新型制冷技术在空调上应用及研究发展.doc

此文档收集于网络，如有侵权，请联系网站删除新型制冷技术在空调上应用的研究发展摘 要 在国外的智能建筑里的空调系统大多数是采用VAV空调系统,该本文从变风量 （VAV） 系统的特点、 实施条件、 可行性等几个方面进行介绍和分析， 说明空调末端方式变风量（VAV）系统的时机已较成熟，具有进一步节能的现实意义。并根据实际经验来总结VAV系统在控制方式选择和设计过程中需要注意的一些问题。归纳了变风量空调系统的特点，应用范围及变风量空调系统分类及应用范围关键词 变风量系统/可行性/控制方式/制冷新技术引言众所周知在空调系统中冷机 风机水泵是主要的耗电设备，要想降低空调系统的能耗，只能从这些设备中去考虑 而从根本上来说，空调系统的总能耗的多少最终是由室内达到的温湿度环境决定的，即空调系统的能耗维持着建筑物内温湿度与室外温湿度的差 因此要想降低空调系统能耗，必须首先从根本上，即合理的室内温湿度环境上，进行分析研究 显然最理想的模式就是任何情况下所需求的等于所供给的 变风量空调的基本原理正是通过改变送入各房间的风量及温度来满足室内人员对房间不同温湿度的要求，同时自动地适应室外环境对建筑物内温湿度的影响，真正达到所需即所供在“十一五”规划中，我国政府将能源效率列为重中之重，能源短缺也正成为企业发展的瓶颈。为提升企业的竞争力、实现可持续发展和降低企业生产成本、增加利润率、节能降耗，不仅是国家提高经济运行质量的需要，也是直接体现企业经济效益的支撑点。为了能够节能，初始投资可能会相对比较大，但受益的是整个周期，节能增效是可以实现并举的。目前的高油价以及各地电力缺口比较大，电子行业，尤其 PCB 行业为了已采用各种节能措施来降低企业在能源方面的成本。而生产厂房的空调系统在配套设施用电量中所占比例最大，根据笔者的实际项目经验，目前大多数新建设的厂房中，一般都会运用一些推广较多的侧重于冷源方面的大温差系统、一次泵变流量、冰（水）蓄冷等节能措施。在空调末端方式方面，采用变风量系统（VAV ）则比较少见，原因（1 ）对该控制技术的实现存在疑虑；（2 ）一些企业（尤其在南方地区）担心区域条件是否具备通过该系统实现节能的可能。本文就 VAV 系统的特点、实施条件等几个方面进行介绍和分析，说明目前空调末端方式采用变风量（VAV ）系统的时机已较成熟，具有进一步节能的现实意义。在介绍的过程中，也将根据笔者的实际经验，总结一下VAV 系统设计、实施过程中需要注意的一些问题。1变风量（VAV）系统简介变风量空调系统是利用改变进入空调区域的送风量来适应区域内负荷变化的一种空调系统。其最大优点在于节能和提供良好的舒适性。当今变风量空调系统已经发展到可以通过计算机网络对空调系统进行实时采样、监测、分析和调控，实现全天候、全方位、全过程控制智能化，并成为现代化、智能化建筑的一部分。图1 是一个典型变风量空调系统的示意图。图1 变风量空调示意图由于各房间送风量是根据负荷变化的，系统总风量必然也是一个不断变化的量，且多数时间小于系统的设计风量，相对于定风量系统来说，风量输配所需的能耗显然可以大大降低和风机盘管加新风系统比较起来，变风量（VAV ）系统的优点很多，国内外大量的文章都进行过详细的叙述，因篇幅有限，现仅摘录一些突出的特点：（1 ）可根据不同区域使用要求来独立控制同一风系统中的各区域的温度。每个 VAV 未端装置根据所控制区域的温度变化，自动调节送风量； （2 ）综合能效比高，根据负荷变化，空调机组的送风量也相应变化，长时间在低负荷工况下运行，大大节省运行能耗；（3 ）室内无水管、无水管漏水及凝结水的隐患；（4 ）检修工作量减少；（5 ）室内噪声低；（6 ）调整空间分隔简便灵活；（7 ）过渡季可直接利用新风进行冷却，节约冷源系统能耗。（8 ）避免风机盘管凝水污染吊顶；（9 ）无霉菌滋生问题，室内空气质量好；（10 ）与定风量及风机盘管系统相比，更灵活，易于改扩建，能比较好地同时满足不同房间的温度要求。有关以上优点的详细分析、叙述及验证，详见有关论文，这里不再赘述2 VAV系统的设计2.1 VAV系统的实施条件上面提到了VAV 系统有许多的优点，但VAV系统并不是任何情况下都可以实施的，需要以下一些先决条件：（1 ）过渡季节室外自然能的利用必须具备一定的条件具备利用的可能和价值，当室外新风的焓值低于室内值时，室外新风就可以作为系统冷源，变风量空调系统就可以在经济循环模式下运行，所以只有室外气象参数在一段时间内能满足作为冷源的要求的区域才能考虑实施VAV 系统。（2 ）负荷变化较大的建筑物，如办公大楼，多区域控制的建筑物及公用回风通道的建筑物，只有长期存在部分负荷的情况，才能实现节能的效果。对于一些特殊场所，如室内负荷变化不大，通风要求较高时，使用定风量系统空调可能是更好的选择。2.2 VAV系统在夏热冬暖地区实现的可行性一些企业（尤其在南方地区）也认识到了VAV系统的节能优势，但担心区域条件是否具备通过该系统实现节能的可能。VAV 系统的节能效果，很大程度上体现在过渡季节的空调运行电费的大幅降低，其主要原因如前所述是直接利用室外新风作为系统冷源，所以若要在四季分明的北方地区实施是符合前述的先决条件的。在这里进一步做的是根据夏热冬暖地区南区的气候特点，分析该地区室外自然能利用的气候环境条件可行性。查阅中国建筑热环境分析专用气象参数数据集（中国建筑工业出版社，北京：2005 年）中该地区历年来不同温度在一年中出现的频数如表1 和图2 所示。从表1 不同温度在一年中出现的频数以上干球温度频数表可以分析得出：在低于1020干球温度出现的时间为2734h，约占全年总时间的31.2% 左右，这一统计结果反映了基本上可以直接利用室外空气，而不需要开启空调冷源系统来消除室内余热湿的时间（约占到全年总时间的1/3 左右），具有利用的必要性和可行性。2.3 设计中值得注意的问题当开始计划一个VAV 系统设计之前，首先要对照前面所讲的是否适合应用VAV 系统。根据实际情况因地制宜地考虑空调系统是非常关键的，盲目地应用VAV 系统只会增加投资而且没有节能的作用。在设计过程中，需要注意的地方很多，也有很多学术论文就这方面的问题多次讨论交流，在这里着重提一下个人认为特别应注意的几点：（1 ）变风量比。为了尽量减少外区的末端装置对空调送风再加热而与一次冷风造成的冷热抵消，往往将冬季一次风量最小值设定得过小，从而造成房间缺少新风，室内人员感到憋闷。故在这些特定房间内，应适当提高末端最小风量与最大风量之比（变风量比），以提高足够的新风所需。如在一些内外区连通的空间场合，由于内外区的空气可以自由流通，则可适当降低变风量比，减少一次风的冷热抵消量，以达到节能效果。（2 ）负荷计算。VAV 系统负荷计算需要注意建筑内区和外区的系统分别计算，严格进行每个房间的逐时负荷计算（包括人员、灯光、内外墙得热、窗口得热等），才能为设备选型和系统划分提供准确的数据。（3 ）建筑专业的配合。由于空调系统需要建筑专业的密切配合，而VAV 系统实施的实际项目少，往往会出现建筑设计专业按以往经验留出的空调风柜房、百叶窗、天花板内空间等不够用的情况。因为 VAV 系统需要利用过渡季节的新风量非常大，所以新风机的尺寸、新风百叶的尺寸以及新风管大小等都比常规系统大了许多，就需要更大的新风机房、更多的粱底开百叶位置以及更大的天花板内空间。故在初步设计阶段，建筑设备专业一定要及时地提供相关数据给建筑设计专业，以便在空间规划时就预留出足够的位置，免得到施工图设计时修改烦琐甚至施工时才发现无法安装。3 变风量空调系统的分类3.1 按处理空调负荷所采用的输送介质的不同分类变风量（VAV ）系统是属于全空气式的一种空调方式，该系统是通过变风量阀调节送入房间的一次风量，并相应调节空调机（AHU ）的处理风量来控制某一空调区域温度的一种空调系统，有以下几个方面值得注意：（1） 风量系统改变的是进入房间的一次风量 有的变风量箱（VAV box ）则是保持送风量不变而通过变风量阀改变一次风量与回风的混合比例 （2）域温度的控制由变风量箱（VAV box ）来实现 即通过气动或电动或 DDC （直接数字控制）来控制变风量阀的开度，调节一次风量，或通过调节变风量阀的开度 或通过调节变风量箱中的风机转速来调节送风量或调节旁通风阀来实现的（3） 空调机组（AHU ）的送风量应根据送风管内的静压值进行相应调节，与变风量箱减少或者增加送风量以控制房间温度时相呼应，一般地，空调机组送风机的性能曲线应相当平缓，从而使得风量的减少不至于使送风静压过快升高3.2 按照周边区供暖方式的分类（内部区域单冷）周边区供暖方式，变风量系统可以分为如下几类： 内部区域单冷系统 指在空调内区采用的变风量空调形式，一般地不带供热功能，下面几种形式均是以采用内部区域单冷为前提的散热器周边系统 散热器设置在周边地板上，一般采用热水可电热散热器，具有防止气流下降，运行成本低，控制简单等优点，但需要精确计算冷却和加热负荷，以避免冷热同时作用 在国处一些豪华考究的设计中，采用顶棚辐射散热器提供更舒适的空调环境风机盘管周边系统 风机盘管可以是四管式，也可采用冷热切换二管式，或单供热二管制，风机盘管采用暗装时不占用地板面积，同样具有运行成本低，控制简单的优点，夏季由于吊顶内仍保留冷水管及滴水盘，因此，仍有水患可能变风量再热周边系统 在变风量末端装置中加再热盘管，一般采用热水，蒸汽或电加热盘管，该系统比双风管系统初投资低，比定风量再热系统节约能源，尽管同样不占用地板面积变温度定风量周边系统 该系统的特点是送风量恒定，通过改变一次风与回风的混合比例来调节房间温度 回风部分可全部吸收灯光热量，因而节能，初投资较双风管系统低，控制也较复杂双风管变风量周边系统当采用两个风机时，可利用灯光热，在所有时间内，由于冷却和加热的交替功能，可以获得较小的送风量，但初投资较高，控制较复杂转换变风量系统 加热和冷却均由一套风管系统通过冬夏转换承担，其缺点是温度控制不灵活，当建筑物有若干个区时，不能由一套系统来控制，例如不能同时满足一个区域需要加热而另一个区域需要供冷的要求，这时就需要若干个转换系统3.3 按变风量箱的结构分类按调节原理分，变风量箱可以分成四种基本类型，即节流型，风 机 动 力 型（FanPow- ered），双风道型和旁通型四种：节流型节流型变风量箱是最基本的变风量箱，其它三种类型，如风机动力型，双风道型，旁通型等都是在节流型的基础上变化发展起来的 所有变风量箱的 心脏 就是一个节流阀，加上对该阀的控制和调节元件以及必要的面板框架就构成了一个节流型变风量箱 一般，节流阀有三种基本类型，即百叶型 文丘里型和气囊型 百叶型的调节原理和百叶风阀的调节原理一样，在小风量的情况下，一般做成单叶风阀，通过调节风阀的开度来调节风量，如约克产品；文丘里型的调节原理是在一个文丘里式的套管内装上一个可以沿轴线方向滑动的阀蕊，通过其位移改变气流通过的截面积来调节风量，如特灵产品；气囊型的调节原理是通过静压调节气囊的膨胀程度达至调节器风量的目的，如开利产品；风机动力型（Fan Powered） 风机动力型是目前在北美等地被广泛推崇的变风量箱 可能是由于它的出现在自控水平的提高，使人们改变了六七十年代对空调变风量系统的偏见风机动机型是在节流型变风量箱中内置加压风机的产物 根据加压风机与变风量阀的排列方式又分为串联风机型（Seris Fan Termimals)和并联风机型（Parallel fan terminals)两种产品 所谓串联风机型是指风机和变风量串联内置，一次风既通过变风量阀，又通过风机加压；所谓并联风机只通过变风量阀，而不需通过风机加压3.4 变风量箱和周边供暖方式的组合：变风量系统的三大要素是：a.变风量箱；周边供暖方式；c.自动控制；这三者缺一不可，相互依存，对于一个具体的变风量系统而言，必然存在这三大要素的不同组合一般由气动电动或DDC控制4 变风量系统的应用范围和控制方式的选择4.1负荷变化较大的建筑物由于变风量可以减少送风机和供暖的能量（因为可利用灯光及人员等热量），故负荷变化较大的建筑物可以采用变风量系统若建筑物的玻璃窗面积比例小，外墙传热系数小，室外气候对室内影响较小，则不适合采用变风量系统，因为部分负荷时节能量较小4.2 多区域控制的建筑物多区域控制的建筑物适合采用变风量系统，因此变风量系统在设备安装上比较灵活，故用于多区域时，比一般传统的系统更为经济，这些传统的系统为：多区系统，双管系统和单区屋顶空调器等4.3公用回风通道的建筑物具有公用回风通道的建筑物可以成功的采用变风量系统，公用回风通道可以获得满意的效果，因为如采用多回风通道时可能产生系统静压过低或过高的情形一般来说，办公大楼和学校均可采用公用回风通道，然而，也有一些建筑物不适合采用，如医院中的隔离病房，实验室和厨房等，因为采用公用回风通道会互相污染空气4.4 VAV系统的控制方式主要有定静压、变静压和总风量法（压力无关）三种。一些专家通过定静压和变能完成系统的控制要求，但也有很多不能令人满意的地方：定静压方法控制简单，但风机能耗较高，末端阀位多处于偏小状态，相应地带来了噪声问题；变静压方法虽然能最大限度地节省风机能耗，但控制算法复杂，实现较困难。所以目前主要采用总风量控制方法，它控制系统形式上具有比静压控制简单得多的结构，易于调节和实现。同时，避免使用压力测量装置，减少了一个风机的闭环控制环节，也带来了控制系统可靠性的提高。采用总风量控制法，调试结果非常理想，系统响应快速、运行稳定。同时我们应注意到，VAV 系统能否正常运行在很大程度上要依靠控制系统，将空调系统设计和控制系统设计两部分融合起来，同时考虑针对不同的系统设计切实可行的控制策略，才可以设计出成功的VAV 系统。按照以前传统那种先由建筑设备设计人员设计空调部分，再由控制工程人员或自控公司承包控制部分的做法是行不通的。两者在设计阶段就要密切配合，这对我们的设计人员提出了更高的要求，既要对VAV 系统的特性有足够的认识，并能够做出较准确的定量分析，还应该掌握丰富的VAV 控制技术，避免设备与自控专业之间设计脱节，设计人员应从自身做起，为空调新技术的推广做出贡献。5 系统实施的现实可能和节能效果5.1 现实可能变风量空调系统中的主要设备变风量末端装置 (VAV box)、直接数字式控制器(DDC)、变频器等以前大多依赖进口，较高的价格和关税给投资方造成不小负担，是VAV 系统无法普及的一个重要原因。而目前变风量末端装置已实现国产化，电子、计算机技术的迅猛发展和我国加入世贸降低关税，自控产品价格已大幅度降低，使综合造价与传统的空调自控系统相差不大。另外采用何种空调系统，在从投资方面和综合成本方面应同时考虑。特别是空调系统的使用周期一般较长，建筑物建成后，装修设计和内部分隔一般在几年内就要进行调整，而空调系统改造的工作量远远大于装修，费用也远远高于装修。VAV 系统的初投资虽然较大，但具有调整空间分隔简便灵活的特点，改造时可大大减少改造成本，在选定系统时需要综合考虑。5.2 节能效果由于空调系统在全年大部分时间里是在部分负荷下运行，而变风量空调系统是通过改变送风量来调节室温的，因此在同样负荷的条件下，可以大幅度减少送风机的动力耗能。根据理论计算，可节约风机动力耗能78%，但根据更为贴近现实的模拟测算以及实际实施经验，这部分节约能耗大约在30%35%。当然，这个数据对于常年开启空调的企业，已相当可观。同时，变风量空调系统还有一个定风量无法做到的是：充分利用室外新风做为冷源。在过渡季节，直接将室外新风送入室内负担空调符合，能大幅度减少制冷机的能耗，亦可改善室内空气质量。根据不同的规模和地区进行系统设计计算，通常可节约15%40% 的冷量，对于减少用电量具有重大意义。结论变风量空调系统（VAV ）具有节能和良好的舒适性特点。根据对夏热冬暖地区气象参数的分析， VAV 实施的适合区域在中国来说是大范围的，尤其是沿海经济发达的区域。一些专业的空调工程师已具备空调自控知识及现实实际案例的经验，为VAV 的大范围推广已经奠定了基础，这一技术在中国的飞跃发展时机已到。空调末端方式采用变风量系统（VAV ），综合造价和成本与传统的空调系统相差已经不大，在未来甚至可能更低。在目前的高油价以及各地电力缺口比较大的情况下，VAV 系统的实施是空调系统进一步节能的有利方向，它对进一步降低企业在能源方面的成本和完成节能减排任务，具有重大的现实意义。但是，变风量系统最后能否如设计所愿地运行，则完全是由控制系统的硬件质量及软件（控制算法）质量决定的 即便采用简单的定静压控制，只要能稳定地运行，其对系统能耗的节省也是很可观的 综合目前国内一些变风量系统的情况来看，主要问题还是体现在变风量系统的控制运行上只要保证控制系统简单可靠稳定地运行，变风量技术的广泛使用必将对我国建筑节能的推广产生深远的影响参考文献1张际生,. 浅析变频调速技术的应用J. 江西能源,2009,(3). 2刘杰,. 变风量空调系统的设计J. 装备制造,2009,(4). 3尹桂娟,. 变风量空调系统及其优势探讨J. 中国科技财富,2009,(4). 4史晓峰,. 简述变风量空调系统运行中容易出现的问题J. 智能建筑与城市信息,2009,(4). 5祝军,方忠福,. 变风量空调系统应用问题分析J. 智能建筑与城市信息,2009,(4). 6李振宇,. 浅谈变风量空调系统的可行性和节能意义J. 印制电路信息,2008,(10). 7吴爱国,高德云. 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