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風(fēng)道式戶式空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計
1風(fēng)道式戶式空調(diào)機組簡介資隨著經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展和人們生活水平的提高,人們對生活形式和生活質(zhì)量的要求發(fā)生了很大變化。對于冬冷夏熱地區(qū)的人們來說,對居住環(huán)境的熱舒適要求早已成為潮流,與此相適應(yīng),住宅空調(diào)得到了迅猛發(fā)展,住宅空調(diào)的方式也由單一的家用空調(diào)器發(fā)展到家用空調(diào)器、戶式空調(diào)機組、小區(qū)中央空調(diào)等多種空調(diào)方式,同時,住宅空調(diào)的能耗量占總能耗的比重也愈來愈大。風(fēng)道式空調(diào)機組屬戶式空調(diào),其制冷原理同分體空調(diào)類似,由一臺室外機和一臺直接蒸發(fā)式室內(nèi)機構(gòu)成,室內(nèi)機將處理過的空氣輸送到各空調(diào)房間。風(fēng)道式機組的室內(nèi)機是暗裝的,且出風(fēng)口的靜壓較高(一般為80~150Pa),其單機容量也較分體機大(5hp以上)。與風(fēng)機盤管系統(tǒng)相比,風(fēng)道式戶式空調(diào)系統(tǒng)屬全空氣系統(tǒng),空氣處理屬直接蒸發(fā)冷卻,送風(fēng)溫度較低,且無水系統(tǒng)隱患;與分體空調(diào)相比,風(fēng)道式機組的室內(nèi)機安裝在室內(nèi)吊頂內(nèi),能提供新風(fēng),提高了室內(nèi)空氣品質(zhì),且室內(nèi)冷熱風(fēng)的分布易均勻,空氣環(huán)境的舒適度較高。盡管如此,這種小而全的以戶為單位的“中央空調(diào)”方式在具體應(yīng)用過程中還不成熟,其系統(tǒng)與設(shè)備的設(shè)計選用還缺乏足夠的理論依據(jù)和實踐經(jīng)驗。本文通過對安裝在衡陽市(屬冬冷夏熱地區(qū))一單元式住宅的風(fēng)道式戶式空調(diào)系統(tǒng)的分析,探討冬冷夏熱地區(qū)戶式空調(diào)系統(tǒng)的新風(fēng)量的確定、空調(diào)負荷的特性與節(jié)能設(shè)計方法等,以期為戶式空調(diào)的設(shè)計、安裝和運行提供參考。2家庭制新能量設(shè)計2.1空氣品質(zhì)的保障人們不僅需要較大的居住面積,更需高質(zhì)量的居住環(huán)境。要達到健康住宅的要求,就必須做到能有效排放和稀釋室內(nèi)CO2等污染氣體、化學(xué)物質(zhì)、廢熱油煙以及懸浮粉塵,因此住宅空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)該能夠提供足夠的新風(fēng)量以維持良好的室內(nèi)空氣品質(zhì),即住宅空調(diào)的新風(fēng)應(yīng)能滿足住宅常住人口的衛(wèi)生要求。要保證室內(nèi)良好的空氣品質(zhì),還需有序地組織室內(nèi)空氣的流動,即應(yīng)使新風(fēng)的送入與衛(wèi)生間、廚房的排風(fēng)組成室內(nèi)空氣的有序流動,有效地排除室內(nèi)異味和污染物。由于冬冷夏熱地區(qū)的住宅的氣密性較差,為了保證房間的熱舒適性,住宅空調(diào)系統(tǒng)的新風(fēng)量同時應(yīng)滿足維持主要房間(客廳、書記、臥室等)的正壓的要求。2.2空調(diào)系統(tǒng)新風(fēng)量的設(shè)計計算對于風(fēng)道式戶式空調(diào)系統(tǒng)來說,其重要的優(yōu)點就是能夠集中提供新風(fēng)。對于住宅來說,滿足衛(wèi)生要求的新風(fēng)標準可以參照賓館客房的標準,即人均新風(fēng)量約為30m3/h。以每戶常住4人記,當(dāng)所有人集中活動(如用餐等)時,滿足人員的衛(wèi)生要求的新風(fēng)量為4×30=120m3/h。由于風(fēng)道式戶式空調(diào)機組的風(fēng)量通常比較大(大于2000m3/h),同時考慮到冬冷夏熱地區(qū)住宅的密閉性較差,為了維持房間的正壓要求及考慮人員分散時對新風(fēng)的要求,應(yīng)取空調(diào)機組送風(fēng)量的10%作為空調(diào)系統(tǒng)的新風(fēng)量設(shè)計值,這樣也能滿足文獻提出的住宅新風(fēng)換氣次數(shù)應(yīng)達到1次/h的要求。在運行使用過程中,由于人員的流動、作息時間的變動,用戶可能需要進行分室控制而關(guān)閉一些送風(fēng)口,這時倘若不改變新風(fēng)量,就可能會造成空調(diào)房間的正壓過高。因此,為了節(jié)省能耗,風(fēng)道式戶式空調(diào)系統(tǒng)的新風(fēng)量應(yīng)是可控的。3家庭式空調(diào)負荷分析與節(jié)能3.1住宅空調(diào)的同時使用系數(shù)空調(diào)冷、熱負荷的確定直接影響到空調(diào)系統(tǒng)與設(shè)備的可靠性與經(jīng)濟性。住宅建筑大體上來說其空調(diào)負荷特性類似于賓館客房,但差異也較大。住宅空調(diào)的一個很大特點就是負荷參差性大。主要表現(xiàn)在使用時間和同時使用率方面。在使用時間方面,住宅空調(diào)一般有幾個使用高峰,主要是17∶00~23∶00,其次是11∶30~14∶30,23∶00~8∶00。另一方面,住宅空調(diào)的同時使用系數(shù)很低,而且一套住宅的房間愈多,同時使用系數(shù)愈低?,F(xiàn)代住宅的一個趨勢就是每戶人數(shù)在減少,而建筑面積在增加,隨著經(jīng)濟的發(fā)展,安裝空調(diào)的房間將更多。根據(jù)中國人的習(xí)慣,通常是使用哪間房間就開哪間房間的空調(diào),因此住宅空調(diào)的同時使用系數(shù)低。在冬冷夏熱地區(qū),由于過去只是注重考慮建筑的通風(fēng)換氣性能,對住宅建筑的圍護結(jié)構(gòu)沒有考慮空調(diào)節(jié)能的要求,如氣密性差、圍護結(jié)構(gòu)隔熱性能差等等,因此,現(xiàn)有住宅建筑的圍護結(jié)構(gòu)冷、熱負荷普遍偏大。另外,由于消費觀念的差異、作息時間的不同等原因,住宅建筑空調(diào)(負荷)有別于賓館客房空調(diào)(負荷)的另一特點是,住宅建筑空調(diào)必須考慮戶間傳熱(同層、上下層)、戶內(nèi)各室間的傳熱(分室控制時)。3.2空調(diào)能耗的影響一般賓館客房的空調(diào)室內(nèi)溫度標準為冬季18~22℃,夏季24~28℃。對于中國冬冷夏熱地區(qū)的居民來說,抗暑能力較強,夏季室溫不必太低就能達到熱舒適,空調(diào)室內(nèi)溫度可以定為26~28℃;同樣,考慮到南方居民的生活習(xí)慣和目前人們的消費心理,冬季空調(diào)室內(nèi)溫度可以定為16~18℃。室內(nèi)濕度可以不作限制。為了探討室內(nèi)空調(diào)標準對空調(diào)能耗的影響,以位于衡陽市的一單元式住宅為例進行分析(見圖1)。該住宅為7層建筑,設(shè)計單元位于4樓,各房間的使用面積及用途見表1。住宅選用風(fēng)道式空調(diào)機組,室外機安裝在西外墻上,室內(nèi)機設(shè)在客廳的吊頂內(nèi),房間的送風(fēng)采用雙層百葉風(fēng)口側(cè)送,為了實現(xiàn)對各房間的溫度控制,系統(tǒng)采用設(shè)置在風(fēng)口處的電動多葉調(diào)節(jié)閥(開/關(guān)調(diào)節(jié))來調(diào)節(jié)風(fēng)量,調(diào)節(jié)閥的控制開關(guān)設(shè)在各個房間,由人工控制;各房間采用門(下)縫隙回風(fēng),在客廳吊頂設(shè)總回風(fēng)口集中回風(fēng)。機組的送風(fēng)機通過手動三速開關(guān)調(diào)節(jié)。住宅的圍護結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)見表2。依次改變室內(nèi)溫度設(shè)定值,對此住宅進行空調(diào)冷、熱負荷計算,得出住宅1~5房間全部空調(diào)時夏季空調(diào)設(shè)計冷負荷和冬季空調(diào)設(shè)計熱負荷(見表3)??梢钥闯?夏季空調(diào)室內(nèi)設(shè)定溫度每上升1℃,空調(diào)冷負荷就會降低8%;冬季空調(diào)室內(nèi)設(shè)定溫度每下降1℃,空調(diào)熱負荷就會降低5%。若同時考慮新風(fēng)負荷的變化,則上述比例會相應(yīng)變?yōu)?9%,11%。由此可見,室內(nèi)空調(diào)標準的提高會帶來更高的能耗、制約人們的空調(diào)消費,同時說明要得到好的空氣品質(zhì),必須準確設(shè)計調(diào)節(jié)系統(tǒng)。3.3空調(diào)對戶內(nèi)隔膜的影響分析當(dāng)風(fēng)道式戶式空調(diào)系統(tǒng)的所有風(fēng)口開啟時,稱為全室空調(diào),當(dāng)部分風(fēng)口開啟、其他風(fēng)口關(guān)閉(分室控制送風(fēng))時,稱為分室空調(diào)。取夏季空調(diào)室內(nèi)設(shè)計溫度標準為27℃,冬季空調(diào)室內(nèi)設(shè)計溫度標準為17℃。根據(jù)表3,該住宅的全室空調(diào)單位空調(diào)的總冷負荷為110W/m2,總熱負荷為154W/m2(未考慮新風(fēng)負荷),此時各房間的最大負荷見表4。假定分室空調(diào)時,所有戶內(nèi)鄰室均為通風(fēng)良好的非空調(diào)房間,根據(jù)衡陽市的氣象數(shù)據(jù)和住宅的圍護結(jié)構(gòu)等數(shù)據(jù),依次計算出住宅內(nèi)各房間單獨空調(diào)時的設(shè)計最大負荷,結(jié)果列于表4。表4中括號內(nèi)的數(shù)據(jù)為以全室空調(diào)為基準的百分數(shù)。從表4可以看出,戶內(nèi)分室空調(diào)時,戶內(nèi)隔墻的夏季冷負荷達到了該房間總冷負荷的10%~30%,冬季熱負荷達到了該房間總熱負荷的25%~70%。因此,對冬冷夏熱地區(qū)的住宅來說,戶內(nèi)隔墻的隔熱、保溫性能是不容忽視的。不過,實際分室空調(diào)時,戶內(nèi)鄰室受空調(diào)房間的滲風(fēng)影響及房間本身空調(diào)/非空調(diào)轉(zhuǎn)換的影響,戶內(nèi)隔墻負荷會有所減少。實際上,戶內(nèi)各房間的溫度差太大時不利于人的身體健康,因此,如何在實現(xiàn)節(jié)能控制運行的同時又不讓戶內(nèi)溫差過大是戶式空調(diào)設(shè)計必須解決的問題。3.4空調(diào)負荷的對比對于冬冷夏熱地區(qū)的建筑來說,磚墻熱阻的加大及熱工性能的改善在降低外墻內(nèi)表面的溫度方面并不明顯,但在降低外墻空調(diào)負荷方面效果顯著。經(jīng)過對上例住宅的負荷計算分析可以知道,該地區(qū)住宅建筑的不同朝向的外墻中,北墻、南墻夏季的空調(diào)負荷明顯要小,西墻冷負荷最大,東墻次之。對于不開窗或開窗率小于25%的外墻,南向外墻冷負荷大于北向,反之,對于開窗率大于25%的外墻,南向外墻冷負荷小于北向。從表3可以看出,該住宅的建筑冷、熱負荷與有中央空調(diào)的賓館客房相比均明顯偏大,尤其是冬季熱負荷。主要原因是由于墻體、樓板、窗的熱工性能沒有達到節(jié)能要求。因此,在設(shè)計冬冷夏熱地區(qū)的住宅戶式空調(diào)時,不能簡單地套用賓館客房的空調(diào)負荷指標,應(yīng)進行詳細的負荷計算。文獻提出的夏熱冬冷地區(qū)節(jié)能的圍護結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)要求見表2。經(jīng)比較可以發(fā)現(xiàn),目前該地區(qū)的住宅建筑節(jié)能的主要方向應(yīng)是加強圍護結(jié)構(gòu)的保溫隔熱性能,尤其是樓板、外窗和外墻。4空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計負荷的確定戶式空調(diào)機組的設(shè)計負荷應(yīng)包括住宅建筑負荷和新風(fēng)負荷兩部分。當(dāng)空調(diào)運行方式不同時,系統(tǒng)的負荷也會變化。住宅建筑負荷應(yīng)為各空調(diào)房間24小時動態(tài)負荷的綜合最大值(并不是各空調(diào)房間最大負荷之和),當(dāng)戶內(nèi)所有房間的風(fēng)口均開啟時建筑負荷最大,因此,應(yīng)采用全室空調(diào)的最大負荷作為住宅設(shè)計負荷;新風(fēng)負荷按2.2節(jié)所確定的設(shè)計新風(fēng)量確定方法來計算。最大的住宅建筑負荷與新風(fēng)負荷之和便是戶式空調(diào)機組的設(shè)計負荷,是計算空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計送風(fēng)量的依據(jù)。根據(jù)計算,示例住宅的風(fēng)道式戶式空調(diào)機組的設(shè)計冷負荷為10704W(132W/m2),設(shè)計熱負荷為14705W(181W/m2),機組的設(shè)計風(fēng)量為1981m3/h。設(shè)計選用的機組功率為5hp,額定風(fēng)量(中擋)為2000m3/h。在確定各空調(diào)房間的送風(fēng)量時,則應(yīng)采用各房間單獨空調(diào)時的設(shè)計最大負荷來確定,以滿足用戶分室控制送風(fēng)的需要。5
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