赵启月-置换通风与其他空调技术的联合应用

1置换通风与其他空调技术的联合应用置换通风与其他空调技术的联合应用赵启月1（1. 长安大学环境科学与工程学院 西安 710054）摘要：本文从分析置换通风的优缺点出发，引出了将置换通风和冷却顶板，地板辐射供冷以及蒸发式冷却相结合的几种新型的空调方式，并且分析了这几种新的空调方式的特点，以及近年来研究人员对于这几种空调方式的开发研究成果，以及在研究过程中存在的问题。为置换通风技术的进一步发展提供了可靠的依据，也为将来人们对这几种空调方式的研究提供了方向。关键词：置换通风，冷却顶板，地板辐射供冷，蒸发冷却Combination of Displacement ventilation and other air-conditioning technologyAbstract: Several new air-conditioning mode of the combination of the displacement ventilation and cooling, roof, radiant floor cooling and evaporative cooling are analyzed in this paper based on the advantages and disadvantages of starting displacement ventilation, and the characteristics of these new air-conditioning means are also discussed. And the researches, development achievements and problems are also pointed out in the recent years research. All these conclusions provide a reliable basis for the further development of displacement ventilation technology, and guide the way that people research these different kinds of air- conditioning in the future. Key words: displacement ventilation; cooling roof; radiant floor cooling; evaporative cooling0 引言 近年来，节能减排已经成为人们生活中很受关注的话题，于是置换通风就应运而生了。近几年这项技术已经得到了很大的完善，已经被应用到了很多的实际工程中，而且越来越受设计人员和业主的高度重视。随之也出现了把置换通风技术和其他的空调技术相结合的更为先进的技术。本文就介绍了几种目前应用比较普遍的将置换通风和其他技术相结合的新技术。比如置换通风与冷却顶板的结合应用，置换通风与辐射地板的结合以及置换通风与蒸发冷却技术的结合。作者：赵启月（1982） ，女，2005 年毕业于长安大学建筑环境与设备工程专业，在读硕士21 置换通风的概念 1.1 置换通风的工作原理置换通风是依靠密度差所产生的压差为动力来实现室内空气的置换。置换通风的送风分布靠近地板，送风速度一般为 0.25m/s 左右，送风动量低，使得送风气流与室内空气的掺混量很小，送风温差一般为 2-4。送入的较冷新鲜空气因密度大在重力作用下先是下沉，随后慢慢扩散，在地板上某一高度内形成一个洁净的空气湖，当遇到热源时，它被加热，以自然对流的形式慢慢升起。室内热污染源产生的热浊气流在浮升力作用下上升，并不断卷吸周围空气，在热浊气流上升过程中的卷吸作用和后续新风的“推动”作用以及排风口的“抽吸”作用下，覆盖在地板上方的新鲜空气也缓慢向上移动形成活塞流。同时污染物也被携带向房间的上部或侧上部移动，脱离人的停留区，最后将余热和污染物由排风口直接排出。在这种情况下，排风的空气温度高于室内工作温度。置换通风的主导气流是由室内热源所控制1。见下图 1 所示图图1 置换通风示意图置换通风示意图1.2 置换通风的优缺点置换通风有很多的优点，但是也存在一些问题如下2：（1）优点：节能。置换通风以较低的速度把新鲜清洁的冷空气从房间下部送入。气流以类似层流的活塞流的状态缓慢向上移动，到达一定高度后，由3于受热源和顶板的影响，发生紊流现象，产生紊流区，然后从上部开口排出。室内空气品质好。新鲜清洁的冷空气先经过人的呼吸区，然后排出，通风有效性好。（2）不足之处。由于它一般用来提供冷风，并且送风温差和送风速度都会受到一定的限制，不宜太大，如果在房间下部送风温差太大，就会存在明显的温度梯度，容易使人产生脚凉头暖的不适感；如果送风速度太大则容易使人产生吹风感。因此，由于送风温差和速度两个条件的限制，使得置换通风提供的冷量就相对较小。2 置换通风与其他空调技术的结合应用置换通风以其自身的优点，加之其本身存在的缺点结合目前比较普遍的一些空调方式，形成了新的改善室内环境的空调方式。2.1 置换通风与冷却顶板的混合系统 2.1.1 冷却顶板系统顶板供冷于20世纪70年代起源于欧洲，冷水通过布置在顶板内的冷水管形成辐射板，通过对流和辐射，并以辐射为主的方式直接与室内环境进行换热，具有低运行费用，高舒适性，无吹风感和噪音、节省建筑空间等优点。 对于置换通风与冷却顶板相结合的技术很多学者已经做出了研究6。宾夕法尼亚州立大学的Atila Novoselac对冷却顶板置换通风在美国的设计和应用进行了研究，天津大学的朱能研究了在置换通风与冷却顶板结合的空调系统中，各种参数对人体热舒适性的影响，提出基于人体热舒适性要求最合适的设计值。还分析IS07730标准所依据的热舒适性模型在置换通风与冷却顶板系统中的适用性 。天津大学的那艳玲用CFD的方法对单独置换通风和加冷却顶板的置换通风系统进行了模拟对比，模拟结果表明，冷却顶板置换通风系统可以减少室内温度梯度，提高人体热舒适性4。2.1.2 置换通风与冷却顶板混合系统置换通风冷却顶板混合系统是在不破坏置换通风气流组织的情况下，结合冷却顶板的热舒适优势的一种新型空调系统，见下图2所示。该系统的主要特点是5：（1）冷却和通风的任务分开，室内空气品质好，通风效率高；（2）通过对流和辐射两种方式来消除余热，降低室内垂直温差，提高较好4的热舒适性；（3）在人员活动区，风量尽量的少，风速尽可能的低，避免吹风感；（4）能耗低；（5）有效利用建筑空间。2.1.3 置换通风与冷却顶板混合系统的节能优势置换通风与冷却顶板的混合系统有着很多的优点，尤其是在节能方面：(1)送风量的减少。置换通风冷却顶板混合系统设计思路是将消除显热负荷同湿负荷相分离与常规空调系统相比，置换通风冷却顶板混合系统可以节省风机能耗7080。(2)低品位能源的利用。(3)高辐射性降低平均辐射温度减少了系统能耗。图图2 置换通风与冷却顶板混合系统示意图置换通风与冷却顶板混合系统示意图2.2 置换通风与辐射地板的应用 2.2.1 地板辐射对地板供冷的研究起源于欧洲，以法国为主，在20世纪90年代末，欧洲就已经开始进行地板供冷的理论和实际应用探讨。辐射供冷具有直接、高效、舒适等优点，近年来得到了广泛关注，而地板辐射供冷加置换通风空调方式是一种很具有应用前景的空调方式。据相关研究表明，置换通风具有增强地面与室内的对流换热效果的作用，使用这一复合系统时，地面与室内空气的对流换热系数高出单独使用地板供冷时约45，导致总换热系数高约30，也就是说，温差相同时，复合系统的供冷能力要高约307 。2.2.2 地板辐射供冷与置换通风结合式系统地板辐射供冷系统的热交换主要通过辐射方式进行，通入冷水降低地面的温度，增强地面与其它围护结构和室内物体之间的辐射换热，降低内墙和其它物体表面的温度，从而增加人体与周围围护结构的辐射换热量。在单一地板辐射供冷系统中，空气温度的下降主要通过地板以及其它内墙之间的自然对流进5行换热，且辐射供冷无法除去室内余湿，当室内余湿较大或人在室内停留时间较长时，会感觉闷热。对于此系统，当供水温度较低或室内湿度较高时，地板表面温度低于地板附近空气露点温度，地板表面容易出现结露现象。在地板辐射供冷系统基础上加以置换通风。如图3所示。2.2.3 地板辐射供冷与置换通风系统的特点 地板辐射供冷与置换通风系统有以下三方面作用。（1）阻止结露现象的发生。置换通风的引入可以在地板表面形成一层空气湖，阻止热湿空气与低温地板直接接触，从而防止结露现象的发生。（2）置换通风系统可以承担部分室内显热负荷，弥补单一地板辐射供冷系统供冷能力不足的缺陷，同时降低室内空气湿度，提高热舒适性，结合引入全新风或部分新风，又可满足室内卫生要求。（3）通过置换通风系统送人的冷风可增强地面与室内空气的对流换热。数据表明，使用该复合式系统地面与室内空气的对流换热系数高出单独使用地板辐射供冷系统约45，导致总换热量高出30。此外，通过湖南大学土木学院余院生等人做的对于地板辐射供冷与置换通风空调房间热环境的模拟与分析9，可看出，地板辐射供冷与置换通风空调系统中，相同的送风状态下，地板表面温度的变化对室内的温度、相对湿度的变化比较明显；室内也能达到较为理想的热舒适环境。图图 3 地板供冷置换通风复合系统示意图地板供冷置换通风复合系统示意图2.3 直接蒸发冷却与置换通风系统的结合 2.3.1 直接蒸发冷却技术10直接蒸发冷却是指利用循环水在填料中直接与空气充分接触，由于填料中水膜表面的水蒸气分压力高于空气中的水蒸气分压力，这种自然的压力差成为水蒸发的动力。水的蒸发使得空气和水的温度都降低，而空气的含湿量增加，6空气的显热转化为潜热，是等焓降温过程。蒸发冷却技术以水作为制冷剂和CFCs的替代品从而大大减少温室气体的排放和对大气的污染；节约能源，简化管理，简单而且易于使用；经济实惠，初投资和运行维护费用较低，是最廉价的人工制冷方式，非常适合世界上一些发展中国家和地区；提高室内空气品质，满足人们舒适性需要。因此，在全世界，尤其是我国使用蒸发冷却技术的潜力很大，人们对蒸发冷却技术的这些优点也越来越感兴趣。2.3.2 蒸发冷却技术的优缺点11在研究蒸发冷却技术的过程中发现了该系统的优点和不足如下：（1）优点：环保，制冷剂是水，不存在破坏臭氧层问题；蒸发冷却COP大，节省压缩功耗，节能；使用时间长，便于维修，无水管，设备简单，成本低，特别过渡季节能耗少；对既要加湿又要降温地区有独特优势，如马铃薯库，人工香菇、鸡舍；属全新气空调系统，提升室内空气品质，消除军团菌威胁。（2）缺点：非干旱地区不能直接应用；单元式蒸发冷却系统导致室内湿度过高；由于用冷空气来冷却室内，系统风量大，风道占用空间大，不灵活；不利于末端多房间分别控制。2.3.3 蒸发冷却与置换通风复合空调系统 在节能降耗与污染减排成为全国以至全球关注的问题的时候，鉴于单纯的蒸发冷却技术自身的优缺点，一种新的方式蒸发冷却与置换通风复合空调系统出现了。置换通风是一种通风效率高，室内空气品质好的通风方式8。目前，从置换通风的应用情况看，置换通风系统设有回风装置，为了获得比排风温度低的空气，一些回风装置设置在排风口的下端，然而这样却改变了真正的置换通风流态。蒸发冷却空调技术是一种节能、环保、经济和可提高室内空气品质的冷却方式9。由空气蒸发冷却器与空气输送及分配系统所构成的蒸发冷却空调系统，实际上也是一种直流式（全新风）空调系统。所以，将置换通风与蒸发冷却结合起来使用，不仅可以保证置换通风流态，还可以节约能源，提高室内空气品质。根据西安工程大学的黄翔等人的研究发现12，把蒸发冷却技术和置换通风7结合起来，通过体育馆建筑实际测试，得知送风速度在0.25 m/s 左右，坐姿时人