基于建筑大廳冬季空調(diào)冬季供暖實(shí)測分析

基于建筑大廳冬季空調(diào)冬季供暖實(shí)測分析

0氣流組織的要求隨著生活質(zhì)量的提高，大型建筑，如展廳、公共建筑中央花園、門廳等，隨著生活質(zhì)量的提高，越來越多的大型房間建筑，如展廳、公共浴室、門廳等。由于空間面積大、人員密集，大型建筑的冷熱負(fù)荷大、空調(diào)能耗高。但實(shí)際活動區(qū)域達(dá)到舒適性要求的空調(diào)冷熱負(fù)荷占總負(fù)荷的比例較小,大部分冷熱負(fù)荷浪費(fèi)在非空調(diào)區(qū)域。尤其是在冬季空調(diào)供暖的過程中,由于熱空氣的浮力作用,熱量大部分消耗在大空間建筑的上部,整個空間下冷上熱,高大空間冬季供暖效果不易保證。國內(nèi)外許多學(xué)者做過大空間建筑室內(nèi)熱環(huán)境的模擬研究,通過合理的氣流組織形式達(dá)到降低能耗和滿足舒適性要求的目的。但在實(shí)際工程中,影響高大空間建筑供暖效果的因素很多,使得實(shí)際空調(diào)供暖效果并不能達(dá)到理論或設(shè)計值的要求。合理的氣流組織應(yīng)該是既能滿足工作區(qū)舒適性要求,又能降低空調(diào)能耗。有關(guān)文獻(xiàn)指出,分層空調(diào)與全室空調(diào)相比,最大可節(jié)省冷量14%-50%,因此,本文通過對采用分層空調(diào)的住院樓大廳、門診樓大廳和采用全室空調(diào)的辦公大廳進(jìn)行了冬季工況的空調(diào)供暖運(yùn)行效果的實(shí)測,分析對比兩種氣流組織方式的能耗,并找出影響冬季空調(diào)供暖效果的主要因素,為實(shí)際工程設(shè)計和大空間熱環(huán)境模擬做參考。1各類大空間建筑三個測試對象分別是某醫(yī)院住院樓大廳、某醫(yī)院門診樓大廳、某辦公樓大廳。這三個測試對象均屬于建筑門廳,是最常見的一類高大空間建筑。它們有著共同的特點(diǎn),如外維護(hù)結(jié)構(gòu)均為玻璃幕墻、空調(diào)負(fù)荷較大、體積大、空調(diào)冷負(fù)荷有效區(qū)域所占空間占整個空間的比例低等。但它們又有著不同的使用功能、層高、氣流組織方式和負(fù)荷特性。對其進(jìn)行詳細(xì)測試分析就對門廳類高大空間建筑空調(diào)系統(tǒng)側(cè)送分層空調(diào)和上送的全室空調(diào)的舒適性和能耗情況有了比較全面的認(rèn)識。1.1空調(diào)機(jī)組及噴口大廳作為出入住院樓的通道,進(jìn)出人員較少。建筑面積446m2,長:30m,寬:15m,高:7.5m。大廳采用一次回風(fēng)系統(tǒng),選用了一臺臥式空調(diào)機(jī)組,位于負(fù)一層空調(diào)機(jī)房內(nèi),24小時運(yùn)行。機(jī)組同時還擔(dān)負(fù)了與大廳相連的走道的負(fù)荷。空調(diào)機(jī)組參數(shù):風(fēng)量G=18000m3/h;制冷量Q冷=106kW;制熱量Q熱=167kW;機(jī)外余壓H=600Pa;功率N=11kW。大廳采用分層空調(diào)方式,12個球形噴口單側(cè)送風(fēng),噴嘴直徑174mm,單個噴口設(shè)計送風(fēng)量G=1166m3/h,送風(fēng)高度H=3.7m,送風(fēng)角度uf061=-10°,噴口間距B=2.5m?；仫L(fēng)口設(shè)于大廳右側(cè)墻體上。大廳頂部設(shè)置排風(fēng)系統(tǒng),冬季未開啟。1.2空調(diào)式回口空調(diào)系統(tǒng)該大廳連接掛號廳,取藥廳和各層診室。除中午以外人員密度較大。建筑面積734m2,長:30m,寬:24m,高23m。大廳采用一次回風(fēng)系統(tǒng)。選用了兩臺臥式空調(diào)機(jī)組,位于負(fù)一層左右兩側(cè)空調(diào)機(jī)房內(nèi),運(yùn)行時間為7:30-16:30,兩臺機(jī)組還擔(dān)負(fù)了與大廳相連掛號廳和取藥廳的負(fù)荷?？照{(diào)機(jī)組參數(shù):風(fēng)量G=33000m3/h;制冷量Q冷=300kW;制熱量Q熱=391kW;機(jī)外余壓H=650Pa;功率N=15kW。大廳采用分層空調(diào)方式,十六個球形噴口,兩側(cè)對噴。噴嘴直徑380mm,單個噴口設(shè)計送風(fēng)量G=1750m3/h,送風(fēng)高度H=3.2m,送風(fēng)角度uf061=-12°,風(fēng)口間距B=3.6m?；仫L(fēng)口位于大廳左右兩端側(cè)墻上。大廳頂部設(shè)置排風(fēng)系統(tǒng),未開啟。1.3空調(diào)機(jī)組和回口機(jī)組大廳靠墻區(qū)域?yàn)檗k公區(qū),中間為等候區(qū)。建筑面積706m2,長:38m,寬:18m,高5.5m。該大廳采用一次回風(fēng)系統(tǒng)。選用了四臺吊頂式空調(diào)機(jī)組,機(jī)組運(yùn)行時間為前一天23:00至第二天17:30?？照{(diào)機(jī)組參數(shù):風(fēng)量G=10000m3/h;制冷量Q冷=74kW;制熱量Q熱=110kW;機(jī)外余壓H=150Pa;功率N=2.2kW。大廳采用旋流風(fēng)口上送風(fēng)的全室空調(diào)方式,旋流風(fēng)口直徑350mm,單個風(fēng)口設(shè)計送風(fēng)量G=909m3/h,送風(fēng)高度H=5.5m,間距8.4m/3.6m。回風(fēng)口位于機(jī)組回風(fēng)箱底部。大廳頂部設(shè)置排風(fēng)系統(tǒng),未開啟。2測試2.1水平間隔位置(1)測試儀器、該儀器測試參數(shù)及所測參數(shù)意義見表1。(2)測點(diǎn)布置大廳1水平間隔1-2m布置一個測點(diǎn),垂直高度間隔1m布置一個測點(diǎn)。整個空間共布置224個測點(diǎn)。大廳2水平間隔1-2m布置一個測點(diǎn),垂直方向:每間隔一米布置一個測點(diǎn),共8個測點(diǎn),整個空間共布置112個測點(diǎn)。大廳3水平間隔1-2m布置一個測點(diǎn),垂直方向1m、2m、3m、3.5m、4m、4.5m、5m、5.2m處布置了測點(diǎn),整個空間共布置72個測點(diǎn)。2.2溫度場曲線熱電偶從一個點(diǎn)移動到另一個點(diǎn),有一段反應(yīng)時間,每個測點(diǎn)測量了三分鐘,通過記錄到達(dá)每個測點(diǎn)的時間,來區(qū)分各個測點(diǎn)的數(shù)據(jù)段。經(jīng)誤差分析后,計算出每個測點(diǎn)可用數(shù)據(jù)的算數(shù)平均值,然后繪制出溫度場速度場曲線。分層空調(diào)溫度場與速度場可用圓噴口多股平行非等溫射流公式(1-3)進(jìn)行理論計算,本文將測得的各參數(shù)帶入,與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較。式中,do為送風(fēng)口直徑,m;g為重力加速度,m/s2;T0為射流出口溫度,K;Tn為射流周圍空氣溫度,K;v0為射流出口速度,m/s;vx為射流斷面x處的射流軸心速度,m/s;x為射流斷面至送風(fēng)口的距離,m;uf061為噴口安裝角度;y為射流軌跡中心距風(fēng)口中心的垂直落差,m;h為距地面高度,m。輸入功率由公式2.4計算得出:式中,U為電壓,V;I為電流,A。3測試結(jié)果分析在得到了三個大廳各個時刻溫度場、速度場分布與能耗之后,對實(shí)際運(yùn)行效果和氣流分布規(guī)律以及能耗進(jìn)行了分析。3.1舒適性分析3.1.1垂直溫度分布某測試典型日的空氣參數(shù)見表2。噴口中心軸線溫度分布情況如圖1、圖2所示。取工作區(qū)高度為2m,工作區(qū)平均溫度11.6℃,沒有達(dá)到設(shè)計要求。工作區(qū)最大垂直溫差為1.74℃,滿足ASHRAE55-92標(biāo)注建議1.8-0.1m溫差不大于3℃要求。水平方向溫差為0.53℃,工作區(qū)溫度分布比較均勻。整個空間垂直溫度梯度0.63℃/m,其中供暖區(qū)垂直溫度梯度0.98℃/m。非供暖區(qū)垂直溫度梯度0.43℃/m。非供暖區(qū)平均溫度高于供暖區(qū)平均溫度2.77℃。從圖4可以看出,隨著送風(fēng)距離的增加,垂直方向溫度波動逐漸變小。1-4m射程內(nèi),從地面到屋頂,溫度呈現(xiàn)升高-降低-升高的變化趨勢,中間段測點(diǎn)溫度高于人員活動區(qū)和非供暖區(qū)溫度,這是由于測點(diǎn)經(jīng)過了送風(fēng)射流區(qū),而隨后溫度又降低是由于射流第二斷面前,射流還未出現(xiàn)向上飄逸現(xiàn)象,只是由于射流卷吸作用與周圍空氣進(jìn)行動量和熱量的交換,所以與送風(fēng)射流相比溫度下降很快。之后溫度又隨高度的增加而升高是由于射流末端熱氣流的上逸,燈光等作用,使熱量積聚在了房間上部造成的。8m射程開始垂直溫度隨高度的增加呈單調(diào)上升趨勢,大部分氣流流向上部空間。此時送風(fēng)射流已達(dá)到末端,起不到隔斷供暖區(qū)與非供暖區(qū)的作用。噴口核心和邊界層的溫度分布是不同的,風(fēng)口之間區(qū)域平均溫度11.1℃,與風(fēng)口中心區(qū)域接近,冬季工況分層空調(diào)整個工作區(qū)溫度分布是比較均勻的。空間垂直溫度梯度0.7℃/m,大于風(fēng)口中心區(qū)域,由此可見多股平行射流能否搭接形成隔斷空調(diào)區(qū)與非空調(diào)區(qū),阻止熱氣流上升的空氣幕對冬季供暖效果是至關(guān)重要的。工作區(qū)風(fēng)速均小于0.2m/s,滿足舒適性要求?？臻g風(fēng)速場分布見圖5。全天送風(fēng)溫度和工作區(qū)平均溫度變化情況見圖3。測試時間內(nèi),室外平均溫度7.6℃,溫度波動3.1℃,工作區(qū)平均溫度14.9℃,溫度波動1.25℃,送風(fēng)平均溫度35.2℃,溫度波動5.9℃,全天溫度波動小?？偟膩碚f,住院樓大廳1送風(fēng)射程不夠,工作區(qū)溫度只有11.6℃,沒有達(dá)到設(shè)計要求。雖然出現(xiàn)了溫度分層現(xiàn)象,但非空調(diào)區(qū)溫度還是高于空調(diào)區(qū)1.85℃,這是由于熱空氣在浮力作用下,上升造成的。如果合理設(shè)計送風(fēng)參數(shù),保證射程,減弱垂直溫差,可以保證分層空調(diào)較好的冬季供暖效果并減少不必要的能耗浪費(fèi)。3.1.2測點(diǎn)溫度和工作區(qū)溫度分布隨高度變化的規(guī)律某測試典型日的空氣參數(shù)見表3。工作區(qū)平均溫度15.4℃,工作區(qū)局部垂直溫差達(dá)到了6.34℃。整個空間垂直溫度梯度0.278℃/m,其中供暖區(qū)垂直溫度梯度1.23℃/m,非供暖區(qū)垂直溫度梯度0.15℃/m,非供暖區(qū)平均溫度高于供暖區(qū)平均溫度0.55℃,小于大廳A的溫差,說明層高越高,分層空調(diào)的節(jié)能作用越明顯。從圖4反映了各測點(diǎn)溫度隨高度變化的規(guī)律。射流初始段和主體段垂直溫度分布任然呈上升-下降-上升變化趨勢。距風(fēng)口水平距離8.5m左右,溫度隨垂直高度遞增,溫度梯度0.44°C/m,熱氣流大量向非空調(diào)區(qū)飄逸,沒有在大廳中間形成對噴搭接。對噴氣流如果在大廳中間形成了搭接,碰撞后一部分氣流向下運(yùn)動進(jìn)入工作區(qū),成為供暖的主要力量,一部分會向上運(yùn)動,搭接面溫度都會有所升高。送風(fēng)溫度和工作區(qū)平均溫度變化情況見圖5。測試時間內(nèi),室外平均溫度8.8℃,溫度波動2.3°C;工作區(qū)平均溫度13.7℃,溫度波動1.83℃;送風(fēng)平均溫度41.2℃,溫度波動10.4℃。由于外維護(hù)結(jié)構(gòu)面積更大同時人員密度變化大導(dǎo)致室內(nèi)溫度波動大于大廳1。工作區(qū)平均風(fēng)速小于0.2m/s,局部風(fēng)速0.5m/s。在測試中可感覺到部分噴口送風(fēng)射流直接進(jìn)入了工作區(qū),合理的分層空調(diào)氣流組織是工作區(qū)處于回流區(qū),主要由于噴口安裝高度過低只有3.2m。,射流速度還未充分衰減就進(jìn)入了工作區(qū)?？臻g風(fēng)速分布見圖6。3.1.3垂直溫度和陣風(fēng)下冷某測試典型日的空氣參數(shù)見表4。室內(nèi)溫度分布如圖7、圖8所示。工作區(qū)平均溫度15.56℃,低于設(shè)計值,水平溫差在0.32℃以內(nèi),工作區(qū)溫度分布均勻。室內(nèi)垂直溫度梯度達(dá)到3.1℃/m。工作區(qū)垂直溫度梯度1.16℃/m,非工作區(qū)垂直溫度梯度6.74℃/m。室內(nèi)垂直溫度分布見圖7,隨高度的增加,溫度呈上升趨勢。3.5m以下溫度變化平緩,3.5m處溫度出現(xiàn)陡增,說明送風(fēng)到達(dá)3.5m處,速度已充分衰減,氣流上升流向回風(fēng)口。由于大量熱空氣未到達(dá)工作區(qū)就被抽回機(jī)組,送回風(fēng)溫度都很高,導(dǎo)致空間上熱下冷。全天送風(fēng)溫度和工作區(qū)平均溫度變化情況見圖8。測試時間內(nèi),室外平均溫度6.4℃,溫度波動2.4℃;工作區(qū)平均溫度16.2℃,溫度波動3℃;送風(fēng)平均溫度42.1℃,溫度波動1.43℃。工作區(qū)溫度隨室內(nèi)人員數(shù)量的增加而增加。速度場分布如圖9所示:風(fēng)速隨著距風(fēng)口距離的增加衰減減慢,3m處風(fēng)速接近零。送風(fēng)速度過小,工作區(qū)空氣幾乎沒有流動。3.2空調(diào)系統(tǒng)能耗提升空調(diào)系統(tǒng)冬季能耗主要由主機(jī)、水泵、空調(diào)機(jī)組能耗組成。本文主要研究空調(diào)機(jī)組風(fēng)機(jī)能耗。高大空間空調(diào)系統(tǒng)主要為工作區(qū)服務(wù),因此不同的氣流組織方式應(yīng)采用不同的負(fù)荷計算方法,所選空調(diào)器的風(fēng)機(jī)大小、表冷器阻力、管路特性、風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率會不同,因此運(yùn)行時能耗就會有所差異。選擇合適的氣流組織方式可以把空調(diào)系統(tǒng)能耗降到最低。風(fēng)機(jī)能耗計算方法見公式(5-8):式中,ηv為容積效率;ηh為水力效率;ηm為機(jī)械效率;Ne為風(fēng)機(jī)輸出功率,kW;N為風(fēng)機(jī)輸入功率,kW;Q為流量,m3/h;P為單位體積氣流通過風(fēng)機(jī)獲得的有效能量,N/m3。三個系統(tǒng)均為定風(fēng)量系統(tǒng)。機(jī)組負(fù)擔(dān)多個區(qū)域時,以下實(shí)測功率為大廳部分功率。分層空調(diào)與全室空調(diào)能耗見表5。單位風(fēng)量能耗的差異主要由系統(tǒng)總效率差異造成。工程1、工程2系統(tǒng)較大,機(jī)房位于地下,與工程3相比水力損失較大,所以單位風(fēng)量能耗較大。適當(dāng)減小系統(tǒng)可以降低能耗。單位面積能耗主要取決于送風(fēng)量的大小。工程3單位面積送風(fēng)量較大,為46.7m3/m2,而工程B為31.6m3/m2。工程2層高較高,非空調(diào)區(qū)向空調(diào)區(qū)熱轉(zhuǎn)移負(fù)荷大,所以單位面積能會大于工程1。如果設(shè)計合理,達(dá)到同樣的工作區(qū)空調(diào)效果,分層空調(diào)送風(fēng)量可小于全室空調(diào),從而達(dá)到節(jié)能的目的。3.3空調(diào)機(jī)組噴口風(fēng)道設(shè)計注意事項測試結(jié)果顯示三個大廳均未達(dá)到設(shè)計要求,分析其主要原因有:(1)送風(fēng)速度不夠。工程1設(shè)計送風(fēng)量是14000m3/h,而實(shí)測風(fēng)量只有5133m3/h。由于送風(fēng)量不足導(dǎo)致送風(fēng)速度過小,射程不夠。出現(xiàn)這種情況的主要原因是在送風(fēng)管的底部另外開設(shè)了20個風(fēng)口,向走道送風(fēng),大量熱空氣被送到了走道。工程3是上送風(fēng),送風(fēng)速度太小,沒有足夠的動量將熱氣流送到工作區(qū)。導(dǎo)致熱量大量消耗在建筑上部。設(shè)計時應(yīng)該對冬季工況送風(fēng)射程進(jìn)行詳細(xì)計算。(2)風(fēng)口風(fēng)速不均勻。工程1送風(fēng)速度在0.4m/s到7.1m/s之間,工程2空調(diào)機(jī)組同時負(fù)擔(dān)了大廳和候診區(qū)負(fù)荷,在噴口送風(fēng)管上分出了支管向候診區(qū)送風(fēng),支管前后噴口風(fēng)速相差2.83m/s,導(dǎo)致多股平行非等溫射流不能形成良好的搭接。設(shè)計時應(yīng)盡量使大廳單獨(dú)成為一個系統(tǒng),避免在主管上開支管或風(fēng)口影響風(fēng)管內(nèi)壓力分布。連接噴口的風(fēng)道應(yīng)設(shè)計為均勻風(fēng)管或等截面風(fēng)管,起到靜壓箱的作用。(3)風(fēng)口高度太低。工程2送風(fēng)射流速度還未充分衰減就入工作區(qū)?？蓪L(fēng)口安裝在2層頂板處,加大送風(fēng)角度,保證工作區(qū)風(fēng)速滿足要求。(4)送風(fēng)溫差太大。重慶地區(qū)空調(diào)機(jī)組冬季供熱量有很大的富余,加上設(shè)計不合理使送風(fēng)溫度都過高。工程1回風(fēng)口位于走道端頭,大量送風(fēng)進(jìn)入走道未承擔(dān)負(fù)荷,又被抽回了機(jī)組,使送風(fēng)溫差達(dá)到22.3℃,工程2兩端回風(fēng)口位于候診區(qū),候診區(qū)除中午以外候取藥等候區(qū)人數(shù)很多,溫度達(dá)到20℃左右,回風(fēng)溫度較高。送風(fēng)溫差達(dá)到30℃。工程3回風(fēng)口位于房間頂部,離送風(fēng)口很近,造成短路,也使送回風(fēng)溫度過高大溫差對冬季供暖很不利,可采用變流量