置换通风与冷却顶板_周鹏.pdf

专题研讨 置换通风与冷却顶板 同济大学 周 鹏 李强民 提要 介绍了冷却顶板和置换通风的基本原理 以及两者在提高人体热舒适性和室内空 气品质方面的优越性 并指出两者的结合使用可带来明显的节能效果 关键词 冷却顶板 置换通风 热舒适 室内空气品质 节能 Displacement ventilation and cooled ceiling By Zhou Peng and Li Qiangmin Abstrac t Present s t he principles ofc ooled c eiling and displac ement vent ilat ion t heir advant ages in improving t hermal comf ort and indoor air qualit y and remakable energy saving ef f ect s of t he combinat ion of t he t wo syst ems Keywords c ooled ceiling displac ementvent ilat ion t hermalcomf ort indoor air qualit y energy conservat ion 周鹏 男 1974 年5 月生 硕士 助理工程师 200092 上海市赤峰路71 号 同济大学南校区 同济规划建 筑设计研究总院 021 65980410 收稿日期 1998 06 10 稿件修回日期 1998 08 02 1 概述 空调发展到现在 其任务已不仅限于保证室内 的温湿度要求 而应向更高层面的创造良好的舒适 环境 提高室内空气品质和节约能源的方向发展 最近几年 空调系统设计的两种新方法 置换通 风和冷却顶板 由于在热舒适 室内空气品质和节 能方面的优越性 在西欧 北欧已被广泛采用 置换通风以低速在房间下部送风 气流以类似 层流的活塞流的状态缓慢向上移动 到达一定高度 受热源和顶板的影响 发生紊流现象 产生紊流区 气流产生热力分层现象 出现两个区域 下部单向 流动区和上部混合区 空气温度场和浓度场在这 两个区域有非常明显的不同特性 下部单向流动区 存在一明显垂直温度梯度和浓度梯度 而上部紊流 混合区温度场和浓度场则比较均匀 接近排风的温 度和污染物浓度 因此 从理论上讲 只要保证分 层高度在工作区以上 由于送风速度极小且送风紊 流度低 即可保证在工作区大部分区域风速低于 0 15 m s 不产生吹风感 另外 新鲜清洁空气直接 送入工作区 先经过人体 这样就可以保证人体处 于一个相对清洁的空气环境中 从而有效地提高工 作区空气品质 对于工作区存在的明显的垂直温 度梯度 出于舒适性考虑 为不使人体产生过重的 脚凉头暖的不适感 送风温差不能太大 这样由于 送风速度和送风温差的限制 置换通风所能提供的 制冷量就比较小 如何在基本不破坏置换通风良 好的气流组织和保证舒适度的前提下 提高空调系 统制冷能力 最佳的解决方法就是将冷却顶板和置 换通风结合使用 冷却顶板可以负担显热冷负荷 从而使空气系统送风量尽量小 另外由于冷却顶板 的辐射作用 可以削减置换通风带来的垂直温度梯 度 使人体有更佳的冷热感觉 冷却顶板和置换通风的结合使用 由于送风量 1 暖通空调 HV 其通风效率 一般只有 50 70 1 第二种通风方式暂称为层流通风 其形式见图 3 送风口均匀地布满整个地板 整个墙面或整个 顶棚 出口风速应足够大以防止热气流干扰单向 流流态 因此这种流动形式需要很大的换气次数 该通风方式固然能保证空气品质 但由于其昂贵的 运行费用 仅用于一些洁净室 而不用于像办公建 筑之类的普通舒适性空调中 如果我们用较小的换气次数采用相同或类似 的从地板送风的通风形式 有人员之类的热源位于 室内 这样就出现了一种全新的通风形式 也就是 我们这里所要讨论的置换通风 这种通风形式不 再完全受送风的动量控制而主要受热源的热浮升 力作用 这一点可以通过人体之类的热源附近的空 气流动现象来解释 在人体头部以上空气流量高达 30 L s 这一数值远超过一般空调的人均送风量 空气热浮升速度从地板处为零开始 受热源的影响 随高度的增加而增加 在热浮升空气流量和周围空 气流量相等的高度上开始 流动形式将从置换通风 的单向流形式转变为紊流式 在这一高度以上 热 源四周的大量空气向上浮升 从而牵引送风缓慢向 上流动 如图 4a 所示 如果送风没有布满整个地 板 将会出现一种比较特殊的流动形式 如图 4b 所 示 由地板附近贴壁送风口以低速送入的空气由 于其密度较大而缓慢下沉 蔓延流经地面 遇到阻 挡物或墙面后折回 在原先形成的地板空气层上部 通过 这种循环不断重复 直到遇到可以把空气提 升上去的热源 从理论上讲 只要空间允许 置换 通风送风口可以做得尽量大 以保证送风风速足够 低到不会产生吹风感 所以从原理上讲 置换通风 制冷量可以很大 其送风量和制冷量的舒适度范围 2 专题研讨 1998 年第 28 卷第 5 期 见图 2 而实际应用中由于受空间限制 风口尺寸 不可能无限大 这在很大程度上限制了置换通风的 送风量和制冷量 图 4 置换通风流型 置换通风一个重要的特点是会产生热力分层 现象 即会出现一个上部混合区和下部单向流动的 清洁区 上部区域是紊乱的混合区 其中有害物浓 度即是排风浓度 下部区域则为向上的热气流区和 周围清洁空气区 清洁空气区的空气清洁指数和送 风空气近似相等 因而只要把分层高度控制在人员 工作区之上 则可以保证工作区的空气品质 实验 表明置换通风的换气效率通常介于 0 5 0 67 之 间 而通风效率则介于 100 200 之间 1 通风 换气效果明显要优于混合通风 在控制污染物浓 度 改善室内空气品质方面有极大的优势 而长期 以来忽视空气品质 把舒适放在健康之上 一直是 我们设计工作的一个误区 目前出现的越来越多 的 病态建筑 使我们不得不正视应如何提高室内 空气品质这一问题 置换通风应该说是从气流组织 方面解决这一问题的值得选用的方案 3 冷却顶板 置换通风由于热力分层现象而使得室内温度 场存在一明显的垂直温度分布 从舒适性考虑 这 一垂直温差不应太大 以免人体产生脚凉头暖的不 适感 按照 ISO 7730 标准 对于静坐着的活动量水 平 地板上方 1 1 m 和 0 1 m 间的垂直温差不应大 于3 出于此种考虑 送风温差一般为 2 4 最大不超过6 又由于受空间和送风速度限制 送风量不可能很大 这样就使得置换通风的制冷量 有限 如何在不影响置换通风气流组织 保证舒适 度和室内空气品质的前提下提高空调系统的制冷 量 就成为把置换通风应用到冷负荷较大的场合中 必须解决的问题 到目前为止 解决这一问题的最佳方案即是将 冷却顶板和置换通风结合使用 冷却顶板主要是 利用冷辐射进行传热 对流传热量较小而可以不影 响置换通风的流型 且冷辐射可以进一步削减垂直 温度梯度 从而可以提高舒适度 冷却顶板水管可以制作成一体 直接形成一顶 板单元 见图 5a 或者通过传热片把水管和金属 顶板联结起来 形成一吊顶单元 见图 5b 另外水 管也可以以毛细管的形式镶嵌在顶板内 组装成一 片安装单元 见图 5c 图 5 冷却顶板结构型式 在同样的供水温度下 由于其结构不同 传热 效果不同 不同型式的冷却顶板表面温度是不一样 的 其表面温度分布如图 6 4 所示 对于一体式 冷却顶板 当供水温度为16 时 其平均表面温度 约为 17 4 而联结式在同样的 16 供水温度 下 其平均表面温度要比前者高 3 图 6 冷却顶板表面温度分布 tW供水温度 tS吊顶表面温度 tR室内温度 冷却顶板表面温度可以通过调节供水温度及 水量来调节 从而调节制冷量 冷却顶板的传热有 两种形式 即辐射和自然对流 两者的传热比例取 决于顶板的物理特性以及顶板附近的空气流动方 式 对于封闭式辐射板式 两者比例大约为 1 1 而开敞式对流板式 对流传热的比例则要大一些 制冷量也较大 如果我们需要强调舒适性 且尽量 不影响置换通风的流型 则最好使用封闭式辐射板 式 4 置换通风和冷却顶板 在德国和北欧已有很多置换通风和冷却顶板 结合使用的实例 图 7 4 所示为一典型的置换通 风和冷却顶板空调系统图 冷水机组产生的冷冻 水可同时供给通风系统和冷却顶板系统 在室外空 气状态合适的情况下 冷却顶板可切换为采用冷却 塔进行自然冷却 和混合式相比 置换通风的温度 速度和污染 3 暖通空调 HV Te 排风温度 K Tx 高度 h 上任一点x 的温度 K 当该系统中增加冷却顶板后 由于辐射作用 垂直温度分布会如图 8 6 b所示 污染物浓度的垂直分布除和温度场相关外 明 显和污染源本身的形状位置相关 图 9 3 a 所示为 污染源为一固定点源的垂直浓度分布 图 9 3 b 所 图 9 室内污染物浓度垂直分布 示为污染源均匀散布整个地板的垂直浓度梯度 两 者有明显的区别 图中 为一和通风效率相关的 无量纲浓度 定义为 Cx Cs Ce Cs 式中 Cs 送风浓度 Ce 排风浓度 Cx 高度 h 上点 x 的浓度 室内水平面上温度场是均匀的 因为只要有任 何温差就会引起空气的运动以进行温度平衡 而 浓度场的水平分布则不均匀 随着和污染源距离的 增大 水平面上污染物浓度是逐渐减小的 室内负荷由置换通风系统和冷却顶板系统共 同负担 对于总供冷量 两者所承担的比例的不同 会明显影响室内温度场和浓度场分布 定义置换 通风所占制冷量比例为 D 冷却顶板所占制冷量 比例为 C 图 10 6 所示为实验所得室内热源散 图 10 室内温度场垂直分布 随辐射份额的变化曲线 热 功 率 为 20 W m 2 情况下 冷却顶板制冷 量所占比例不 同时的室内垂 直 温 度 分 布 由图可知 随着 冷却顶板所占 制冷量比例的 增大 垂直温度梯度明显变小了 当冷却顶板制冷 量比例 C 0 9 时 其垂直温度分布曲线几乎是 竖直的 即垂直温度分布几近均匀 因此随着辐射 份额的增加 可以降低垂直温差 削弱由垂直温差 带来的不适感 图 11 室内浓度场垂直分布 随辐射份额的变化曲线 图 11 6 所 示为不同冷却 顶板制冷量比 例下的室内垂 直浓度分布曲 线 从图中可 看出 当 C 0 1 时 其浓度 分布几乎等同 于没有冷却顶 板的单独置换通风系统 提高冷却顶板的制冷比 例 工作区的浓度会增大 当其比例 C 0 9 时 4 专题研讨 1998 年第 28 卷第 5 期 其垂直浓度分布几乎为一 1 2 的直线 此时的 浓度曲线和温度曲线相似 5 系统设计原则 由前面分析可知 随着负荷中冷却顶板所占比 例的增大 辐射传热的增加 垂直温度分布会趋于 均匀 垂直温差变小 从而可以提高热舒适指标 但同时工作区污染物浓度也会增加 室内空气品质 会下降 这是因为当冷却顶板所占制冷份额增大 时 由于冷辐射传热量的增加 会导致墙面温度的 显著下降 并出现和室内空气的明显温差 沿墙壁 下沉的冷气流和从冷却顶板下流的空气 当 C 0 6 时开始影响工作区气流流型 随着 C值的增 大 下沉的冷气流会一直到地板 从而破坏了置换 通风的气流组织 使工作区空气产生强烈混合 降 低了工作区空气品质 因此在进行置换通风 冷 却顶板系统设计时 需要确定一个两者承担负荷的 合适比例值 以在保证工作区空气品质的前提下 尽量提高工作区舒适性指标 增大系统制冷量 减 少通风系统的动力损耗 国外大量的实验研究和 工程应用表明 冷却顶板制冷量所占总冷量份额的 上限一般定为 50 55 是比较合适的 否则会 影响置换通风气流组织 冷却顶板只能除去显热负荷 无法除去湿负 荷 因此冷却顶板设计中有一点是不容忽视的 即 在一定的空气状态下 当整个制冷系统处于温度最 低点时 冷却顶板表面温度可能会降到室内空气露 点温度以下 而出现结露的危险 因此 为避免结 露 应通过水系统的调节或空气系统的相应措施 使供水温度高于空气露点温度 出于此种考虑 供 水温度一般为 16 左右 对相对湿度较高的送风 进行除湿处理 以使其露点温度低于 14 空气 的除湿过程有两种方式 一是采用传统的空调方 式 送风由冷水盘管或制冷剂直接蒸发进行冷却除 湿 盘管表面温度必须低于送风露点温度以进行除 湿处理 而对于置换通风系统而言 空气经过此处 理过程后会过冷 因此在送入室内之前往往需要进 行再热处理 另一种方法即是采用转轮硅胶除湿器 进行除湿处理 此过程可把除湿和冷却两过程相对 分开 因而比较适用于送风温度相对而言比较高时 需要去湿的场合 6 节能效果 冷却顶板和置换通风结合使用 由于部分负荷 由冷却顶板承担 所以和传统空调方式相比 送风 量可以降为最小 另由于置换通风良好的气流组织 效果 可尽量减少新风量 这样就相应带来新风处 理能耗的节约以及送风和排风动力能耗的减少 冷却顶板当其辐射传热比例比较大时 由于辐 射作用 人体的实际感受温度会比室内实际温度低 2 所以在相同的热感觉下 和传统空调系统相 比 冷却顶板系统室内空气温度可以高一些 从而 可以减少显热负荷 另外 冷却顶板内的传热材料 以及建筑结构会形成一天然蓄冷体 可以平缓冷负 荷峰值并可把负荷峰值转移到更合适的时段 冷冻水和顶板表面高效的传热以及冷却顶板 系统所要求的较小的温差可以允许冷冻水的温度 比传统空调系统高 较高的送水温度 即有可能在 有天然冷源的地区充分利用天然冷源提供冷水 例 如直接送入深层天然湖水 或者在全年的大部分时 间内充分利用冷却塔进行自然冷却 如果使用冷水 机组 实际应用和实验研究均表明 由于蒸发温度 的上升 可明显提高 COP 值 有关资料 4 表明 和传统混合式空调系统相 比 置换通风与冷却顶板的结合使用 并配置上冷 却塔自然冷却系统 可节约总能耗 37 左右 7 结论 综上所述 冷却顶板加置换通风系统是目前综 合解决室内空间空气品质和热舒适问题的最佳方 案之一 并具有明显的节能效果 是一种值得