剧场空间转换空调系统的应用研究.doc

剧场空间转换空调系统的应用研究-地上侧送风方式1研究背景近年来，对节能，空气品质的认识的加强，使在北欧广为普及的置换空调（源于工业用置换通风：displacement ventilation。现已被广泛应用于民用空调，本文中称为置换空调）受到关注，并在日本的许多大型建筑物空间空调工程中得到应用。置换空调系统以其既保证了居住域的空气品质，又有效的利用了空间上下温度分布达到其节能目的特点向传统的混合稀式空调提出了挑战。剧场的高大空间应该是最能发挥置换空调系统的长处的适用对象，而另一方面，对于人员密度大，具有阶梯坐席的剧场空间，置换空调方式的应用面临风口如何合理布置，热舒适性如何确保的问题。为此，本研究旨在通过对剧场转换空调的各种送风方式的实测，实验，cfd模拟研究，积累设计数据，确立有效的设计手段和评价方法。2置换空调方式的原理和特征置换空调方式并非新发明的空调方式，其简单明了的原理在很早以前就被人们所认识过，但上升到工程技术和学术高度则是在1987年后北欧学者p.v.nielsen1)，m.undt.elisabeth2）等的研究后，自1990后北欧的空调末端设备厂商的产品技术也基本确立，hakon skistad3)氏从理论到实践作了系统的归纳整理。最近，针对置换空调方式的推广，美国新制定了置换空调设计指针4）。对置换空调的理论研究，由于篇幅关系，笔者在此不作过多涉及，而是着重探讨置换空调在实际工程中的应用问题。3剧场空间置换空调方式的实测研究最近，在剧场大空间空调中采用置换空调方式的事例增多，但在观众席区域具有人员热负荷集中，地面有高差等特点，致使确保工作区域对热舒适性，温度分层等带来一定的不利因素。需在设计中有所考虑并有必要在实际工程中验证。对于剧场观众席空间，置换空调的送风形式分为地面附近两侧送风和座席送风两大类。地面附近侧送风方式其风口设置简单，但涉及到建筑内装饰协调问题，占用地面面积，需得建筑设计师的认同与配合。图2是一实施工程事例5）。一层观众席面积为600。501个座席，二层两则60座席。图1置换空调系统的特征图2 某k音乐大厅置换空调系统图3 实测测点平面布置图4 测试结果：座席中央断面温度分布 图5 置换（dv）/混合（mix）空调的温度分布图6 两空调方式的换气效率的比较该建筑物主要用途为音乐会，集会等文化交流活动，室内空间高达15.7m，空间上部有大量照明热负荷，下部观众席呈密集人体热负荷形式。无论是采用顶送或是侧送的传统的混和稀释空调方式（mixing），无疑难以满足合理，节能，舒适的要求。尤其是冬季送暖风时的气流组织往往难于处理好。对此，在得到建筑师认同后决定采用置换空调方式。鉴于该空间观众席的地面坡度不大，将风口均布在观众席的两侧及前后见。1997年夏对该系统的夏季工况下的室内温热环境，通风换气效率进行了实测验证。表1 实测内容及测试仪器：实测内容测试设备空气，壁面温度温度自动记录仪am7002e，tm5458空气湿度多点热球式风速仪fa491，fz454空气流速vaisala制hmp45a舒适感评价指标pmvpmv制携带型计测仪 am101换气效率（sf6示踪气体浓度分布）b&k制示踪气体监测仪 1302 b&k制多点示踪气体采样仪 1303气流可视化试验发烟装置表2 测试条件送风温度排风温度风量m3/h投入热量kw置换空调21.730.826000人体模拟30.6照明46.0完全混合空调21.529.026000测试用搅拌风机6.4照明46.04实测结果考察：温热环境测试：置换空调工况：在每个座席上采用了黑涂膜灯泡（出于对热辐射的考虑）作为人体显热负荷的模拟（60w/人），除建筑围护结构热负荷外共投入热量度76.6kw。送/回风温度控制在22/30，风量固定为26000m3/h。实际从送回风实测温差和风量计算出除热量为73.8kw。比投入热量少约5w/.这种情形在置换空调系统的实验或实践中常碰到，笔者认为可能是室上部排风温度较高，一部分热量从屋顶散失掉所致，其机理还有待进一步研究。混合空调工况：送回风温度，风量控制在与置换空调工况相同水平，结果投入热量为52.4kw(未投入模拟人体热负荷)，实测除热量为60.8kw，比投入热量多约14w/，该结果与置换空调工况相反，很有可能是：与置换空调相比，室内全体要维持设计温度致使来自围护结构的传热负荷较大。（上记两种工况的室内投入热负荷中不含来自围护结构的传热负荷）注：为模拟混合空调工况，在场内平面均匀配置搅拌风机，将置换空调系统的送入室内的空气混合搅拌。两工况送回风温度，风量近似相同。综合上述情况可见，对在大空间的置换空调系统，其空调负荷计算除应区分空间上下负荷分布外，还有必要考虑由于空间上下温度分布对建筑围护结构传热负荷的影响。通风换气效率测试：换气效率的测定采用step-down方法，根据示踪气体的浓度cp衰减曲线按下式计算出局部空气龄p，然后求出局部空气交换效率p如此大规模的对湿热环境，换气效率的现场实测非常少见，该实测在大学，设计事务所，设备安装公司，置换空调设备厂商的共同配合下成功实施，积累了宝贵的测试数据资料，如图4图6所示，有效的对置换空调系统的舒适性，高换气效率进行了实证。上下温度分布：从测试数据和可视化实验确认了置换空调在空间内形成的上下温度分布，即温度分层。而温度分层正是置换空调系统高换气效率的必要条件。另一方面，在工作区域的上下温度差控制在1.5以内，满足了舒适性要求。换气效率：从图6可知，置换空调时在工作区域可得到大大高于混合空调时得通风换气效率。舒适性：上下温度差在容许范围内，且pmv值均在0.5以内，除风口附近个别测点得风速超过0.3m/s外，其余均在0.25m/s以下。不会产生因气流引起得不舒适感。从测试结果看，该项目的空调设计是很成功的，基本达到了原设计要求。该工程荣获了日本2000年度空调卫生工学会的技术振兴奖。5. 参考文献住宅小区集中供冷优化管理系统及其基于网络的实现1 引言建筑能耗在全球能源的消耗中占有相当大的比例，在一些发达国家，其比例有的已达到40%。我国作为一个发展中国家，近年来建筑能耗所占的比重也越来越大，业已占到全国总能耗的20%左右，这其中更有85%的是用于建筑的采暖和空调1。由于我国用于发电的一次能源在多为原煤（原煤发电约占总量的75%左右），而原煤属于不清洁能源，其在开采、运输、使用过程中都会对环境造成极大的污染。因此，做好建筑能耗的优化管理就可达到节约能源和保护环境的双重目的。住宅小区集中供冷是指通过小区内的管网向用户输配供应冷源机房生产的冷水，以满足用户空气调节的需要。由于集中供冷的规模效应，使得它在防止大气污染、提高能源利用率、有效利用空间、全国各地和资金、美化城市形象等方面具有十分突出的优点，非常符合绿色建筑、健康住宅的健康、舒适、节能、环保的要求，因而有着重大的经济效益和社会效益，是现代化住宅小区建筑空调发展的必然趋势。由于住宅小区的集中供冷系统非常复杂，因此对其进行优化管理必须引进系统工程的概念，不能仅仅只从技术或经济的角度对其进行考虑，而应该全面考虑技术、经济、环境、人文等多方面因素。基于以上这种理念，我们经过大量的工作后，提出了基于网络技术的集中供冷优化管理系统框架及其实现途径。该系统充分利用控制、计量、废热利用等多种手段，对住宅小区集中供冷系统的设计、建造、使用等过程进行全程优化管理。 2 集中供冷优化管理系统本文提出的住宅小区集中供冷优化管理系统包括以下几个部分：住宅小区集中供冷冷源决策系统、住宅小区集中供冷最优设计系统、集中供冷系统与人工景观相结合的技术、住宅小区集中供冷协调控制系统和住宅小区集中供冷自动计费系统。21 住宅小区集中供冷冷源决策系统2传统的集中供冷冷源决策往往只注重某个方面因素的分析，而不涉及复杂因素的相互影响。由于住宅小区集中供冷是一个非常复杂的系统，其最优性受到技术、经济、环境、文化等多个方面的制约，因此，仅仅只从某个方面进行分析，肯定不能得出一个满意的结果。本文提出的住宅小区集中供冷冷源决策系统采用美国数学家t.l.sady教授在20世纪70年代提出的层次分析法（analytical hierarchy process，简称ahp）对住宅不区的集中供冷冷源进行决策。层次分析法是一种把数据、专家意见和分析人员的判断有效结合的方法，是一种定性分析和定量分析相结合的系统分析方法。它把一个复杂的问题分解成各组成因素，然后用两两比较的方法确定决策方案中各因素的相对重要性。由于住宅小区集中供冷冷源决策中具有诸多因素不能明确化的特点，如系统对环境的影响以及系统的可靠性等，因此，层次分析法能很好地应用于集中供冷系统的冷源决策过程。22 住宅小区集中供冷最优设计系统3冷源形式确定后，利用住宅小区集中供冷最优设计系统可以对系统进行设计。该系统采用计算机模拟分析的方法，以整个集中供冷为其优化对象。它首先对住宅小区集中供冷的全年能耗按变基准温度度日法进行预测，然后采用寿命周期费用（life cycle cost，简称lcc）分析法对整个集中供冷系统进行经济分析，从而得出冷源以及冷水输配系统的最佳配置、冷水的最优供回水温差等。23 集中供冷系统与人工景观相结合的技术3随着人们生活水平的提高，人们对环境的要求也越来越高，在一些住宅小区中，喷泉和人造瀑布等人工景观随处可见。集中供冷系统的冷却塔通常会发出较大的噪声，且其形象与周围环境也极不协调。因此，我们特提出了一种利用喷泉或人造瀑布来代替冷却塔对循环冷却水进行冷却的方案（图1和图2）。采用这种方案后，可以达到美化环境、改善小区微气候，减少冷却塔的投资和消除冷却塔的运行噪声等目的，从而使得集中供冷系统对小区环境的影响降到最小。图1喷泉冷却方式 图2 人工瀑布冷却方式通过对该方案的热力分析和其它相关技术的研究表明，经过精心的设计、完善的运行管理、巧妙的布局，将循环冷却水应用于小区水景工程中是完全可行的。24 住宅小区集中供冷协调控制系统4集中供冷系统可以分为四个部分：冷源、冷却水系统、冷水系统和末端用户。由于受计算机技术、通信技术、电子技术等科学的限制，传统的集中供冷系统一般采用和设备单体控制的方法，即系统中每个部分的控制都是各自为政，没有考虑集中集中供冷中各个部分之间的相互影响，每个部分都有着自己独立的控制方案，而不是从系统的整体出发，没有一个统一的最优控制方案。另外，其每个部分的控制方案都是一成不变的，都是建立在一些凭经验建立的数学模型上，而没有考虑到具体系统的不同。与传统的控制方案不同，集中供冷协调控制系统把整个集中供冷系统（除开末端用户部分）作为自己的优化控制目标，不再只是孤立地对各个部分进行控制，而是充分考虑到各个部分之间的相互影响。在集中供冷协调控制系统中，它不仅利用最新的计算机通信技术把整个系统有机的联合起来，而且还利用人工智能新技术对整个系统的控制过程进行最优化的处理，最后，它利用节能效果极佳的变频技术使整个系统真正在最节能最高效的状况下运行。25 住宅小区集中供冷自动计费系统5在我国，由于各方面的原因，现有的对集中供冷的收费仍采用传统的按面积收费的方法，该方法存在着许多的弊端，造成了能源的大量浪费。由于集中供冷计费能够将用户的自身利益与其能量的消耗结合起来，这势必会增加用户的节能意识，推动节能工作的良性向前发展，并使得用户的生活水平环境不断地提高和改善。因此，在集中供冷的住宅小区中必须进行分户计费。通过对现有集中供冷收费方法进行详细地分析后，我们提出了一个基于公平的集中供冷计费方法，该方法充分考虑到各用户围护结构的不同和用户之间热传递所带来的影响，因此可以大幅减少在计费中出现的一些纠纷，增加计费的公平性。在此基础上开发集中供冷计费系统可以自动对各用户消耗的冷量进行计量，并可根据积压用户的围护结构对其消耗的冷量进行自动调节。采用住宅小区集中供冷自动计费系统后，可以促进用户更加主动地节约能源，从根本上杜绝集中供冷能源的人为浪费。3 集中供冷优化管理系统的网络实现通过对住宅小区集中供冷系统和各种通信技术的综合分析，集中供冷优化管理系统采用lontalk作为自己的通信协议来集成集中供冷系统内的各类子系统：集中供冷协调控制系统、集中供冷自动计费系统以及其他控制或管理子系统。lonworks现场总线拓扑结构灵活多变，可根据建筑物的结构特点采用不同的网络连接方式，具有高度的可靠性、较好的可维护性和扩充性。在lonworks现场总线中，由于采用统一的数据结构-网络变量，各类设备采集的数据可以共享，因此能节约大量的设备费用。建立在lonworks现场上的lontalk是一种开放性通信协议，遵守协议的设备和系统可以直接互连，组成无主站点对点的分布式网络。由于lontalk通信协议已被子世界上3000多家著名企业采用，使得其已成为事实上的行业标准。集中供冷优化管理系统可能通过internet与外界联系，这使得决策人员、操作人员和管理人员可以集中供冷系统进行远程监控。当系统出现故障时，维修人员可在千里之外对其进行处理，因而能节省大量的人力和物力。（图3）图3 集中供冷优化管理系统在集中供冷优化管理系统中，我们采用密套接字协议层（security socket layer，简称ssl）技术来保证系统的安全性，允许客户/服务器应用程序之间的通信不会被偷听、篡改和伪造。协作管理环境（cooperation management enviroment,简称cme）软件功能模块包括电子白板、基于web的访问工具、多媒体数据存储、文本信息交流工具和传输工具，通过这些工具，监控人员即使在千里之外，也会觉得自己跟被管理的设备近在咫尺。4 应用实例应深圳市某单位的要求，我们利用本文提出的住宅小区集中供冷优化管理系统对深圳市某住宅小区的集中供冷系统进行了方案设计。该住宅小区位于深圳市区，预计住户总数将达到31240户。根据该小区的规划，我们拟设立三个集中供冷系统对小区进行供冷，其中，系统a共有住户13337户，系统b共有住户8691户，系统c共有住户9212户。 以下是我们为该小区设计的集中供冷系统部分方案：（1）集中供冷冷源使用的能源，可以分为电力方式、热力方式和混合方式。其中热力方式包括燃气、燃油、燃煤、外部供汽四种情况，混合方式指电力与热力兼有的方式。与以上三种能耗方式对应，集中供冷系统常用的冷源设备主要是离心式（或螺杆式）制冷机和吸收式制冷机（包括直燃吸收式制冷机和蒸汽型吸收式制冷机）。根据本文提出的集中供冷冷源决策系统和深圳当地的能源政策，考虑到设备的初投资（包括增容费）、运行费用（与当地的电价、燃油价、天然气价等密切相关）、工作可靠性、对环境的影响等几个方面的因素后认为：在该小区的集中供冷系统中采用燃油价、天然气价等密切相关）、工作可靠性、对环境影响等几个方面的因素后认为：在该小区的集中供冷系统中采用燃气型直燃机具有最佳的经济和环境效益。（2）由地该住宅小区集中供冷系统的供冷范围比较大，这就使得冷水输送系统的消耗的能量非常大，而且室外管网的初投资和管网的冷损失也随着增大。通过对整个系统的优化分析，发现当维持冷水机组的供水温度不变而提高回水温度时，可以提高整个集中供冷系统的经济性。经过详细计算确定，该小区集中供冷系统的最佳供回水温差为t=89。（3）为了进一步美化该住宅小区的环境，我们设计了利用人工瀑布或喷泉代替冷却塔对循环冷却水进行冷却的方案。具体方案为：在喷泉、瀑布跌落的水池中堆放一定的淋水填料，在填料的下部安装有风机，这样就形成一个降低水温用的冷却构筑物。其中，风机用来加大通风量，而淋水填料可以将水滴变成更小的水滴或很薄的水膜，以增大水与空气的接触面积和延长两者的接触时间，从而加强水与空气的热湿交换。水的冷却过程主要是在淋水填料中进行。（4）小区集中供冷协调控制系统分别采集集中供冷系统中的冷却水流量、冷冻水流量、冷却水入口温度、冷冻水出口温度、冷却水塔风机功率及开启台数、冷却水泵功率及开启台数、冷冻水泵功率及开启台数、机组的能耗量（燃料量或耗电量）等参数后，在中央控制计算机上运用