福建地區(qū)內(nèi)區(qū)房間冬季新風(fēng)供冷設(shè)計研究

陳建勝

(廈門合立道工程設(shè)計集團(tuán)股份有限公司 福建廈門 361000)

0 引言

地下建筑或者一些體量較大的地上建筑內(nèi)區(qū)房間，在過渡季甚至冬季都存在供冷需求。我國地域遼闊，各地域四季溫差較大，為了節(jié)約能源，對于此類建筑，在冬季或過渡季應(yīng)充分利用室外新風(fēng)降溫；當(dāng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析合理時，也可利用冷卻塔進(jìn)行供冷[1]。

南方地區(qū)過渡季節(jié)室外濕球溫度較高，冷卻塔出水溫度高，一般不適合利用冷卻塔供冷；冬季室外干球溫度和濕球溫度低的地區(qū)，室外新風(fēng)作為冷源或利用冷卻塔供冷均有可能滿足供冷需求。基于此，本文擬通過理論分析，探討福建省各地區(qū)空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)在冬季適當(dāng)加大新風(fēng)量，以滿足內(nèi)區(qū)房間供冷需求的可行性。

1 冬季新風(fēng)供冷室外計算參數(shù)的確定

冬季利用室外新風(fēng)消除室內(nèi)余熱余濕時，應(yīng)采用冬季通風(fēng)室外計算溫度而非空調(diào)室外計算溫度。冬季通風(fēng)室外計算相對濕度的取值，規(guī)范并無相關(guān)規(guī)定，筆者認(rèn)為，可采用冬季空調(diào)室外計算相對濕度(累年最冷月平均相對濕度)。

2 內(nèi)區(qū)房間冬季供冷室內(nèi)計算溫度范圍的確定

現(xiàn)有規(guī)范未明確冬季供冷時室內(nèi)計算溫度的取值。

《北京地區(qū)冷卻塔供冷設(shè)計指南》提出：內(nèi)區(qū)辦公可取24～25 ℃，內(nèi)區(qū)商場可取22～23 ℃。

冬季熱舒適度(-1≤PMV≤1)對應(yīng)的溫度范圍為18～28.4 ℃，基于節(jié)能的原則，冬季供暖溫度選擇偏冷(-1≤PMV≤0)取18～24℃[2]。筆者認(rèn)為：同理，冬季供冷時，基于節(jié)能的原則，室內(nèi)溫度宜盡量選擇偏熱(0≤PMV≤1),可取22～26℃。

3 送風(fēng)溫度的確定

舒適性空調(diào)系統(tǒng)的送風(fēng)溫差不宜大于10 ℃；有低溫冷媒可利用時，宜采用低溫送風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)；送風(fēng)口表面溫度應(yīng)高于室內(nèi)露點溫度[2]。可見，可采用低溫送風(fēng)，考慮安全因素，送風(fēng)溫度宜高于室內(nèi)露點溫度1 ℃。

為了充分利用新風(fēng)冷源，減少送風(fēng)量，節(jié)約能源，送風(fēng)溫度應(yīng)盡量采用通風(fēng)室外計算溫度并應(yīng)高于室內(nèi)空氣露點溫度1℃。

4 室內(nèi)熱濕負(fù)荷計算

內(nèi)區(qū)房間一般無外圍護(hù)結(jié)構(gòu)，其熱負(fù)荷包括人體顯熱及潛熱、燈光及電器設(shè)備散熱，在沒有加濕或其它散濕時，室內(nèi)的濕負(fù)荷即人體散濕量。

Qx=ql+a×qp+qe

(1)

Qx為單位面積顯熱冷負(fù)荷， W/m2;

ql為單位面積燈光顯熱冷負(fù)荷，W/m2;

qp為一名成年男子的顯熱冷負(fù)荷，W/pe；

a為人員密度，pe/m2，普通辦公室可取0.17pe/m2,商場可取0.25pe/m2;

qe為單位面積設(shè)備散熱冷負(fù)荷，W/m2；辦公室的設(shè)備散熱主要為電腦散熱，每臺計算機(jī)及其屏幕的散熱量可分別按75W、80W計算。商場的設(shè)備散熱可按《公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》取值。

ε為室內(nèi)空氣熱濕比，kJ/kg;

Q為室內(nèi)余熱，kW；W為室內(nèi)濕負(fù)荷，kg/s。

表1列出了辦公及商場在各種室內(nèi)溫度下的熱濕負(fù)荷。

表1 辦公及商場在各種室內(nèi)溫度下的熱濕負(fù)荷表

由表1可見：室內(nèi)溫度降低時，人體顯熱增大，人體潛熱及散濕量減少，室內(nèi)余熱基本保持不變，室內(nèi)熱濕比增大；商場設(shè)備散熱較小，室內(nèi)顯熱略小于辦公室內(nèi)顯熱，室內(nèi)余熱比辦公大5%～25%，人體潛熱及散濕量比辦公大1.5倍，室內(nèi)熱濕比值大約是辦公的40%～50%。

5 室內(nèi)空氣露點溫度及室內(nèi)計算溫度的確定

如圖1所示，室外狀態(tài)點W即送風(fēng)狀態(tài)點，經(jīng)過W點畫出各室內(nèi)計算溫度下的熱濕比線ε交于其對應(yīng)的溫度線，可得到室內(nèi)狀態(tài)點N，經(jīng)過點N沿等濕線畫直線交于100%的相對濕度線即可得露點L。

圖1 新風(fēng)供冷焓濕圖

當(dāng)送風(fēng)狀態(tài)點W一定時，室內(nèi)溫度越低，ε越大，室內(nèi)空氣相對濕度越小，其露點溫度越低，室內(nèi)空氣更不易結(jié)露。當(dāng)tW-tL<1時，可在熱舒適度(-1≤PMV≤1)對應(yīng)的溫度范圍內(nèi)適當(dāng)降低室內(nèi)溫度，減小室內(nèi)空氣露點溫度，以使tW-tL≥1，達(dá)到利用室外新風(fēng)降溫的目的，但降低室內(nèi)溫度取值將造成送風(fēng)量變大，因此室內(nèi)溫度不宜低于下限值22 ℃。

如圖2所示，粗虛線為辦公的熱濕比線，粗實線為商場的熱濕比線。商場的熱濕比小于辦公熱濕比，熱濕比線向右傾斜，在送風(fēng)狀態(tài)點及室內(nèi)溫度一定時，商場的室內(nèi)空氣相對濕度及露點溫度更高，更易產(chǎn)生結(jié)露。因此，當(dāng)新風(fēng)直接送入室內(nèi)供冷，且未對室內(nèi)空氣加濕或減濕處理的情況下，商場室內(nèi)溫度取值應(yīng)比辦公室內(nèi)溫度更低。

圖2 辦公及商場新風(fēng)供冷焓濕圖

以廈門為例：冬季室外通風(fēng)計算溫度tW=12.5℃，當(dāng)辦公室內(nèi)計算溫度取26℃時，室內(nèi)空氣露點溫度tL=11.9℃，送風(fēng)溫度高于室內(nèi)露點溫度但不滿足tW-tL≥1；室內(nèi)溫度取值為24℃時，tL1=11.1℃，滿足tW-tL1≥1，即冬季辦公室內(nèi)溫度取24℃時，可直接利用室外新風(fēng)供冷。

同樣以廈門為例：當(dāng)商場室內(nèi)溫度取值降至19℃時，tL4=11.3℃，才滿足tW-tL4≥1，此時送風(fēng)溫差為19-12.5=6.5℃。可見利用新風(fēng)直接供冷時，商場室內(nèi)計算溫度應(yīng)低于辦公室內(nèi)計算溫度。

各地區(qū)室內(nèi)空氣露點溫度計算結(jié)果見表2。

表2 各地區(qū)各種室內(nèi)計算溫度下露點溫度

6 風(fēng)量計算

L為消除室內(nèi)顯熱，單位面積所需的新風(fēng)量m3/(h·m2)；

c為空氣比熱容，取1010J/(kg·℃) ；

ρ為空氣密度，取1.2kg/m3；

tn為室內(nèi)計算溫度，ts為新風(fēng)送風(fēng)溫度，℃。

把c及ρ值代入式2，得:

表3列出了福建各地區(qū)利用室外新風(fēng)供冷的送風(fēng)量。

表3 各地區(qū)利用室外新風(fēng)供冷送風(fēng)量

由表2～表3可見，漳州、廈門、龍巖、福州、南平內(nèi)區(qū)辦公用房冬季室內(nèi)溫度在22～26℃時，室內(nèi)空氣露點溫度低于室外通風(fēng)計算溫度1℃，可直接利用室外新風(fēng)供冷，送風(fēng)量為空調(diào)新風(fēng)量的1.8～2.4倍；三明、寧德由于室外新風(fēng)溫度低，室溫降至18℃仍不滿足室內(nèi)空氣露點溫度低于室外通風(fēng)計算溫度1℃，室外新風(fēng)不能直接送入辦公室內(nèi)。

漳州、廈門、龍巖、福州內(nèi)區(qū)商場冬季如直接利用室外新風(fēng)供冷，室內(nèi)溫度在19～20℃之間，送風(fēng)量大，為空調(diào)新風(fēng)量的3.4～4.6倍；南平、三明、寧德如直接利用室外新風(fēng)送入內(nèi)區(qū)商場，室溫降至18℃仍不滿足室內(nèi)空氣露點溫度低于室外通風(fēng)計算溫度1℃。

當(dāng)室內(nèi)溫度低于熱舒適度0≤PMV≤1的下限值，將造成人員不適，且送風(fēng)溫差小，送風(fēng)量大，風(fēng)管尺寸偏大，輸送能耗增加。

為避免結(jié)露及上述問題，可適當(dāng)提高送風(fēng)溫度，對新風(fēng)進(jìn)行預(yù)熱或新風(fēng)與部分室內(nèi)空氣混合。

7 新風(fēng)預(yù)熱及新風(fēng)與部分室內(nèi)空氣混合

如圖3所示，室外新風(fēng)點W沿等濕線加熱至W1點，經(jīng)W1點畫各室內(nèi)計算溫度下的熱濕比線與相應(yīng)的溫度線相交即得到室內(nèi)狀態(tài)點。當(dāng)tw1=15℃時，室內(nèi)溫度tN3=24℃對應(yīng)的露點溫度tL3=13.8℃，tW1-tL3>1，送風(fēng)不結(jié)露，此時送風(fēng)溫差為24-15=9℃。預(yù)熱新風(fēng)需額外增加能耗，而送風(fēng)溫差變大，送風(fēng)量及風(fēng)機(jī)能耗減小。此方法需增加熱源，系統(tǒng)較復(fù)雜，是否節(jié)能需綜合比較加熱能耗及風(fēng)機(jī)能耗后確定。

圖3 新風(fēng)預(yù)熱焓濕圖

如圖4所示，新風(fēng)W與部分室內(nèi)空氣N混合至點C，使其高于室內(nèi)露點溫度1℃。繪出干球溫度線tC=tL+1，與相應(yīng)的室內(nèi)溫度下的熱濕比線相交于點C，即為混合狀態(tài)點。當(dāng)tN=26℃時，tC=17.8℃；tN1=24℃時，tC1=15.9℃；tN2=22℃時，tC2=14.3℃；送風(fēng)溫差均約為8℃。此方法送風(fēng)溫差比直接送風(fēng)時的6.5℃更大，風(fēng)量更小；而且不需任何熱源，簡便可行，僅需把原有的新排風(fēng)管路進(jìn)行局部連接即可實現(xiàn)(圖5)，但應(yīng)注意將新排風(fēng)機(jī)房臨近設(shè)置以便新排風(fēng)旁通管連接。

圖4 新回風(fēng)混合焓濕圖

圖5 新回風(fēng)混合平面圖

也有文獻(xiàn)提出將新風(fēng)接入風(fēng)機(jī)盤管出風(fēng)管，冬季開啟風(fēng)機(jī)盤管，新風(fēng)與回風(fēng)混合后送入室內(nèi)。但風(fēng)機(jī)盤管的運(yùn)行與否及風(fēng)速檔位對空調(diào)新風(fēng)量有較大影響。因此，筆者不建議此種做法。

根據(jù)能量守恒原理，不同狀態(tài)的空氣混合時：

GW×hW+(G-GW)×hN=G×hC

(5)

如圖6，△CNA與△WNB相似，依三角形相似原理:

圖6 新回風(fēng)混合計算圖

聯(lián)合式(6)、(7)可得：

GW、G分別為新風(fēng)量、總送風(fēng)量；hC、hN、hW分別為混合點C、室內(nèi)點N、室外點W的焓值；CN、WN為焓濕圖上線段的長度。

根據(jù)式(8)和焓濕圖， 可求得混合過程的新風(fēng)量與總送風(fēng)量，見表4。

表4 新風(fēng)與部分室內(nèi)空氣混合的風(fēng)量計算

但應(yīng)特別注意：當(dāng)新風(fēng)溫度較低時，混合的新風(fēng)量較小，可能不滿足最小新風(fēng)量要求，此時只能利用額外熱源進(jìn)行預(yù)熱。當(dāng)混合線穿過100%相對濕度線(即穿過結(jié)霧區(qū))時，也應(yīng)將室外新風(fēng)預(yù)熱后再送入室內(nèi)。

8 結(jié)論

(1)冬季新風(fēng)供冷室外計算溫度應(yīng)按通風(fēng)室外計算溫度，室外計算相對濕度可按冬季空調(diào)室外計算相對濕度。

(2)冬季供冷室內(nèi)計算溫度宜取22～26℃，具體溫度取值應(yīng)根據(jù)各室內(nèi)溫度下的熱濕負(fù)荷及利用焓濕圖進(jìn)行計算比較，以室內(nèi)空氣露點溫度低于送風(fēng)溫度1℃及盡量按計算溫度范圍的上限取值，以盡量節(jié)能為原則。

(3)商場內(nèi)散濕量大，濕度大，室內(nèi)空氣露點比辦公室低，更易結(jié)露，因此，當(dāng)不對新風(fēng)進(jìn)行任何處理而直接送風(fēng)時，商場室內(nèi)計算溫度應(yīng)低于辦公室內(nèi)計算溫度。

(4)福建省除三明、寧德地區(qū)外，內(nèi)區(qū)辦公用房冬季均可直接利用室外新風(fēng)供冷，室內(nèi)溫度為22～26℃，送風(fēng)量為空調(diào)新風(fēng)量的1.8～2.4倍。三明、寧德地區(qū)室外新風(fēng)需與部分室內(nèi)空氣混合后或預(yù)熱后方可送入，混合后總送風(fēng)量為空調(diào)新風(fēng)量的1.6～2.1倍。

(5)福建省內(nèi)各地區(qū)內(nèi)區(qū)商場冬季均不宜利用室外新風(fēng)直接供冷，應(yīng)與部分室內(nèi)空氣混合后送入室內(nèi)，混合后總送風(fēng)量為空調(diào)新風(fēng)量的2.6～3.5倍，新風(fēng)量為空調(diào)新風(fēng)量的1.2～3.1倍。