基于溫濕度獨(dú)立控制的養(yǎng)老院空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

朱慧敏，武曄秋，丁 源

（1.山西大同大學(xué)煤炭工程學(xué)院，山西大同 037003；2.山西大同大學(xué)建筑與測(cè)繪工程學(xué)院，山西大同 037003）

養(yǎng)老是當(dāng)下社會(huì)普遍關(guān)注的民生問題，“十四五”的養(yǎng)老服務(wù)規(guī)劃，是以促進(jìn)養(yǎng)老事業(yè)與產(chǎn)業(yè)協(xié)調(diào)發(fā)展為目標(biāo)。當(dāng)前大多數(shù)養(yǎng)老院通過空調(diào)來(lái)調(diào)節(jié)室內(nèi)空氣質(zhì)量，如李國(guó)棟[1]等人是通過對(duì)VRV多聯(lián)機(jī)空調(diào)和分體空調(diào)的研究解決養(yǎng)老院的通風(fēng)和供暖問題；周國(guó)平[2]通過研究空調(diào)冷熱源以及水系統(tǒng)，設(shè)計(jì)出柜式空調(diào)機(jī)組全空氣低速空調(diào)系統(tǒng)對(duì)醫(yī)養(yǎng)結(jié)合大樓中的大區(qū)域進(jìn)行通風(fēng)；百曉清[3]通過計(jì)算養(yǎng)老院的能耗，對(duì)空調(diào)系統(tǒng)中的變水量系統(tǒng)以及變風(fēng)量系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能改造，最終采用單體式空調(diào)加新風(fēng)系統(tǒng)的方式改善養(yǎng)老院室內(nèi)的空氣質(zhì)量；陳琦珂[4]利用空調(diào)的冷卻功能控制室內(nèi)溫度，對(duì)居住區(qū)域溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)。由于普通空調(diào)系統(tǒng)是溫濕度同期處理，故易滋養(yǎng)病菌，影響空氣品質(zhì)。為此，在普通空調(diào)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，利用溫濕度獨(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng)為整個(gè)房間提供足夠的新風(fēng)和調(diào)節(jié)室內(nèi)熱濕條件，可改善傳統(tǒng)空調(diào)能耗大、易患空調(diào)病等弊端。

1 溫濕度獨(dú)立控制空調(diào)原理

養(yǎng)老院中的老年人對(duì)室內(nèi)熱濕的適應(yīng)性較差，若溫濕度同期處理會(huì)滋生細(xì)菌，所以需采用溫濕度獨(dú)立控制系統(tǒng)，既可以節(jié)省大量能耗，還可以大大降低病原體滋生。養(yǎng)老院獨(dú)立溫濕控制系統(tǒng)主要由溫度獨(dú)立控制系統(tǒng)和濕度獨(dú)立控制系統(tǒng)兩部分組成（如圖1），包括高溫冷水機(jī)組、新風(fēng)處理機(jī)組、去濕顯熱的室內(nèi)末端裝置和去潛熱的室內(nèi)送風(fēng)末端裝置這四大核心部件。

圖1 溫濕度獨(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng)原理圖

整個(gè)系統(tǒng)是通過處理潛熱的系統(tǒng)來(lái)對(duì)養(yǎng)老院室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行除濕的，可選用16℃～18℃范圍內(nèi)的高溫冷水，以減少顯熱負(fù)荷，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。同時(shí)，高溫冷水可以作為地下水、土壤以及湖水等天然冷源的補(bǔ)充。

2 獨(dú)立溫濕控制系統(tǒng)裝置

2.1 溫濕度獨(dú)立控制系統(tǒng)裝置設(shè)計(jì)

選擇以光伏發(fā)電效率在12%左右的多晶硅太陽(yáng)電池作為研究對(duì)象。這種電池的光伏發(fā)電效率相比于單晶硅太陽(yáng)電池雖然要低一些，但是制作過程簡(jiǎn)單，能耗較低，整體制作成本也相對(duì)較低，適合于大規(guī)模應(yīng)用。

太陽(yáng)能電池板放置位置如圖2。太陽(yáng)能電池板沿養(yǎng)老院朝向安裝于屋頂，根據(jù)安裝要求，傾角應(yīng)為當(dāng)?shù)鼐暥燃訙p0°～5°，北半球向南，南半球向北。以大同市為例，大同位于北緯40°03′，確定安裝角為45°，朝向?yàn)檎?，以保證系統(tǒng)輸出最多的電能。

圖2 太陽(yáng)能電池板放置位置

利用高溫冷水取代傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)中低溫冷水所承擔(dān)的大部分熱濕負(fù)荷，可大大提高制冷效率，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。在溫濕度獨(dú)立控制空調(diào)中，以高溫冷源為主冷源，承擔(dān)著室內(nèi)所有的顯熱負(fù)荷和部分的新風(fēng)負(fù)荷，其所占的比例超過50%。

養(yǎng)老院室內(nèi)的潛熱負(fù)荷由新風(fēng)承擔(dān)，新風(fēng)處理方式主要是溶液除濕、固體除濕和冷凝除濕。通過對(duì)養(yǎng)老院環(huán)境特點(diǎn)進(jìn)行分析，最終采用溶液對(duì)空氣進(jìn)行除濕處理，其優(yōu)點(diǎn)在于除濕過程完全不產(chǎn)生潮濕表面，杜絕霉菌滋生，減少“病態(tài)建筑綜合癥”及各種空氣傳播疾病。

末端裝置采用貼壁式散流器，并選擇將其安裝在墻壁底部，設(shè)計(jì)成下進(jìn)風(fēng)上出風(fēng)的方式，工作原理如圖3。因?yàn)槌鲲L(fēng)口選擇在上端會(huì)使引入的新風(fēng)不受阻擋，并且在進(jìn)出之間形成渦流，有利于室內(nèi)污濁空氣的排出。為防止老年人受風(fēng)過涼并降低吹風(fēng)感，控制散流器送風(fēng)的風(fēng)速為0.15～0.35 m/s，以此讓獨(dú)立濕度控制系統(tǒng)完全承擔(dān)潛熱負(fù)荷和部分室內(nèi)的顯熱負(fù)荷。

圖3 夏季下進(jìn)上出的置換通風(fēng)的工作原理圖

風(fēng)機(jī)盤管是一種空調(diào)設(shè)備，其工作原理較為復(fù)雜，但主要是通過風(fēng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)和熱交換器的熱傳遞來(lái)達(dá)到調(diào)節(jié)室內(nèi)空氣溫度的目的。其主要由風(fēng)管、風(fēng)機(jī)、盤管及控制系統(tǒng)組成，如圖4。

圖4 干式風(fēng)機(jī)盤管工作原理圖

在風(fēng)機(jī)盤管設(shè)備中，空氣通過風(fēng)機(jī)的吸入進(jìn)入設(shè)備，然后通過熱交換器進(jìn)行加熱或冷卻。之后，這些經(jīng)過處理的空氣被吹入室內(nèi)，使得室內(nèi)的溫度維持在舒適的范圍內(nèi)。為了實(shí)現(xiàn)精確的溫度控制，往往需要使用控制系統(tǒng)進(jìn)行智能調(diào)控，以保證室內(nèi)溫度始終維持在設(shè)定的范圍內(nèi)。在單獨(dú)的溫控系統(tǒng)中，夏天所選用的高溫冷源是一臺(tái)間接蒸發(fā)冷水機(jī)組，它利用室外的干空氣來(lái)產(chǎn)生15℃～20℃的高溫冷水，并將其輸送到室內(nèi)的末端裝置中。

2.2 溫濕度自動(dòng)化檢測(cè)設(shè)計(jì)

在溫濕度獨(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，外加溫濕度自動(dòng)化檢測(cè)調(diào)節(jié)裝置（如圖5）。這個(gè)裝置可以實(shí)時(shí)監(jiān)控并自動(dòng)調(diào)整環(huán)境中的溫度和濕度，使得整個(gè)設(shè)計(jì)在功能上更加全面，更加實(shí)用。溫濕度獨(dú)立調(diào)節(jié)裝置的核心構(gòu)造包括了溫敏元件、濕敏元件、轉(zhuǎn)換元件以及輔助電路和基本轉(zhuǎn)換電路。這些元件和電路相互配合，共同實(shí)現(xiàn)了溫濕度的自動(dòng)化檢測(cè)與調(diào)節(jié)。

圖5 溫濕度自動(dòng)化檢測(cè)設(shè)計(jì)圖

3 養(yǎng)老院溫濕度獨(dú)立控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真

養(yǎng)老院室內(nèi)溫濕度獨(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng)基本工作原理和各部分裝置，如圖6。該系統(tǒng)主要由太陽(yáng)能電池板、干式風(fēng)機(jī)盤管、貼壁散流器等組成，可有效改善養(yǎng)老院內(nèi)的環(huán)境，避免過多能源的消耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，還可以從源頭防止病菌的滋生，提高室內(nèi)空氣品質(zhì)，對(duì)老人的身心健康具有積極的影響。通過調(diào)節(jié)空調(diào)系統(tǒng)的溫度和濕度，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)環(huán)境的精確控制，同時(shí)可以避免傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)存在的問題；此外，該系統(tǒng)的智能化控制和調(diào)節(jié)功能也可以實(shí)現(xiàn)能源的節(jié)約和優(yōu)化利用，進(jìn)一步降低能源消耗。

圖6 養(yǎng)老院室內(nèi)環(huán)境改善裝置

利用Space Claim 對(duì)養(yǎng)老院室內(nèi)的送風(fēng)口、出風(fēng)口進(jìn)行三維建模（如圖7）。三維建模的關(guān)鍵是要確保模型的精確性和實(shí)用性。在建模過程中，需要充分考慮到送風(fēng)口風(fēng)速、風(fēng)量大小以及環(huán)境等重要因素，以確保室內(nèi)空氣流通、舒適度和安全性。為達(dá)到預(yù)計(jì)目標(biāo)，將送風(fēng)口設(shè)置在房間的上部，出風(fēng)口則設(shè)置在側(cè)墻高處，這樣一來(lái)就能實(shí)現(xiàn)均勻送風(fēng)、充分通風(fēng)及排除廢氣的目標(biāo)。

圖7 養(yǎng)老院室內(nèi)模型圖

在完成三維模型的構(gòu)建后，將所構(gòu)建出的圖形導(dǎo)入FLUENT 軟件中，對(duì)養(yǎng)老院溫濕度獨(dú)立控制空調(diào)的室內(nèi)氣體流動(dòng)進(jìn)行仿真。為了更準(zhǔn)確地模擬實(shí)際情況，將入風(fēng)口風(fēng)速調(diào)節(jié)至5 m/s，仿真結(jié)果如圖8。通過仿真，可以更加直觀地觀察到空調(diào)系統(tǒng)在不同條件下的運(yùn)行效果，為養(yǎng)老院的運(yùn)營(yíng)和管理提供了重要的參考依據(jù)。

圖8 流體仿真圖

通過FLUENT 軟件仿真模擬，明顯看出溫濕度獨(dú)立控制系統(tǒng)在室內(nèi)環(huán)境中形成旋渦。利用精密的空氣動(dòng)力學(xué)原理，將冷空氣在整個(gè)室內(nèi)環(huán)境中進(jìn)行循環(huán)流動(dòng)，確保室內(nèi)的每個(gè)角落都能得到均勻且持久的通風(fēng)，并且降溫效果顯著，從而達(dá)到改善養(yǎng)老院室內(nèi)環(huán)境的效果。

4 總結(jié)

獨(dú)立溫濕控制空調(diào)系統(tǒng)主要利用太陽(yáng)能電池板改善了傳統(tǒng)空調(diào)能耗大、易患空調(diào)病等弊端，該系統(tǒng)具有節(jié)能環(huán)保，污染小，能為室內(nèi)通入高質(zhì)量、潔凈的自然風(fēng)，并且能更快地除濕除熱。通過FLUENT流體仿真的結(jié)果可以看出，該系統(tǒng)的環(huán)境改善效果顯著，實(shí)用性強(qiáng)，可提供較為適合老年人居住的環(huán)境。