彌散式吊頂送風在商場內區冬季供冷中的適用性分析

趙江東 余 濤 雷 波

彌散式吊頂送風在商場內區冬季供冷中的適用性分析

趙江東 余 濤 雷 波

（西南交通大學機械工程學院 成都 610031）

針對冬季需供冷的商場內區，提出采用彌散式吊頂送風系統（DCVS）直接引入室外冷空氣對內區進行通風降溫。通過理論分析，計算了我國不同氣候分區商場在不同人員密度條件下應用該系統時的室內空氣溫度，并與排風熱回收新風免費供冷系統（EAHRS）進行了能耗比較。結果表明，夏熱冬冷地區和溫和地區的冬季商場內區供冷中，隨著人員密度的增大，DCVS適應性變高，且當人員密度為0.2人/m2到0.6人/m2之間時80%以上工作時間段均可保證室內的舒適性標準；相較EAHRS，各地區能耗均有所降低，其中夏熱冬冷地區可減少40%的能耗。由此可見，利用DCVS處理商場內區的冬季冷負荷能提供適宜的室內熱環境，節能潛力高，有較好的推廣價值。

商場；內區供冷；彌散吊頂送風；熱舒適性；節能潛力

0 引言

隨著社會的高速發展，商業體體量逐漸擴大，商場在冬季不可避免的出現了內區。建筑內區冬季空調負荷整體表現為冷負荷，隨區域內照明、設備、人員等熱源發熱量的變化而變化。通常情況下，對于大空間，將距離外墻3～8m以內的區域當作外區，其余區域即為內區[1]。為了提高內區冬季的舒適性，傳統工程上會采用分區兩管制或四管制的水系統方式進行供冷。這種處理方式雖能保證室內的舒適性，但系統復雜、管道占用空間大且不節能。隨著節能減排等政策的實施，《公共建筑節能設計標準》（GB 50189—2015）[2]中明確提出對于冬季或過渡季存在供冷需求的建筑，應充分利用室外新風來消除室內余熱。若采用末端風口直接引入新風，尤其是室內人員密集、風量需求較大時，易造成人員強烈的吹冷風感，影響舒適性。當室外溫度過低時，為了防止結露還會額外增加能耗來對新風預熱。彌散式吊頂送風系統（Diffuse Ceiling Ventilation System, 簡稱DCVS）是一種區別于置換通風和混合通風的新型送風形式，全年都能使用，無需另設管路，可采用大溫差小流量送風，室內人員活動區無吹風感，氣流均勻，舒適性高，特別適用于熱源比較集中的場合[3-12]。

針對人員密集的商場內區亟待處理的余熱，本文提出全年采用DCVS處理，并對冬季直接引入室外新風供冷的DCVS在全國不同氣候區不同人員密度商場建筑中的適用性和節能潛力進行分析。

1 系統原理

圖1 吊頂板材料實圖

圖2 DCV系統速度分布圖[11]

DCVS起源于歐洲，最初在豬圈[3]等牲畜場所的通風系統中使用并取得一定成效，近幾年其研究轉向公共建筑，在教室[5-8]、辦公室[9-10]等實際建筑中均有涉及，但還未研究商場等大型人員密集場所。DCVS和常規送風系統一樣全年均可使用，DCVS無需設置末端風口，該系統采用由木屑粘合而成的多孔吊頂板（如圖1）和兩板之間的縫隙作為送風口，與樓板之間的空腔為一靜壓箱，送風進入空腔后通過分布在彌散式吊頂板上的大面積細孔送入室內。此外，DCVS在冬季需供冷的區域中使用時，由于空氣下壓作用，如圖2所示，天花板周圍所接觸的均為冷空氣，分散后的均勻低速送風迅速與室內空氣混合，提高室內舒適性的同時降低了吊頂板結露的可能性。從國內外研究文獻[7-12]可知，該系統不僅初投資小，節能降噪，多孔末端阻力小，還能送低溫大風量空氣，且室內人員活動區毫無吹風感，非常適用于人員集中、通風量需求大的場合。

圖3 商場內區彌散吊頂送風示意圖

因此，本文提出將DCVS用于商場全年空調系統的方案，夏季經冷源處理好的低溫空氣通過彌散吊頂送入室內，由于系統的獨特優勢，可以采用大溫差小流量送風方式，從而減小輸配系統的尺寸，降低運輸能耗；冬季內區供冷時，系統可直接引入室外新風消除余熱。本文著重對冬季供冷進行分析。如圖3所示，吊頂板采用多孔的石膏板或木屑粘合而成的隔音板材，整個吊頂作為送風口，送風管安裝在吊頂板與混凝土樓板之間的空腔內，冬季新風經過側開風口送入空腔，由于壓力的作用，通過多孔天花板的新風被均勻分散，且充斥在吊頂板周圍，使天花板無結露危險。送入室內的冷空氣與上升熱氣流有效迅速混合，整個室內的空氣流速極低。

2 適用性分析

2.1 商場內區建筑負荷特性分析

商場建筑室內人員密度大且與新風需求量正相關，隨節假日等波動。不同商場建筑體量不同，用途功能各異，整體負荷也不一，且內區負荷與室外氣象參數無關。為了有一定的參考價值，本文選取不同人員密度單位面積商場內區進行分析。參考相關規范[13,14]，冬季內區室內設計狀態點干球溫度取21℃，相對濕度=40%（由于舒適性因人而異，室內設計參數溫度可上下浮動1℃）；商場人員密度按0.2～0.6人/m2共五種工況分別取值，本文以0.4人/m2作為示例計算，最小新風量20m3/(h·p)，商場逐時人員百分比分為工作日、節假日兩類，如表1所示。根據式（1）、式（2）可計算單位面積人體負荷和新風量：

式中：q為21℃輕度勞動時成年男子散熱量，181W（顯熱87W，潛熱94W）；0為商業區單位人群密度，0.4人/m2；1為室內人員時間指派，如表1；是群集系數，0.89；C為冷負荷系數，0.93；0為每人最小新風量，20m3/(h·p)。

表1 工作時間段不同工況人員時間指派

照明冷負荷取30W/m2，設備負荷取15W/m2，照明、設備的時間指派均按100%進行設計。典型設計時刻室內負荷各項參數值如下表2所示。

表2 最大時刻各項負荷統計

2.2 適用性評價指標

DCVS直接引入室外新風消除余熱的可行性可以采用新風供冷能力和室內舒適性判定。

根據式（3）可計算單位面積新風能消除的余熱量：

當式（3）計算值小于室內余熱時，表明適當加大新風量可消除室內余熱，DCVS適用。

此外，基于DCVS送風特性[15]而言，如圖4所示，當送風量過小（低于最小新風量標準），如圖中左側部分，室內空氣品質無法得到保證，當送風溫差過大，會造成室內的吹冷風感或垂直溫度梯度過大，若在送風溫差范圍內，風速過高，同樣也會引起室內人員的吹風感，影響舒適性。因此，最佳送風狀態范圍確定為圖中的中間空白區域。

圖4 q0-△T模型示意圖[15]

綜合上述標準，本文采用的評價指標為：在室外溫度高于2 ℃的前提下，送入室內的風量處于最小新風量與最大送風量（10倍最小新風量）之間，能夠保證室內溫度在20～22℃時，表明采用該系統時室內能夠滿足舒適性需求。

2.3 不同地區適用性分析

為分析該系統在不同地區不同人員密度條件下的適用性，按照上一小節描述的評價指標對整個冬季分析計算，搜集5個氣候分區的典型城市冬季（11月16日～次年3月15日）10:00至21:00共計1440 h的氣候參數，按月份劃分，在系統開啟時間內，統計累積逐時滿足小時數占運行總小時數的比例，即為DCVS在該地區當月的滿足率，如式（4）。

式中：為滿足率；為當月滿足時刻累積小時數，h；為當月系統運行總時長，h。

選取5個代表城市五種人員密度情況進行計算分析，結果如圖5至圖9所示。

圖5 沈陽地區不同人員密度適用性結果

圖6 北京地區不同人員密度適用性結果

圖7 成都地區不同人員密度適用性結果

圖8 昆明地區不同人員密度適用性結果

圖9 廣州地區不同人員密度適用性結果

由圖5至圖9可見，各工況成都地區和昆明地區冬季滿足率均達到80%，成都地區甚至高達90%，表明DCVS在夏熱冬冷地區和溫和地區適用性最好。且隨著人員密度的增大，該系統在這兩個地區的滿足率也在提高。夏熱冬暖地區冬季室外氣溫較為溫和，與室內空氣的焓差較小，因此需要的新風量大，特別是冬季初期和末期時間段，易造成室內強烈的吹風感，因此廣州地區在全年最冷時刻滿足率高于冬季初末期；而嚴寒地區和寒冷地區滿足率較低，沈陽不同人員密度下滿足率均不足20%，北京地區滿足率在50%左右，這兩個地區隨著人員密度的增大，滿足率降低。由于冬季室外溫度過低，室內外溫差較大，人員密度增大的同時，新風最小需求量也同步增大，從而造成新風帶入的冷量遠大于室內余熱，所以隨著人員密度增大，其滿足率反而降低。

因此，DCVS用于商場冬季內區供冷在夏熱冬冷地區和溫和地區適用性高，具有廣闊的應用前景；對于寒冷地區和嚴寒地區單獨引用室外新風供冷滿足率雖然較低，但若預先利用室內排風對新風進行預熱，或按一定比例混合后再通過彌散吊頂送入室內，其舒適性將得到保證，DCVS在這兩個氣候分區同樣也能適用。

3 節能性分析

對于冬季商場內區需供冷的建筑，目前常用的供冷方式包括冷水機組或空氣源熱泵等制冷冷源供冷、冷卻塔免費供冷、排風熱回收預熱新風免費供冷系統（Exhaust Air Heat Recovery Systems，簡稱EAHRS）等。EAHRS是利用轉輪將排風的熱量進行回收，回收的熱量被用來預熱新風，以防結露。相比其他兩種供冷方式，節省了冷水機組、水泵、冷卻塔等設備的運行功耗，節能潛力最高。針對上節分析結果，本節將選取適用性高的成都、昆明兩地商場建筑，將DCVS和EAHRS的冬季供冷能耗進行對比分析。為了統一，當系統不滿足室內舒適性需求時，均考慮開啟以冷水機組為主機，系統COP為3.0的系統進行供冷。

3.1 DCVS能耗

對上一小節得到的各地不同人員密度條件下的適用性進行分析統計，當DCVS能夠保證室內舒適性需求時，冬季僅需開啟風機引入室外新風，無其他能耗，風機送風量采用式（5）計算，而風機能耗計算均取為文獻[2]中所給數據：商業、酒店建筑全空氣系統風道系統單位風量耗功率W為0.3W/(m3/h)。當DCVS不適用時，則考慮采用冷水機組供冷消除室內余熱，系統能耗按照COP為3.0進行計算。

3.2 EAHRS能耗

EAHRS不僅包括送風機和回風機的能耗，熱回收轉輪也會消耗功率，且為0.13W/(m3/h)[18]。EAHRS一個重要指標是回收效率，受迎面風速、排風量與新風量之比、新風溫度、新風含濕量等多因素影響。為了統一，本文計算時考慮逐時排風量與新風量之比為0.8，迎面風速取2.0 m/s。全熱交換效率僅與新風溫度和含濕量有關。設計工況的全熱交換效率取為76%[1]。根據文獻[17]冬季全熱交換逐時效率可按以下經驗公式進行計算：

式中：為室外空氣干球溫度，℃；為室外空氣含濕量，g/kg。

預熱后的新風溫度過高時送風量往往偏大，不僅加大風機壓頭，同時易造成室內的吹風感。因此本文做出如下規定：當室外溫度低于10℃時，通過熱回收將新風預熱至10℃后送入室內；若室外溫度高于10℃，則直接引入新風。經分析校核發現室外新風預熱至10℃時的全熱交換效率均小于實際值，表明假設成立。同樣，EAHRS不滿足時，采用COP為3.0的供冷系統制冷消除余熱。

將成都地區和昆明地區不同人員密度商場兩種系統單位面積能耗計算結果匯總于表3、表4。

表3 成都地區兩種方案不同人員密度能耗對比

續表3 成都地區兩種方案不同人員密度能耗對比

表4 昆明地區兩種方案不同人員密度能耗對比

對比DCVS與EAHRS的能耗，成都地區DCVS單位面積商業內區冬季能耗只有EAHRS的60%，且能提供整個供暖季90%以上的能耗，該比例隨著人員密度增大而上升。昆明地區相比EAHRS可節約30%的能耗。兩種系統處理冬季內區冷負荷時，在無需開啟功率大的機組，初投資較為接近的前提下，DCVS更加節能經濟。

4 結論

本文提出將DCVS用于商場全年空調系統，對內區冬季供冷的送風方案進行了詳細分析說明：該系統可以送入大風量、大溫差條件下的新風，通過彌散式多孔天花板均勻分散地送入室內，冷空氣在吊頂附近與室內熱空氣有效混合，無結露危險，低溫送風也不會對人員活動區產生冷風感。經理論分析和計算，得出DCVS在夏熱冬冷地區和溫和地區具有廣闊的應用前景，且隨著人員密度的加大，適用率上升，當人員密度從0.2人/m2到0.6人/m2均能保證80%以上工作時間段室內環境均處于舒適范圍。相比于EAHRS，DCVS冬季單位面積商業內區能耗溫和地區和夏熱冬冷地區分別減少30%、40%，節能效益可觀。當然，本文僅對該系統冬季內區供冷進行分析說明，對于寒冷地區和嚴寒地區舒適性不佳的時段，還可以考慮將室外新風與室內回風按一定比例混合后送入室內，以提高送風溫度，提高舒適性時間段比例。

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Applicability of Diffuse Ceiling Ventilation System for Cooling in Winter in Interior Zone of Shopping Mall

Zhao Jiangdong Yu Tao Lei Bo

( School of Mechanical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu, 610031 )

This paper aims to analyze the performance of the diffuse ceiling ventilation system (DCVS) for the cooling in the interior zone of shopping mall in winter. The indoor air temperature is calculated theoretically for the shopping mall in different climate zones using this system with different occupant-densities, the energy saving potential of this system is compared with the exhaust air heat recovery system (EAHRS) as well. Results show that DCVS can be used in shopping malls in hot summer and cold winter zone and temperate zone, and more than 80% of the working time the comfort standard can be met. Compared with the EAHRS, the DCVS used in hot summer and cold winter zone can reduce energy consumption by 40%. Thus, it can be seen that the use of DCVS to deal with the cooling load of the shopping mall in winter is promising, with good indoor thermal environment and high energy saving potential.

shopping mall; internal cooling; diffuse ceiling ventilation (DCV); thermal comfort; energy saving potential

TU831

A

1671-6612（2019）04-414-07

中央高校基本科研業務費專項資金資助（編號：2682017CX027）

趙江東（1993.11-），男，在讀碩士研究生，E-mail：nev1127@163.com

余 濤（1987.8-），男，博士，講師，碩士生導師，E-mail：yutao073@swjtu.edu.cn

2018-08