一般進(jìn)深超過(guò)5m，則進(jìn)行空調(diào)分區(qū)；國(guó)內(nèi)一般情況下，標(biāo)準(zhǔn)層的進(jìn)深超過(guò)3~5m時(shí)，就進(jìn)行分區(qū)。在美國(guó)，空調(diào)分區(qū)系統(tǒng)中有外區(qū)面積越來(lái)越小的趨勢(shì)，很多設(shè)計(jì)者在進(jìn)深超過(guò)2m時(shí)，就進(jìn)行內(nèi)外分區(qū)。分區(qū)的界限主要受室外氣象參數(shù)，維護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能及內(nèi)擾的影響。尤其以維護(hù)結(jié)構(gòu)的層高及內(nèi)擾對(duì)其影響大。外區(qū)的面積與層高成反比，而與內(nèi)擾成正比�，F(xiàn)代辦公建筑中，層高由于空間和投資的限制有減小的趨勢(shì)；由于計(jì)算機(jī)等現(xiàn)代辦公設(shè)備的影響，內(nèi)區(qū)的散熱也越來(lái)越大。這樣，在進(jìn)深2m處，負(fù)荷受外圍及室外參數(shù)的影響已經(jīng)很小，基本上保持穩(wěn)定。這樣，適當(dāng)減小分區(qū)的界限可以使溫度分布更均勻并減少不必要的能耗。
2 利用冷卻塔直接給內(nèi)區(qū)供冷
2.1 對(duì)于全空氣系統(tǒng)，可以在內(nèi)、外區(qū)分別設(shè)空調(diào)機(jī)組，內(nèi)、外區(qū)的回風(fēng)互不摻混，分別回到各自的空調(diào)機(jī)組。在內(nèi)、外區(qū)都需要供冷的季節(jié)，運(yùn)行冷水機(jī)組給內(nèi)外區(qū)供冷。冷凍水分成兩部分：一部分進(jìn)入內(nèi)區(qū)空調(diào)機(jī)組，和內(nèi)區(qū)的新、回風(fēng)進(jìn)行熱質(zhì)交換，給內(nèi)區(qū)供冷；另一部分進(jìn)入外區(qū)的空調(diào)機(jī)組，與外區(qū)新、回風(fēng)進(jìn)行熱質(zhì)交換，給外區(qū)供冷。當(dāng)外區(qū)需要供熱而內(nèi)區(qū)需要供冷時(shí)，可以利用鍋爐或城市熱水通過(guò)外區(qū)的空調(diào)機(jī)組給外區(qū)供熱。
在給內(nèi)區(qū)供冷時(shí)，可以充分利用自然冷源，關(guān)閉冷水機(jī)組，而直接用冷卻塔給內(nèi)區(qū)供冷。其工作原理如圖1. 從冷卻塔出來(lái)的冷水通過(guò)冷水機(jī)組兩側(cè)的旁通管進(jìn)入內(nèi)區(qū)空調(diào)機(jī)組。在空調(diào)機(jī)組中與內(nèi)區(qū)新、回風(fēng)進(jìn)行熱質(zhì)交換�；旌峡諝獗焕鋮s后，進(jìn)入內(nèi)區(qū)房間，除去房間的余熱余濕，給內(nèi)區(qū)房間供冷。與混合空氣進(jìn)行熱交換后，冷水溫度升高，回到冷卻塔。在冷卻塔中進(jìn)行噴淋，與室外空氣進(jìn)行熱質(zhì)交換，將熱量散發(fā)到大氣中，水溫降低后重新進(jìn)入內(nèi)區(qū)空調(diào)機(jī)組進(jìn)行循環(huán)。
2.2 這樣，將冷水機(jī)組關(guān)閉，只開啟冷卻水泵和空調(diào)機(jī)組。使冷水在空調(diào)機(jī)組中與混合空氣進(jìn)行熱質(zhì)交換，將冷量傳遞給混和空氣；冷水在冷卻塔中與室外冷空氣進(jìn)行熱質(zhì)交換，將熱量散發(fā)到室外空氣中。這樣，就實(shí)現(xiàn)直接利用自然冷
源給內(nèi)區(qū)供冷的目的。這種供冷方式減少了電耗，降低了運(yùn)行費(fèi)用，是一種經(jīng)濟(jì)、節(jié)能的給內(nèi)區(qū)供冷的空調(diào)方式。在北方地區(qū)，當(dāng)室外溫度低于0℃時(shí)，暴露在室外的冷卻水管道與冷卻塔集水箱會(huì)發(fā)生凍結(jié)。一般情況下，需要對(duì)外管路輔助電加熱保護(hù)，冷卻塔集水箱內(nèi)置電加熱器及溫度自動(dòng)控制裝置。
另外，對(duì)于風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)，可以使冷卻塔出來(lái)的冷水通過(guò)冷凍水管進(jìn)入內(nèi)區(qū)風(fēng)機(jī)盤管，在盤管中與內(nèi)區(qū)回風(fēng)進(jìn)行熱交換，給內(nèi)區(qū)供冷。但是，在這樣的開式系統(tǒng)中，如果不對(duì)冷水進(jìn)行處理，很容易使盤管銹蝕，結(jié)垢，大大縮短盤管的使用壽命。
3 利用乙二醇溶液作載冷劑給內(nèi)區(qū)供冷
3.1 全空氣系統(tǒng)中，冬季室外溫度低于0℃的地區(qū)，利用冷卻塔給內(nèi)區(qū)直接供冷的空調(diào)方式無(wú)法實(shí)現(xiàn)。此時(shí)，可以將室外冷空氣作為冷源，用乙二醇溶液作載冷劑，將室外的自然冷源引入室內(nèi)給內(nèi)區(qū)供冷。需要給外區(qū)供熱而給內(nèi)區(qū)供冷時(shí)，關(guān)閉冷水機(jī)組，仍然用鍋爐或城市熱水作為熱源給外區(qū)供熱。
給內(nèi)區(qū)供冷的工作原理如圖2。在室外安裝板式換熱器，由風(fēng)機(jī)將室外的冷空氣引入板式換熱器，乙二醇溶液和室外冷空氣在板式換熱器中進(jìn)行熱交換。被冷卻的乙二醇溶液進(jìn)入內(nèi)區(qū)的空調(diào)機(jī)組，在機(jī)組中與混合空氣（新、回風(fēng)進(jìn)行混合后的空氣）進(jìn)行熱交換，混合空氣被冷卻，溫度降低后進(jìn)入內(nèi)區(qū)房間，給內(nèi)區(qū)房間供冷。乙二醇溶液溫度升高，再次回到室外的板式換熱器中，與室外的冷空氣進(jìn)行熱交換，溫度降低后繼續(xù)循環(huán)。這種熱交換方式經(jīng)常用在熱回收系統(tǒng)中。乙二醇和高溫排風(fēng)進(jìn)行熱交換，溫度升高后，進(jìn)入新風(fēng)機(jī)柜，給新風(fēng)進(jìn)行預(yù)熱。從而，回收排風(fēng)中的熱量給新風(fēng)加熱，節(jié)約電能，節(jié)省運(yùn)行費(fèi)。
3.2 這種將乙二醇溶液作為載冷劑，引入室外冷空氣中的冷量給內(nèi)區(qū)供冷的方式是一種很節(jié)能的空調(diào)方式。只需在室外裝設(shè)一臺(tái)板式換熱器，運(yùn)行時(shí)，冷水機(jī)組關(guān)閉，只開啟風(fēng)機(jī)和空調(diào)機(jī)組就能夠引入自然冷源給內(nèi)區(qū)供冷，節(jié)約了電能，減少了運(yùn)行費(fèi)用。但是，在利用室外冷量給內(nèi)區(qū)供冷的過(guò)程中，冷空氣要與乙二醇進(jìn)行熱交換，乙二醇再與混合空氣進(jìn)行熱交換，經(jīng)過(guò)兩次熱交換后，冷量損失較大，換熱效率不高，一般低于60% 。
4 內(nèi)外區(qū)空調(diào)獨(dú)立系統(tǒng)
4.1 在辦公建筑中，還可以采用內(nèi)外區(qū)空調(diào)獨(dú)立系統(tǒng)。合理進(jìn)行內(nèi)外分區(qū)，并分別設(shè)置獨(dú)立的空調(diào)系統(tǒng)，送回風(fēng)互不摻混。根據(jù)房間的負(fù)荷變化調(diào)節(jié)送風(fēng)量及新、回風(fēng)比。利用新風(fēng)降溫，達(dá)到節(jié)省冷量，節(jié)省電量的目的。夏季，開啟冷水機(jī)組，給內(nèi)、外區(qū)分別供冷；過(guò)度季節(jié)，調(diào)節(jié)新回風(fēng)比，加大新風(fēng)量；冬季，關(guān)閉冷水機(jī)組，運(yùn)用鍋爐或城市熱水給外區(qū)供熱。在給內(nèi)區(qū)供冷時(shí)，根據(jù)內(nèi)區(qū)房間冷負(fù)荷總量，調(diào)節(jié)新回風(fēng)比，適當(dāng)增大新風(fēng)量，或以全新風(fēng)送風(fēng)，給內(nèi)區(qū)降溫。
筆者在國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利業(yè)務(wù)信息樓的空調(diào)設(shè)計(jì)中，就采用了內(nèi)外區(qū)空調(diào)獨(dú)立系統(tǒng)。在冬季給內(nèi)區(qū)供冷中采用全新風(fēng)，充分利用室外冷空氣給內(nèi)區(qū)房間降溫。
本設(shè)計(jì)實(shí)例位于北京市海淀區(qū)國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局院內(nèi)，建筑面積22725m2，共10 層，地下一層，設(shè)備用房；地上9 層，為辦公用房。
首層大廳及各層辦公用房，采用低速集中式空調(diào)系統(tǒng)，每層設(shè)三個(gè)集中機(jī)房，以下以四層為例進(jìn)行說(shuō)明。該層設(shè)1#，2#，3#三個(gè)空調(diào)機(jī)房，1#和2#機(jī)房負(fù)責(zé)外區(qū)負(fù)荷，3#機(jī)房負(fù)責(zé)內(nèi)區(qū)負(fù)荷。風(fēng)管布置如圖3 所示。從1#, 2#機(jī)房出來(lái)的送風(fēng)經(jīng)吊頂內(nèi)的送風(fēng)管道送到外區(qū)各散流器處，3#機(jī)房送風(fēng)則送至內(nèi)區(qū)空間。在天棚內(nèi)、外分區(qū)處設(shè)隔斷，內(nèi)、外區(qū)回風(fēng)互不摻混，均由集中回風(fēng)口經(jīng)回風(fēng)管分別返回各機(jī)房。其中部分回風(fēng)經(jīng)樓梯間由屋頂風(fēng)機(jī)排。
送風(fēng)管道 回風(fēng)管道 排風(fēng)管道
圖3 風(fēng)管布置圖
4.2 夏季，內(nèi)外區(qū)同時(shí)供冷。三臺(tái)冷水機(jī)組同時(shí)開啟，供給各空調(diào)機(jī)組7℃的冷水。新風(fēng)經(jīng)過(guò)濾后與回風(fēng)混合，經(jīng)冷卻除濕后露點(diǎn)送風(fēng)。1#,2#機(jī)房給外區(qū)供冷，3#機(jī)房為內(nèi)區(qū)供冷。過(guò)渡季，內(nèi)、外區(qū)空調(diào)機(jī)組都采用全新風(fēng)運(yùn)行。冬季，外區(qū)需要供熱而內(nèi)區(qū)需要供冷。由院內(nèi)燃?xì)忮仩t為外區(qū)供熱。
夏季3#機(jī)房送風(fēng)量G 為6.15 ㎏/s。冬季，室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度tN=20℃，相對(duì)濕度為40%，則室狀態(tài)點(diǎn)的焓值iN=35kJ/㎏；室外空調(diào)計(jì)算溫度tW=–12℃，室外計(jì)算相對(duì)濕度為45%，室外狀態(tài)點(diǎn)的焓值iW=-11kJ/㎏。如果冬季采用全新風(fēng)給內(nèi)區(qū)供冷，則室外冷空氣可以提供的大冷負(fù)荷Q供可以按（1）式計(jì)算：
另一方面，冬季內(nèi)區(qū)冷負(fù)荷主要來(lái)自人體和計(jì)算機(jī)等設(shè)備的散熱。按每4 ㎡一人和一臺(tái)計(jì)算機(jī)，每人散熱量140 W，每臺(tái)計(jì)算機(jī)散熱量200W計(jì)算。內(nèi)區(qū)的面積為711 ㎡，取安全系數(shù)1.2。則冬季內(nèi)區(qū)的冷負(fù)荷按下計(jì)算：
可見，室外冷空氣所能提供的冷量遠(yuǎn)大于內(nèi)區(qū)所需要的冷量。因此，冬季給內(nèi)區(qū)供冷時(shí)，可以關(guān)閉冷水機(jī)組，直接利用室外新風(fēng)給內(nèi)區(qū)房間降溫。此時(shí)所需要的新風(fēng)量為：
室外溫度是不斷變化的，當(dāng)室外溫度升高時(shí)，室內(nèi)外焓差減小，室外冷空氣可以提供給內(nèi)區(qū)的冷量也隨之減小。而在人員設(shè)備不變的情況下，室內(nèi)冷負(fù)荷基本穩(wěn)定不變，所以必然存在一種不利狀態(tài)，此時(shí)，新風(fēng)所能提供的大冷負(fù)荷恰好等于內(nèi)區(qū)冷負(fù)荷。假設(shè)當(dāng)溫度升高到tW，時(shí)，達(dá)到不利狀態(tài)，此時(shí)的溫度tW，可以按下式確定：
室外相對(duì)濕度為 45% ，查表得：tw' = 12.5 ℃。
所以，當(dāng)溫度高于12.5℃時(shí)，室外能夠送入的冷空氣就不能滿足內(nèi)區(qū)的冷負(fù)荷要求。而在北京，直到三月中旬室外溫度才能達(dá)到十幾度，也就是說(shuō)幾乎在整個(gè)冬季室外自然冷量都可以滿足內(nèi)區(qū)冷負(fù)荷。
冬季室外冷空氣給內(nèi)區(qū)供冷的空調(diào)過(guò)程如圖4 所示。室外溫度在-12℃～12.5℃時(shí)，可以僅利用室外冷空氣給內(nèi)區(qū)供冷。依據(jù)室外溫度的變化，調(diào)節(jié)電機(jī)頻率改變送風(fēng)量，則送風(fēng)量在1.57kg/s～6.15kg/s 之間變化 ,從而保證內(nèi)區(qū)房間維持在18℃～20℃的室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度。在外區(qū)供暖季節(jié)，室外溫度高于12.5℃時(shí)，可以減少外區(qū)的供熱量，內(nèi)區(qū)冷負(fù)荷隨之減小，從而使室外冷空氣的供冷量滿足內(nèi)區(qū)冷負(fù)荷的要求。
另外，當(dāng)送風(fēng)溫度較低時(shí)，室內(nèi)工作人員可能會(huì)產(chǎn)生“吹冷風(fēng)”的不舒適感。此時(shí)，可以調(diào)節(jié)新回風(fēng)比，適當(dāng)送入部分回風(fēng)，提高送風(fēng)溫度，從而滿足室內(nèi)人員的舒適性要求。
4.3 這種空調(diào)方式，在過(guò)渡季節(jié)和冬季充分利用室外新風(fēng)降溫，關(guān)閉冷水機(jī)組，直接利用室外冷量給房間供冷，可以節(jié)省電量，節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用，為用戶節(jié)約了大筆資金。另外，運(yùn)行中增大新風(fēng)量或采用全新風(fēng)，這樣，送入的新風(fēng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于衛(wèi)生條件所要求達(dá)到的小新風(fēng)量，顯著的提高了室內(nèi)空氣品質(zhì)，改善了室內(nèi)環(huán)境。但是，與風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)相比，變風(fēng)量的空調(diào)方式投資較高，施工相對(duì)復(fù)雜，對(duì)運(yùn)行調(diào)節(jié)要求較高。
5 結(jié)論
表1三種空調(diào)方式優(yōu)缺點(diǎn)表
方式
用冷卻塔給內(nèi)區(qū)供冷
用乙二醇作載體給內(nèi)區(qū)供冷
內(nèi)外分區(qū)空調(diào)獨(dú)立系統(tǒng)
優(yōu)點(diǎn)
①用已有設(shè)備供冷，節(jié)省投資
②節(jié)省電能及運(yùn)行費(fèi)用
①不受外界溫度限制，應(yīng)用范圍廣。
②用自然冷源節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用。
①提高室內(nèi)空氣品質(zhì)
②實(shí)現(xiàn)溫度均勻分布
③節(jié)省費(fèi)用
缺點(diǎn)
①室外溫度低于0℃時(shí)，需設(shè)加熱溫控裝置，增加初投資。
②風(fēng)盤系統(tǒng)，易引起盤管銹蝕。
①換熱效率低
②不能高效利用自然冷量
①施工復(fù)雜
②運(yùn)行調(diào)節(jié)
要求高
5.1 大多數(shù)辦公建筑由于進(jìn)深大，且內(nèi)外分區(qū)之間設(shè)有隔斷而使得內(nèi)外區(qū)房間冷熱不均。為了使內(nèi)外區(qū)房間的溫度均勻分布，標(biāo)準(zhǔn)層進(jìn)深超過(guò)3～5m時(shí)，就應(yīng)該對(duì)建筑進(jìn)行內(nèi)外分區(qū)。而在空調(diào)分區(qū)系統(tǒng)中，采用合理的空調(diào)方式給內(nèi)外區(qū)供冷供熱是設(shè)計(jì)中節(jié)約能源的關(guān)鍵。尤其，冬季給內(nèi)區(qū)供冷時(shí)，充分利用自然冷源給內(nèi)區(qū)供冷時(shí)節(jié)約能源，減少運(yùn)行費(fèi)用的很好途徑。
5.2 冬季，給內(nèi)區(qū)供冷時(shí)，可以使內(nèi)區(qū)的供水與室外冷空氣在冷卻塔中進(jìn)行熱質(zhì)交換，從而引入自然冷源給內(nèi)區(qū)供冷。這種方式僅運(yùn)行冷卻水泵和空調(diào)機(jī)組，就可以給內(nèi)區(qū)供冷。是一種經(jīng)濟(jì)、節(jié)能的給內(nèi)區(qū)供冷的空調(diào)方式。但是，當(dāng)室外度低于0℃時(shí)，冷卻水無(wú)法進(jìn)行循環(huán)，這種供冷方式也就無(wú)法實(shí)現(xiàn)了。
5.3 當(dāng)時(shí)室外溫度低于0℃時(shí)，可以用乙二醇溶液作為載冷劑，引入室外自然冷量給內(nèi)區(qū)供冷。這種空調(diào)方式，需在室外裝設(shè)一臺(tái)板式換熱器，運(yùn)行時(shí)，只開啟風(fēng)機(jī)和空調(diào)機(jī)組，節(jié)約了電能。但是，換熱過(guò)程中冷量損失較大，換熱效率不高。
5.4 在有內(nèi)、外分區(qū)的全空氣系統(tǒng)中，可以采用變風(fēng)量調(diào)節(jié)。根據(jù)房間的負(fù)荷變化對(duì)送風(fēng)量及新、回風(fēng)比進(jìn)行調(diào)整。在過(guò)渡季節(jié)和冬季，充分利用新風(fēng)降溫，可以很大程度的節(jié)省電量。另外，增大新風(fēng)量又可以提高室內(nèi)空氣品質(zhì)，改善室內(nèi)環(huán)境�？偨Y(jié)歸納三種空調(diào)方式的優(yōu)缺點(diǎn)并列入表1。
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武漢海爾中央空調(diào)
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