基于蒸發冷卻的輻射供冷/暖工位空調系統可行性分析

張玉東,宣永梅,黃 翔

(西安工程大學環化學院,陜西西安710048)

在我國新疆地區已應用的多項蒸發冷卻空調工程實例中,一般采用蒸發冷卻全新風直流式空調系統和使用間接蒸發冷卻冷水機組的干工況風機盤管加獨立新風空調系統兩大類型。蒸發冷卻全新風直流式空調系統屬于蒸發冷卻全空氣(新風)系統,可以較好地改善室內空氣品質,但存在能耗高、風道尺寸大、難以分室分時控制等問題。干工況風機盤管加獨立新風空調系統屬于蒸發冷卻空氣-水系統,該系統雖然克服了全新風蒸發冷卻空調系統的一些缺點,但是從實際應用情況來看仍存在噪聲大、水系統復雜等問題,因此,有必要研究與蒸發冷卻相關的新型空調系統。

1 基于蒸發冷卻的輻射供冷/暖工位空調系統的提出

工位空調系統是一種集區域通風、設備通風和人員自調節為一體的個性化送風方式。在核心區域(人的呼吸區)安裝送風口,通過軟管與送風裝置相連,送風口的位置可以根據室內設施靈活變動。個人可以根據自身舒適要求調節送風氣流的流速、流向及送風溫度。而在周邊區域 (會議廳、休息室、走道等)安裝一般的送風裝置,用于控制室內背景環境的熱濕負荷。由于現代辦公建筑多采用統間式設計,個人對周圍空氣的冷熱需求差異較大,更適合安裝工位空調[1]。

工位空調系統由使用者部分或者完全地控制送風量、送風方向,甚至送風溫度以實現局部小范圍熱環境,同時背景區域 (其他非工作區)仍能自動保持合適的環境條件的空間空調系統,也被稱為“個人空調”。工位空調系統是以每個工作臺作為一個單位,把空調系統細分到每個工作臺上,通過控制工作區域內溫度、濕度和產生的污染源來創造良好的局部微環境,滿足不同人的舒適性要求。工位空調利用個人調節實現個人舒適性,而整個背景區域相對保持不變,使人產生一種身在 “綠洲”的感覺,通過系統調節實現工作區與背景區的匹配。

蒸發冷卻與輻射供冷相結合[2],具有節能、環保等優點,尤其適合我國西北炎熱干燥地區的使用,符合節能減排的大方向,具有廣闊的應用前景,是一種值得大力推廣的新型空調方式。輻射供冷利用蒸發冷卻技術制取的高溫冷水在中濕度以及高濕度地區會受到結露的限制,如果提高室內設計溫度可以減小輻射供冷結露的風險。而工位空調的環境區域相對于工位區域來講一般對溫濕度的要求不高。

由于工作區送風以及個人熱控系統可以顯著改善工作區微環境,室內背景溫度可以適當提高,室內負荷大大下降。有研究表明,如果人體上半部分的風速控制到1 m/s或者更高,則有可能將背景溫度提高到28℃或30℃[3]。當室內溫度設定值從24℃提高到 30℃時,總的冷負荷最大能夠降低35%～50%[4]。將蒸發冷卻技術與工位空調相結合,基于蒸發冷卻的輻射供冷/暖工位空調復合系統可以節省不必要的能耗,提高能源利用品位。

2 基于蒸發冷卻的輻射供冷/暖工位空調系統的流程及組成

2.1 空調系統的流程

圖1是基于蒸發冷卻的輻射供冷/暖工位空調系統的結構示意圖。蒸發冷卻冷水機組Ⅰ夏季制取高溫冷水,通過分集水器以供輻射末端裝置,蒸發冷卻新風機組制取新風送入室內工位空調末端裝置,輔助冷熱源Ⅲ在蒸發冷卻無法滿足制冷時開啟,制取的低溫冷水,一部分和蒸發冷卻冷水機組Ⅰ制取的高溫冷水相混合供給室內輻射末端,另一部分供給蒸發冷卻新風機組Ⅱ表冷器制取新風。

圖1 基于蒸發冷卻的輻射供冷/暖工位空調系統

圖中,Ⅰ.蒸發冷卻冷水機組,Ⅰ-1.蒸發冷卻冷水機組間接一級,Ⅰ-2.間接二級,Ⅰ-3.蒸發冷卻冷水機組直接蒸發冷卻段,Ⅱ.蒸發冷卻新風機組,Ⅱ-1.蒸發冷卻新風機組過濾段,Ⅱ-2.蒸發冷卻新風機組過濾段間接一級,Ⅱ-3.表冷段,Ⅱ-4.蒸發冷卻新風機組過濾段直接蒸發冷卻段,Ⅱ-5.再熱段,Ⅱ-6.送風段,Ⅲ.輔助冷熱源。

2.2 工位空調的形式

按送風方式的不同,工位空調系統可分為地板工位空調送風系統、桌面式工位空調送風系統和頂部工位空調送風系統。

2.2.1 地板工位空調送風系統

地板工位送風系統的送風口安裝位置在每個人附近,承擔工作區的負荷,個人可調節送風量和送風方向。圖2[5]為地板送風系統的示意圖,圖3為地板送風單元裝置示意圖。

2.2.2 桌面式工位空調送風系統

桌面式工位空調送風系統,一般送風口設置在工作臺或隔板上,這樣容易形成工作區小環境。圖4[6]為桌面式工位空調送風系統的示意圖。

圖4 桌面送風系統圖

2.2.3 頂部工位空調送風系統

頂部工位空調送風系統的流量、送風溫度也可自行調節。它所采用的射流風口可以將氣流擴散控制在很小的一個范圍內,從而可以防止在送熱風時,氣流直接吹向人體。圖5[7]為地板送風系統的示意圖。

圖5 天花射流送風系統

上述三種形式的工位空調系統中,桌面工位空調送風系統的送風口距離人體最近,新鮮空氣能夠更好地送到使用者的呼吸區內,因此是改善呼吸區空氣品質的最佳途徑。但它的送風口由于距離人體較近,因而容易產生吹風感。

2.2.4 隔斷式工位送風系統

空調送風經過設于地板下的局部變速風機輸送至隔斷的夾層內,經過隔斷上開設的送風口進入室內。圖6[8]為一種隔斷式系統的末端組成示意圖。一部分空氣經隔斷側面送風口進入工作區,另一部分空氣由隔斷夾層送至上部空間形成背景空調。工作人員可通過隔斷上的控制器改變送風參數或者開關末端裝置。圖7[9]所示是隔斷式送風末端裝置示意圖。置于隔斷內的圓柱體送風末端側面開有送回風口。送風口處設導流葉片,調節葉片的開度和周角可以調節送風的速度和方向。回風口處設有風閥,控制送風回風的比例。

3 基于蒸發冷卻的輻射供冷/暖工位空調系統的運行模式

夏季運行時,室外空氣狀態點在室內狀態點左側,如圖8(a)所示,開啟蒸發冷卻冷水機組Ⅰ和蒸發冷卻新風機組Ⅱ,通過蒸發冷卻冷水機組間接一級Ⅰ-1可接室內回風預冷、間接二級Ⅰ-2噴淋水自循環、直接蒸發冷卻Ⅰ-3制取高溫冷水,調節三通閥P1,P2通過GS1,GS2水管接入分水器,吸收室內余熱,沿HS2,HS1返回;蒸發冷卻新風機組,通過過濾Ⅱ-1、間接一級Ⅱ-2預冷,間接二級Ⅱ-3,直接蒸發冷卻Ⅱ-4制取新風通過SF風管送入室內,吸收室內余熱余濕,經過排風口排出。

室外空氣狀態點在室內狀態點右側,如圖8(b)所示,開啟蒸發冷卻冷水機組和蒸發冷卻新風機組,同時開啟輔助冷熱源Ⅲ,調節三通閥P3,P4,P1,P2輔助冷源制取的低溫冷水與蒸發冷卻冷水機組制取的高溫冷水混合通過GS2接入分水器,吸收室內余熱,沿HS2返回。冷水機組制取的低溫冷水通過GS5接入表冷段Ⅱ-3,蒸發冷卻新風機組過濾段間接一級Ⅱ-2和蒸發冷卻新風機組過濾段、直接蒸發冷卻段Ⅱ-4為自噴淋,制取新風通過SF風管送入室內,吸收室內余熱余濕,經排風口排出。

過度季節運行時,蒸發冷卻冷水機組開啟,通過蒸發冷卻冷水機組間接一級Ⅰ-1預冷、間接二級Ⅰ-2噴淋水自循環、蒸發冷卻冷水機組直接蒸發冷卻Ⅰ-3的部分設備或僅用冷卻塔制取高溫冷水,調節三通閥P1,P2通過供水GS1,GS2水管接入分水器,吸收室內余熱,沿回水HS2,HS1返回蒸發冷卻冷水機組。開啟蒸發冷卻新風機組,通過蒸發冷卻新風機組過濾段Ⅱ-1、蒸發冷卻新風機組過濾段間接一級Ⅱ-2預冷,表冷段Ⅱ-3,蒸發冷卻新風機組過濾段、直接蒸發冷卻段Ⅱ-4制取新風通過送風SF風管送入室內,吸收室內余熱余濕經排風口排出。

冬季運行時,如圖8(c)所示,熱源提供低溫熱水,調節三通閥P3,P4,一部分通過GS3,GS2水管直接向輻射末端供熱,沿HS2,HS3返回熱源,另一部分通過GS4,GS5,GS6水管調節三通閥P5,P6供給蒸發冷卻新風機組表冷段Ⅱ-3和再熱段Ⅱ-5沿HS5,HS6,HS4返回,表冷段Ⅱ-3制取新風送入房間。

圖8 空調三種運行模式在焓濕圖上的空氣處理過程

4 基于蒸發冷卻的輻射供冷/暖工位空調系統的不足

基于蒸發冷卻的輻射供冷/暖工位空調系統也不是完全適用于所有建筑,在現代辦公建筑中,由于電器設備大量使用,室內顯熱量大,人員在辦公室內的時間久,對于室內空氣品質要求高,個人對周圍空氣的冷熱需求差異較大,更適合安裝工位空調。輻射板的使用將更加節能、環保但是也受到輻射板供冷能力的限制。

5 結語

采用基于蒸發冷卻的輻射供冷/暖工位空調系統,具有節能、環保等優點,尤其適合炎熱干燥地區的辦公建筑中使用,符合節能減排的大方向,具有廣闊的應用前景,是一種值得大力推廣的新型空調系統方式。

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