閱讀 3716 次 低溫送風(fēng)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)

 

 

程念慶¹  施捷² 秦鵬³

（1．西部建筑抗震勘察設(shè)計(jì)研究院，陜西西安，710054）

   （2．中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西西安，710061）

（3.  西安探礦機(jī)械廠，陜西西安，710065）

中圖分類號(hào)：TU831.6

Economical Assessment of cold air distribution system

Nianqing Cheng    Jie Shi

Abstract  Summarizing development and investigation in cold air distribution system which is always combined with ice storage systems. It is found that one important research orientation on cold air distribution system is economical efficiency evaluation and put forward some relevant factors which have influence on economical efficiency of cold air distribution system.. The economical evaluation mainly depends on parameters of indoor air, supply air temperature and selection of outlet. The influence of less economizer cycle’s operating times due to using cold air distribution systems on annual economical efficiency of air-conditioning system was analyzed. Then , some directions of investigation in the future was given.

Keywords  cold air distribution systems, economical efficiency, energy consumption,

           Economizer cycle

     低溫送風(fēng)空調(diào)方式是在蓄冷技術(shù)的發(fā)展下帶動(dòng)起來的空調(diào)技術(shù),其原理是利用從蓄冰槽獲得的1~4℃的冷介質(zhì)(冷凍水或乙二醇水溶液)經(jīng)空調(diào)機(jī)組的表冷器換熱來獲得4~10℃的低溫一次風(fēng)，以區(qū)別于一次風(fēng)為13℃的常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)。由于送風(fēng)溫度的降低，與常規(guī)空調(diào)相比，低溫送風(fēng)空調(diào)方式在設(shè)計(jì)方法、設(shè)備選型、通風(fēng)及舒適性以及經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)方面都產(chǎn)生了一些新的研究課題。

 

     低溫送風(fēng)并非新技術(shù)，早期的低溫送風(fēng)主要用在濕度控制工程中，長期以來一直采用4℃或低于4℃的送風(fēng)溫度。五十年代在許多住宅與小型商業(yè)建筑中加裝空調(diào)，由于建筑空間所限，采用9℃送風(fēng)溫度，利用當(dāng)量直徑89mm的風(fēng)管裝在木柱隔墻上，并用高速射流散流器使冷風(fēng)與室內(nèi)空氣在進(jìn)入房間的很短距離內(nèi)混合。許多醫(yī)院六十年代就設(shè)計(jì)用2~4℃的一次風(fēng)向定風(fēng)量房間進(jìn)行誘導(dǎo)送風(fēng)。到了八十年代，為了平衡電網(wǎng)峰谷負(fù)荷，合理分配有限的電力資源，在美國的各大電力公司采取優(yōu)惠政策鼓勵(lì)建筑業(yè)主采用蓄冷系統(tǒng)以達(dá)到“移峰填谷”的目的。這些優(yōu)惠政策包括更大峰谷電價(jià)差，甚至可以得到電力公司更多的回扣作為獎(jiǎng)勵(lì)。由此，蓄冷技術(shù)在歐美國家蓬勃興起。

 

    單純的冰蓄冷雖然可以起到“移峰填谷”的作用，運(yùn)行費(fèi)似乎比常規(guī)冷源更節(jié)省，但龐大且控制復(fù)雜的蓄冷系統(tǒng)使冷源的初投資比常規(guī)冷源高1.6~2倍，制冷機(jī)的實(shí)際能耗也要高出1.3倍^〔9〕。所以，從真正節(jié)能的角度冰蓄冷的高能耗高投資必須由低溫送風(fēng)的低能耗低投資來彌補(bǔ)，低溫送風(fēng)主要有以下優(yōu)點(diǎn)：

 

    1、從空調(diào)系統(tǒng)及建筑結(jié)構(gòu)上考慮，節(jié)省了初投資。這緣自更小的空氣處理設(shè)備，更小的風(fēng)管，對(duì)建筑的層高要求降低。所有這些結(jié)合起來常常能抵消由于采用蓄冷系統(tǒng)而增加的初投資。

    2、由于風(fēng)系統(tǒng)和冷凍水系統(tǒng)都是大溫差換熱，使風(fēng)機(jī)和水泵的功率大大減少，節(jié)省了運(yùn)行電費(fèi)。

    3、低溫送風(fēng)系統(tǒng)有更強(qiáng)的除濕能力，在給定的溫度下，減濕可使人感覺更涼爽和舒適。

    冰蓄冷和低溫送風(fēng)相結(jié)合可以優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，從上世紀(jì)八十年代末至今，低溫送風(fēng)系統(tǒng)已被大量地應(yīng)用于民用及商業(yè)建筑。

    由于低溫送風(fēng)系統(tǒng)實(shí)際上就是大溫差送風(fēng)，這與國內(nèi)國外現(xiàn)行的舒適性空調(diào)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范所規(guī)定的10~15℃的送風(fēng)溫差相矛盾，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法在許多方面已不再適用于低溫送風(fēng)系統(tǒng)，針對(duì)在實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)的問題，吸引了大批的學(xué)者對(duì)低溫送風(fēng)空調(diào)進(jìn)行理論和實(shí)驗(yàn)研究。研究的焦點(diǎn)主要集中在經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)和通風(fēng)及舒適性評(píng)價(jià)兩個(gè)大的方面。

 

    低溫送風(fēng)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性主要表現(xiàn)在初投資低，運(yùn)行費(fèi)用省。實(shí)際上，低溫送風(fēng)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性并不能就此簡(jiǎn)單地概括，因?yàn)檎嬲��?jīng)濟(jì)的低溫送風(fēng)系統(tǒng)與許多因素有關(guān)。

 

    2.1室內(nèi)參數(shù)及送風(fēng)溫度的選擇

    由于低溫送風(fēng)系統(tǒng)可使室內(nèi)相對(duì)濕度低至30~40%，按照ASHRAE推薦的焓濕圖上的等效舒適區(qū)范圍，在低濕環(huán)境下將室內(nèi)干球溫度設(shè)定點(diǎn)提高1~2℃給人的熱感覺將與常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)的室內(nèi)溫濕度設(shè)定點(diǎn)相當(dāng)。這可以減少一部分顯熱負(fù)荷，且依據(jù)以上概念，可以按照回風(fēng)的露點(diǎn)溫度來設(shè)定房間的干球溫度，這樣可以比定干球溫度控制法更舒適且節(jié)能。

 

    低溫送風(fēng)系統(tǒng)的送風(fēng)溫度的選擇范圍較廣（4~11℃），文獻(xiàn)（1）認(rèn)為按送風(fēng)溫度的不同可以分成三類：（1）高低溫送風(fēng)系統(tǒng)（9℃≤t₁≤11℃）；（2）中低溫送風(fēng)系統(tǒng)　　（5℃≤t₁＜9℃）；（3）超低溫送風(fēng)系統(tǒng)（t₁＜5℃）。各自的特點(diǎn)如表1所示。

 

    隨著送風(fēng)溫度的降低，決定初投資和運(yùn)行費(fèi)的因素是相互制約的，其關(guān)系可用以下的關(guān)系圖表示。

    單純從經(jīng)濟(jì)性方面考慮，并兼顧舒適性和安全性，文獻(xiàn)〔1〕認(rèn)為采用6~8℃的送風(fēng)溫度是最經(jīng)濟(jì)的。

 

    2.2 末端送風(fēng)方式的選擇

    低溫送風(fēng)系統(tǒng)所采用的末端送風(fēng)方式包括兩大類，即直接式送風(fēng)和混合式送風(fēng)。直接式送風(fēng)方式就是把低溫一次風(fēng)直接送入室內(nèi)，靠較大的出口動(dòng)能在較短的距離內(nèi)卷吸大量的室內(nèi)空氣以使工作區(qū)達(dá)到所要求的通風(fēng)及舒適度。這種送風(fēng)方式使散流器在低溫下工作，為防結(jié)露應(yīng)使用低溫送風(fēng)專用散流器。直接送風(fēng)又分為每個(gè)散流器自帶變風(fēng)量元件和幾個(gè)風(fēng)口共用一個(gè)變風(fēng)量控制箱兩種方式。混合式送風(fēng)就是用以風(fēng)機(jī)為動(dòng)力的混合箱把一次冷風(fēng)在抵達(dá)散流器之前與房間里的循環(huán)風(fēng)混合。采用這種方式，散流器的工作溫度與常規(guī)空調(diào)一樣。不必?fù)?dān)心結(jié)露。混合式送風(fēng)又分為三種，即串聯(lián)式混合箱、并聯(lián)式混合箱及誘導(dǎo)式混合箱。

    

    從經(jīng)濟(jì)性的角度分析，連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的串聯(lián)混合箱的能耗是最大的，風(fēng)機(jī)間歇運(yùn)轉(zhuǎn)的并聯(lián)式混合箱次之，最節(jié)能的送風(fēng)方式是直接送風(fēng)。Dorgan等人^〔4〕1990年對(duì)一個(gè)用冷季節(jié)的實(shí)測(cè)表明，低溫送風(fēng)系統(tǒng)的一次風(fēng)風(fēng)機(jī)的用電量只是常規(guī)系統(tǒng)的66%，而由于采用風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的串聯(lián)混合箱，低溫送風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)能耗反而比常規(guī)系統(tǒng)高39%。Elleson等人^〔7〕1993年通過對(duì)兩幢建筑物分別采用連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的串聯(lián)混合箱、間歇運(yùn)轉(zhuǎn)的并聯(lián)混合箱及直接送風(fēng)方式的7.2℃低溫送風(fēng)系統(tǒng)與12.7℃的常規(guī)系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)能耗進(jìn)行了比較，結(jié)果列于表2中。

Tab1 Classify and Characteristics of Cold Air Distribution Systems

分   類   項(xiàng)   目	高低溫送風(fēng)	中低溫送風(fēng)	超低溫送風(fēng)
冷凍水溫升	11.6~12.7℃ (8~10排冷盤管)	13.3~16.6℃ (8~10排冷盤管)	＞16.6℃ (10~12排冷盤管)
送風(fēng)末端	可采用常規(guī)變風(fēng)量末端	用風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的混合箱或高誘導(dǎo)比的末端	用風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的混合箱或高誘導(dǎo)比的末端
風(fēng)機(jī)	可減少10~15%的功率	節(jié)省20~30%功率,空氣處理設(shè)備外形尺寸減少20~30%
風(fēng)管	尺寸減少20%	尺寸減少30~36%
保冷	沒有特殊的保冷要求	對(duì)風(fēng)管和末端需額外的保冷要求	對(duì)風(fēng)管和末端需額外的保冷要求
防結(jié)露	和常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)一樣	需對(duì)末端風(fēng)口、水管閥門和所有風(fēng)管采取防結(jié)露措施	需對(duì)末端風(fēng)口、水管閥門和所有風(fēng)管采取防結(jié)露措施
室溫設(shè)定	可把室溫從23.8℃調(diào)高到24.4℃	可把室溫從23.8℃調(diào)高到25.2℃	可把室溫從23.8℃調(diào)高到26℃
建筑空間	節(jié)省不顯著	節(jié)省顯著	節(jié)省非常顯著

Tab2  Comparison of Fan Power Consumption（kW）

	末端形式	12.7℃送風(fēng)			7.2℃送風(fēng)
		空調(diào)送風(fēng)機(jī)	混合箱風(fēng)機(jī)	風(fēng)機(jī)總能耗	空調(diào)送風(fēng)機(jī)	混合箱風(fēng)機(jī)	風(fēng)機(jī)總能耗
A 建 筑	串聯(lián)混合箱				7794	7000	14794
	并聯(lián)混合箱				7794	2140	9934
	直接送風(fēng)	11720	0	11720	8417	0	8417
B 建 筑	串聯(lián)混合箱				3569	8940	12509
	并聯(lián)混合箱				3926	1816	5742
	直接送風(fēng)	5889	0	5889	4240	0	4240

 

    此項(xiàng)研究表明連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的串聯(lián)式混合箱占低溫送風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)機(jī)能耗的主要部分，這主要是由于混合箱風(fēng)機(jī)的效率不高且大部分時(shí)間在部分負(fù)荷下運(yùn)轉(zhuǎn)，根據(jù)國外四個(gè)此類混合箱生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品數(shù)據(jù)，一般風(fēng)機(jī)效率為30%，電機(jī)效率為50%，則混合箱的風(fēng)機(jī)總效率只有15%，這是串聯(lián)式混合箱高能耗的主要原因。由上表可以看出連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的串聯(lián)混合箱風(fēng)機(jī)能耗的增加量總是大于由于送風(fēng)溫度的降低而引起的空調(diào)機(jī)組風(fēng)機(jī)能耗的減少量，混合箱送風(fēng)方式可以保證室內(nèi)始終有較好的氣流分布和舒適度，所以應(yīng)有較為普遍，然而，如果節(jié)能是我們的目的，那么就應(yīng)該尋找可以替換這種方式的其它方式，直接送風(fēng)方式應(yīng)是首選^〔6〕。

 

    2.3 全年運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性

    全年運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性與省能器循環(huán)有很大關(guān)系，所謂省能器循環(huán)是當(dāng)室外空氣的焓值低于回風(fēng)時(shí)，用室外風(fēng)替代回風(fēng)送至冷卻盤管，這將使機(jī)械制冷的用能要求降低。具有與回風(fēng)相同焓值的室外溫度稱為“轉(zhuǎn)換溫度”。由于低溫送風(fēng)系統(tǒng)的回風(fēng)具有較低的濕度，所以焓值較低，即對(duì)應(yīng)的室外轉(zhuǎn)換溫度就低，當(dāng)室外空氣的干球溫度在7.2℃和15.5℃之間變化時(shí)，常規(guī)空調(diào)完全可由室外空氣來滿足整個(gè)負(fù)荷需要，而低溫送風(fēng)系統(tǒng)還必須利用機(jī)械制冷來達(dá)到其送風(fēng)溫度設(shè)定點(diǎn)，這就使低溫送風(fēng)系統(tǒng)全年運(yùn)行費(fèi)有所增加。

    

    室外氣候條件是影響省能器循環(huán)的主要因素，DL.Catanese針對(duì)美國不同的氣候條件，選擇了七個(gè)城市，使用一個(gè)建筑物單位小時(shí)耗能分析程序比較了使用常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)和低溫送風(fēng)系統(tǒng)全年運(yùn)行費(fèi)，得到的結(jié)論是：由于全年省能器循環(huán)日數(shù)的減少而導(dǎo)致的冷風(fēng)分布系統(tǒng)全年能耗的增加是對(duì)不同氣候條件其增幅是不同的，對(duì)于干燥地區(qū)這個(gè)增幅是最大的，而對(duì)這種地區(qū)，由于全年風(fēng)機(jī)在全負(fù)荷下運(yùn)行的時(shí)間也最長，所以用低溫送風(fēng)系統(tǒng)節(jié)省的風(fēng)機(jī)能耗可以抵消這部分能耗的增加。

 

    低溫送風(fēng)技術(shù)在美國已相當(dāng)成熟，多數(shù)研究成果也主要來自美國的研究機(jī)構(gòu)，比如文獻(xiàn)〔1〕是至今公認(rèn)的最權(quán)威的一部介紹低溫送風(fēng)空調(diào)的設(shè)計(jì)指南。除了學(xué)術(shù)研究，美國的低溫送風(fēng)空調(diào)在工程實(shí)際中的應(yīng)用也較為廣泛且靈活。英國由于電力部門在電價(jià)結(jié)構(gòu)上優(yōu)惠力度不大，使蓄冰技術(shù)在其國內(nèi)的推廣受到限制，所以低溫送風(fēng)在英國并末引起足夠的關(guān)注。在日本，通過經(jīng)濟(jì)性分析已經(jīng)肯定了低溫送風(fēng)系統(tǒng)可以節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用，但公開的研究報(bào)告很少。我國在引進(jìn)消化國外低溫送風(fēng)技術(shù)的同時(shí)，也進(jìn)行了相關(guān)課題的研究和工程實(shí)踐，其中湖南大學(xué)的殷平教授在此領(lǐng)域已取得了有說服力的研究成果。

 

    雖然對(duì)低溫送風(fēng)的研究成果已相當(dāng)豐富，但作為一項(xiàng)空調(diào)新技術(shù)，尚有許多方面值得繼續(xù)深入研究。

    1.低溫送風(fēng)空調(diào)的經(jīng)濟(jì)性分析僅限于簡(jiǎn)化分析法，這使得理論分析結(jié)果和實(shí)際出入較大，提出一個(gè)即簡(jiǎn)單又準(zhǔn)確的分析方法是值得深入研究的。

    2.低溫送風(fēng)空調(diào)的全年運(yùn)行費(fèi)的節(jié)省由于省能器循環(huán)日數(shù)的減少而大打折扣，為更好地評(píng)價(jià)低溫送風(fēng)系統(tǒng)全年運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，省能器循環(huán)和室外氣象參數(shù)之間的關(guān)系還需量化和明確。具體的作法是：根據(jù)所收集的多年全國各地的氣象數(shù)據(jù)，歸納總結(jié)出室外焓值全年的變化規(guī)律，并期望得到全國各氣候分區(qū)室外焓值的分布頻率，再由設(shè)定好的省能器循環(huán)的轉(zhuǎn)換焓值及相應(yīng)的控制策略，得到全國哪些地區(qū)適合采用低溫送風(fēng)系統(tǒng)；哪些地方不適用。以指導(dǎo)低溫送風(fēng)系統(tǒng)在我國的正確推廣。

 

    低溫送風(fēng)空調(diào)在經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)方面的研究已取得了豐富的研究成果，為了更好地推廣低溫送風(fēng)空調(diào)并拓展其應(yīng)用領(lǐng)域，在系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性分析方法和有關(guān)省能器循環(huán)對(duì)全年運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性影響兩個(gè)方面還應(yīng)繼續(xù)深入研究。

 

1.Dorgan.C.E， Elleson.J.S．Cold air distribution〔J〕． ASHRAE Trans, 1988, 27(3):2008~2024

2.Berglund. L.g．Comfort benefits for summer air conditioning with ice storage〔J〕． ASHRAE Trans,1991, 15(2)：843~846

3.Catanses.D.L． An energy analysis of low-temperature air distribution systems and reduced economizer-cycle cooling〔J〕． ASHRAE Trans, 1991, 15(13) ：848~853

4.Elleson J.S． High-quality air conditioning with cold air distribution〔J〕．ASHRAE Trans, 1991,15（1）：839~842

5.Landry C.M.，Noble.C.D．Case study of cost-effective low-temperature air distribution ice thermal storage〔J〕．ASHRAE Trans, 1991,15(4)：854~859

6.Knebel D.E，D.A.John．Cold air distribution,application,and field evaluation of a nozzle-type diffuser〔J〕．ASHRAE Trans, 1993,17(2)：1337~1348

7.Elleson J.S．Energy use of fan-powered mixing boxes with cold air distribution〔J〕． ASHRAE Trans, 1993,17(3)：1349~1358

8.ASHRAE,1999,ASHRAE Handbook-Fundamentals, Atlanta: ASHRAE.Inc

9.汪訓(xùn)昌譯，低溫送風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)指南〔Ｍ〕，北京：建筑工業(yè)出版社，1998

10.殷平，空調(diào)大溫差研究（1）：經(jīng)濟(jì)分析方法，暖通空調(diào)〔J〕．2000，Vol30（4）：62~66

11.殷平，空調(diào)大溫差研究（2）：空調(diào)大溫差送風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法〔J〕，暖通空調(diào)，2000，Vol30（5）：63~66

12.殷平，空調(diào)大溫差研究（3）：空調(diào)送風(fēng)大溫差經(jīng)濟(jì)分析〔J〕．暖通空調(diào)，2000，Vol30（6）：75~76