置换通风的应用前景及其适用性分析

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摘要：本文分析了空调系统节能和舒适性空调系统的意义，阐述了置换通风的概念、基本原理、基本特征。提出了置换通风新型末端装置研究、开发的技术思路。对置换通风的适用性问题，进行了举例分析。1引言随着人类文明的进步和科技的发展，人们对自己工作、学习、生活环境的要求越来越高。而一个舒适的环境对于保证身心健康、提高生活品质和劳动效率有着重要意义。为实现高质量的室内气候环境，电制冷空调系统已被广泛采用。同时，人们对地球环境的关注越来越高，对环境保护的呼声也日趋强烈，要求采用节能的、健康的、可持续发展的策略进行空调设计。1.1中国能源现状和空调系统节能我国提出了长期的经济发展目标，即下世纪中叶赶上中等发达国家水平。社会经济的发展必将伴随着巨大的能源消费需求。能源是国民经济的基础产业，也是公用事业，更是经济发展和提高人民生活水平的物质基础。人类社会的进步与能源的发展密切相关。我国制定的二十一世纪议程和九五计划及2010年远景规划中把能源和环境保护列为最优先的发展领域。中国是一个拥有12亿人口的发展中国家，是一个以煤炭为主要能源结构的能源生产消费大国。目前，煤炭提供76%的发电能源，到2020年煤电仍高达60%[1]，煤电的使用导致SO2、NOX、CO2和烟尘大量排放，给环境保护造成了巨大压力。我国大部分地区的绝大多数空调系统直接利用电能供冷，空调系统的节能，相当于间接减少了SO2、NOX、CO2和烟尘的排放，对环保有利。目前世界发达国家的民生耗能率高达总耗能量的1/3左右，其中绝大部分又消费在建筑物上，各国为推动建筑节能的进展，相继制定和颁布了一系列的建筑节能法规、标准和指导性文件。我国政府积极倡导和努力实施节约能源、保护环境的政策，颁布了《中华人民共和国节约能源法》和一系列建筑节能规范。建筑物的节能是一项复杂的系统工程，包括各种综合性的技术，包括建筑物本身和空调系统、设备的节能[2].就空调系统而言，空调系统节能又与建筑节能有关，包括建筑物的朝向和平面布置、维护结构的保温性能、窗户的隔热和建筑物遮阳等等。空调系统的节能也与运行节能有关，包括采用降低室内设计标准、减少新风量的方法，采用天然冷源，过渡季节取室外新风自然冷却、冷却塔供冷技术，采用建筑设备控制自动化技术，采用热回收技术，例如从排风中回收热量等等。采用新的节能的空调方式，选用更节能的空调产品，也是空调系统节能的一项重要、有效的措施。在某些场合，置换通风就是一种较好的节能的空调方式。1.2高舒适性空调系统的标准及要求首先必须提出，高舒适性的空调系统不仅仅与空调系统的设计有关，他还与室内环境品质有关，包括与室内环境的声、光、热等诸多物理的，以及室内建筑装修、建筑材料、空气品质等等的物理化学因素有关。本文仅讨论空调系统对舒适性方面的影响问题。随着空调建筑的增多、空调技术的进步，人们对空调的理解早已不是温度这一参数。高舒适性空调是指空调系统能提供一个良好的热舒适性环境、良好的室内空气品质。因此，健康空调、绿色空调、未来空调等说法和概念应运而生[3].舒适性空调系统的概念经过了以下几个发展阶段：（1）本世纪中叶，发达国家以完全牺牲不可再生能源维持室内环境；（2）70年代石油危机后，人们意识到节能的重要性，发达国家采用了较低的室内设计标准。但是，由此产生了一系列建筑病综合症，人们又开始意识到室内空气品质的重要性，这一课题成为学者们研究的热点；（3）90年代至今，出现了许多一味高标准的建筑空调，特别是一些高档的智能化办公大楼，建筑空调耗能有进一步增加的趋势。2置换通风的历史沿革、概念、原理2.1置换通风的发展历史置换通风起源于北欧，1978年德国柏林的一家铸造车间首先使用了置换通风装置。现在置换通风广泛应用于工业建筑、民用建筑和公共建筑，北欧的一些国家50%的工业通风系统、25%的办公通风系统采用了置换通风系统[4].我国的一些工程开始采用了置换通风系统，并取得了令人满意的效果。2.2置换通风的基本概念[4]a稀释通风示意图b置换通风示意图图1混合通风与置换通风系统的比较房间置换通风原理的基本概念如图1b所示。在舒适性通风中，大多数污染物质是温暖的，因此污染物质在浮升力的作用下而上升。混合通风方式下混合空气和污染物会遍及整个房间（如图1a）。当在地板平面供给低速空气，在天花平面排走温暖、污染的空气，室内空间的空气品质会比传统的混合通风方式好。比较这两种系统，可以发现置换通风整个空间的污染物浓度较混合通风的的浓度低。（我们假设两种通风方式的空气流量、污染率、房间尺寸相等。）本文中提到的置换通风，能提供良好空气品质（即减少整个空间的污染）。已证明在餐厅、会议室、教室和其他抽烟的房间采用置换通风在提高空气品质方面优于混合通风。2.3置换通风的基本特征置换通风的基本特征是水平方向会产生热力分层现象。置换通风下送上回的特点决定了空气在水平方向会分层，并产生温度梯度。如果在底部送新鲜的冷空气，那么最热的空气层在顶部，最冷的空气层在底部。置换空气在水平方向汇入上升气流，由于送风量有限，在某一高度送风会产生循环。我们把产生循环的分界面高度被称为“分界高度”。这样，就形成了两个区域的气流形式，底部区域是相对清洁的空气，上部区域存在更多的污染。所以为了获得良好的空气品质，通风量必须满足一定要求。以使“分界高度”高于人员活动区，这样人们便处于清洁区。由此可见，置换通风不允许我们大量减少空气流量，也不是任何地方都适用。我们发现，通常混合和置换通风系统要求相同的空气流量。不同的是，在同样的空气流量下置换通风通常提供更好的空气品质。下列情形更适合采用置换通风：——污染物质比环境空气温度高或密度小；——供给空气比环境空气温度低；——层高大的房间，例如房间层高大于3米。浮升力作为驱动力的置换通风在下列情形效率较低：——天花板的高度低于2.3米；——房间空气扰动（湍流）强烈；——污染物比环境空气冷/密度大。3置换通风的应用前景分析置换通风的应用是随着置换通风的概念被广泛接受和置换通风末端产品的大量开发、生产、应用而推广开来的。笔者认为置换通风在我国的广泛应用与以下两个方面有很大关系，一是与置换通风末端产品的发展和新产品的开发有关，二是与人们对它的深入了解，特别是设计人员和业主的深入了解有关。3.1置换通风末端产品的发展历史最初的置换通风末端装置仅考虑让新鲜空气平稳、均匀的送入室内，送风速度低、温差小，故送风末端体积较大，相应的末端装置有圆柱型、半圆柱型、1/4圆柱型、扁平型及平壁型等几种。末端装置一般落地安装。随着空调技术的发展，根据新的建筑特点和功能开发了地板送风、座椅下送风的末端装置。其后开发了结合置换通风和冷却吊顶的末端送风装置，并得到应用[5].“置换通风末端装置+冷却吊顶”形式解决了脚冷头暖的不舒适感觉，置换通风末端用来保证卫生要求的通风量和消除湿负荷，冷却吊顶可以消除垂直温度梯度对人的不适感觉，冷却吊顶的应用相对传统的空调系统有特殊意义，就是其采用了辐射换热技术，传统的混合通风，是以采用对流为主的传热方式，而冷却顶板辐射换热的比例大大提高，3.2我国置换通风末端产品的现状置换通风的应用与发展是与置换通风末端装置的发展紧密相联系的。置换通风目前在我国运用还不十分广泛，究其原因，笔者认为国内生产置换通风末端的厂家少，产品单一，研发能力不强是一重要原因。设计置换通风的工程可选择的设备少，妨碍了置换通风的广泛使用。目前全球经济一体化进程加快，中国即将加入世界贸易组织，关税下降，国内市场进一步开放，国外的末端产品逐渐进入中国市场，国内的研究开发也在进一步加强，这就使得置换通风有更广阔的发展空间。3.3新一代置换通风末端装置的研究新一代末端装置要考虑的技术思路和问题是解决如下几个问题（1）在人员活动区域减少和消除热力分层对人的影响；（2）减少空气输送量以降低空调机组，风管、风口的初投资，节省通风管道占用的建筑面积，减少空气输送量以减少输运动力，从而减少风机耗能。因此，末端装置的设计思路围绕解决以上问题而展开。为解决置换通风送风量大，送风温差小的问题，可借鉴诱导通风的原理[6]，考虑提高一次风送风温差，在送至室内之前，或在人员活动区将一次风与室内空气混合，以提高送风温度。采用强化传热技术，使得室内空气在人员活动区迅速分布均匀，减少温度梯度。4置换通风的适用性分析4.1适用的冷源置换通风要求采用中央冷水机组提供集中冷源，采用空气处理设备集中处理空气，采用水泵、水管输送冷水。是否采用置换通风的空调方式，首先要考虑选用何种冷源。传统的混合通风可以采用中央冷水机组也可以采用其他形式的冷源，比如分体式空调，VRV系统、单元式空调机组、直接蒸发式制冷机等等。选用何种主机与初投资和运行费用的多少有直接关系。对于小型空调系统，直接蒸发制冷设备总是比冷水机组便宜，但是中大型工程这方面的费用比较接近。运行费用通常与空气处理方法有关，当然还与采用何种主机及其运行有关。置换通风适用于采用冷水机组提供冷源的空调方式，若是用其他冷源形式一般不考虑采用置换通风。置换通风要求的送风温度较高，冷水机组可以利用三通控制阀提供可变的换热盘管温度，因此采用这种设备稳定性好。相反，直接蒸发制冷设备，具有固定的换热盘管温度，就算是采用多个压缩机，盘管温度也只能分档调节。置换通风要求采用冷水机组，因此从经济性方面考虑，置换通风不适用于小型的空调系统。对于大中型系统，当初投资对业主来说是非常重要的考虑因素时，也应认真考虑。4.2置换通风适用性举例下面的例子方便我们了解何种情况下采用或不采用置换通风。例1：顶部布置灯光的高大空间（通常6m以上）电视演播厅[7]此例要求在人员活动区，即2m以内保持舒适性空调标准，送风方式可采用下送风的置换通风形式，也可采用上送风的混合通风形式。该例很利于采用置换通风的空调方式：（1）房间足够高（大于2.5m），容易产生置换效果；（2）2m以上的温度梯度不太重要，只需保证2m以内人员活动区维持较低的温度梯度；（3）从顶部排风，可以减少冷负荷；（4）噪音很容易控制。电视演播室采用置换通风的优点是相当大的。灯光负荷不会扩散至人员活动区，散热甚至可直接由排风带走。演播室在全年许多时间可以通过换热器或其他热回收装置利用室外空气“免费供冷”，特别对于干、湿球温度仅在夏季增加的地区更有利。这样，置换通风的制冷主机装机容量就比混合通风的制冷主机装机容量小。这种情形采用混合通风的劣势表现在：（1）需要更大的冷却能力和主机，相应地要增加运行费用；（2）送风和噪音控制更难预料，因为，为使风能送至人员活动区和克服垂直高度的影响，出风口送风速度较大。送风口速度较大会产生噪声，有些情况下，由于出口速度太大，噪声水平很难削弱。例2：2.3米层高的小房间此例房间的高度不足以产生置换效果，采用置换通风没有优势。由于置换通风送风温度高，这就需要比混合通风更大的送风量。另外，天花高度有限，下部送风气流很可能形成与混合通风相同的气流组织。例3：3m层高，负荷随季节变化的中等尺寸房间该例中装机容量和送风量与混合通风大致相同，但是置换通风需要冷水机组提供冷源。如果混合通风同样采用冷水机组，从经济性方面考虑两者投资大致相同，但置换通风提供更好的空气品质。例4：人员密度高，座位固定的大型剧院此例建筑空间足够高，可以产生置换效果，还可以直接排除顶部的部分灯光、设备热源。但需注意，只有把座位部分的温度梯度控制在一定范围，才能保证人员区域的舒适性。此例像高大的电视演播厅一样，采用置换通风的优点是很明显的。置换通风提供座位人员舒适环境，但是对于高人员密度的剧院，置换通风提供的冷量可能不够，需要增加相应的混合通风空调方式。目前，国内的上海大剧院就同时采用了座椅下送风的置换通风和楼层局部诱导送风和包厢的局部上送风的送风体系[8].上述简化的例子，可以帮助设计人员和业主了解到何种情况下适用于置换通风或不适用。设计置换通风还是混合通风，应该从经济性、舒适性、节约能源等方面详细分析，综合考虑。5结论本文分析了空调系统节能和舒适性空调系统的意义，提出了舒适性空调系统应该是节能、环保、健康的空调系统的观点，阐述了置换通风的概念、基本原理、基本特征。提出了置换通风新型末端装置研究、开发的技术思路。对置换通风的适用性问题，进行了举例分析。通过分析，我们得到如下结论：（1）置换通风是一种高舒适性的空调系统。由于送风速度低，紊流度低，不产生吹风感，因此舒适性很高；新鲜空气先经过人员活动区，污染物随热气流上升后排出，所以能提供良好的空气品质。（2）置换通风是一种节能的空调方式。只需在工作区保证设计参数，送风温度高，相对混合通风，可以减少冷负荷，特别对于高大空间建筑物，此特点更明显；可以方便的利用低品位能源、利用自然通风供冷。（3）热力分层的产生，存在垂直方向的温度梯度，需要在人员活动区控制温度梯度，一般应保持在3℃以内，温差太大则降低了舒适性；同时要保证一定的送风量，使热力分层“分界高度”大于人员活动区，保证人员处于清洁区。（4）置换通风送风温度不能太低的限制，使得送风量增大，输运空气管路增大，输运动力增加，不利于经济性。可以开发新型末端装置来解决此问题。新型末端装置可以借鉴诱导通风的原理，提高一次风送风温差，在送至室内之前，或在人员活动区将一次风与室内空气混合，提高送风温度；可以采用强化传热技术，使得室内空气在人员活动区迅速分布均匀，减少温度梯度。（5）置换通风的冷源一般考虑中央冷水机组。（6）从经济性方面考虑，置换通风更适用于大中型空调系统。（7）在层高大于3米时，置换通风的优点更明显。置换通风不适用于层高小于2.5米的房间。置换通风在舒适性、良好的空气品质和节能效果等方面有相当的优越性，随着人们对置换通风研究的深入，空调设计人员、业主对其的进一步了解，末端装置和新产品的不断改进、开发、应用，其应用价值将得到充分体现。