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置換通風的設計計算與節能效果比較

來源:華泰通風 發布時間:2017年10月22日 瀏覽量:1452

一、概述

一般來說,相對于空調房間的混合通風方式而言,置換通風可以保證良好的室內空氣品質而且節能。從地板或墻底部送風口所送冷風在地板表面上擴散開來,可形成"空氣湖(air lake)";并且在熱源周圍形成浮力尾流(buoyant plume)慢慢,帶走熱量。由于風速較低,氣流組織紊動平緩,沒有大的渦流,因而室內工作區空氣溫度在水平方向上比較一致,而在垂直方向上分層,層高越大,這種現象越明顯。由熱源產生向上的尾流不僅可以帶走熱負荷,也將污濁的空氣從工作區帶到室內上方,由設在頂部的排風口排出。底部風口送出的新的墻體,余熱及污染物在浮力及氣流組織的驅動力作用下向上運動,所以置換通風能在室內工作區提供良好的空氣品質。置換通風方式首先在北歐出現,并[1-3]且在過去的二十年得到了廣泛的應用,我國在近十年內也展開了大量的研究。

置換通風雖然有一定的優點,但也有其一定的適用條件。置換通風一般適用于污染源與發熱源相關的場所,且層高不低于 2.5m,此時污濁空氣才易于被浮力尾流帶走;對房間的設計冷負荷也有一個上限,目前的研究表明,如果有足夠的空間來大型送風散流[4]裝置的話,房間冷負荷可達 120w/㎡。 當房間冷負荷過大,置換通風的動力能耗將顯著加大,經濟性下降,而且送風裝置占地、占空間的矛盾也更為突出。

由于置換通風的送風口處于工作區,送風溫度必須控制在人體舒適范圍內,送風溫差的合理確定是置換通風空調系統設計的難點之一。如果送風溫差設計偏小,則會造成送風量偏大,送風散流裝置的尺寸大小和數量增多,設備投資加大;如果送風溫差過大,送風溫度必然較低,人體頭部與腳面之間溫差偏大,使人產生冷感,降低人體熱舒適性。[4]根據 Melikov 和 Nelson 的實驗發現 33%的測試點上超過 15%的人感動有吹風感,引起不適,40%測試點上人體頭腳溫差 3℃超過,這超過了活動區環境條件的 ASHARE 5592標準。因此,合理的設計送風量和送風溫度是關系到置換通風保證室內空氣品質和人體熱舒適性的一個重要因素。本文分別從人體熱舒適性和控制污染源保證室同空氣品質的角度討論置換通風送風量和送風溫度的計算方法。

二、送風量計算

1.從人體熱舒適性角度

對于置換通風,室內空氣溫度在垂直方向的分布近似如圖 1所示。Tf為腳面處(0.1m)溫度,由于地板的對流和輻射傳熱以及送風口周圍空氣的卷入,使其略高于送風 Ts,Td[5]為排風溫度,Th 為 1.1m高度,即人為坐姿時頭部高度的溫度。瑞典 Mundt 理論推導出無量綱溫度θf 的計算式:

  LT:通風量 M /h ρ:空氣密度 Kg/m 

  Cp:空氣定壓比熱 KJ/Kg·℃ A:地板面積㎡ 一般情況下,可按下述數值取:αr:間輻射換熱系數,αr=5w/㎡·℃ αr:房間對流換熱系數, αc=4w/㎡·℃

垂直溫度分布是非線形的,且與通風量、熱負荷類型、壁面溫度、輻射熱空間尺寸、風口形式等均有關系。要想準確的描述它不僅很困難的,而且也沒這個必要。因為舒適性角度出發考慮這個問題,我們最關心的是人體頭部和腳部之間的溫度。Xiaoxiong Yuan[7]1999根據大量實驗數據和理論分析,得到計算頭腳溫差的經驗公式:

QO:室內人員及電氣設備負荷 w,

Ql:室內照明負荷 w,

Qe:結構及太陽輻射熱負荷 w,

式中的經驗系數值如下:

A=0.295, B=0.132, C=0.185

上述公式在計算余熱量時,不計入室內潛熱,因為置換通風中促成溫度分層的實際[8]因素是顯熱。而濕度可按污染物濃度計算 。此公式適用于小型辦公室、分區域大型辦公室以及工業廠房等。它雖然是根據坐姿人體舒適性擬和得到,但由于 1.1m與 1.8m垂直溫度梯度要比 0.1m與 1.1m間溫度梯度小,所以上式同樣可作為站立人員的舒適性條件。按 ASHARE 5592 標準,取ΔThf<3℃,再根據不同類型熱負荷大小,就可以利用相關經驗公式確定在滿足人體熱舒適性條件下所需送風風量 LT。

2.從控制污染源濃度及室內空氣品質的角度考慮

置換通風的換氣效率要高于混合通風,在保證相同的室內空氣品質的前提下,所需新風量要少于混合通風所需量,若仍采用混合通風方式確定新風量的經驗數值來設計,必將導致新風量大,且浪費了冷量。其所需新風量的計算可采用下列經驗公式

n 為換氣次數,Q 為總負荷,Lm 是混合通風方式下通風效率為 1 時的新風量,按[8]ASHRAE1989 標準 規定,應由每人最小新風量指標 Rp(L/so 人)和每㎡地板所須最小新風量指標 Rb(L/so人)之和確定:

PD:人數,D:差異系數, A:地板面積,具體取值詳見表 1 。

使用類型

通風要求

使用指標

RP

Rb

人員密度

差異因數

通風效率

辦公空間

3.0

0.35

0.07

1

0.8

零售商店

3.5

0.85

0.15

0.75

1.00

普通教室

3.0

0.55

0.35

1

0.99

會議室

2.5

0.35

0.5

1

1.00

3.送風量的確定

送風量的大小 L取 LI與 LT的較大值

在特殊情況下,LI=LT,則空氣處理系統采用 100%的新風,即空氣處理系統為直流式:一般情況下,LI<LT,則新風率 R=LI/LT。

三、 送風溫度的計算

送風量一旦確定后,就可以根據負荷大小確定送風溫度 Ts 和排風溫度 Td。

 

當室內參數送風量 L,送風量溫度 Ts,排風溫度 Td以及新風量 LI確定后,就可以確定制冷系統總的冷負荷。

四、計算示例

一個置換通風辦公室,房間尺寸為 4m×8m×3m(L×W×H),圍護結構冷負荷 Qe為 1.5Kw,照明冷負荷 QI為 0.2Kw,人員及設備冷負荷 Qo為 2Kw,單位面積的冷負荷指標 115.6w/㎡,室內散濕量為 0.25g/s,則ε=14800。試計算送風量和送風溫度。工作區設計溫度為 24℃。

解:根據公式 2計算,取ΔThf=2.5℃,LT=1001.7m /h

根據公式 6,且 PD取 4人,Lm=83.5m3 /h

根據公式 4:η=2.05,所需新風量為:LI=40.7 m3 /h

LI<LT,L=LT=0.278m /s,Th=24℃,Tf=24-2.5=21.5

根據公式 1:θf=0.175,由此得到:Ts=19.5℃,Te=30.5℃

ΔT=Te-Ts=11.0℃

若采用混合通風設計,按機器露點送風 TL=13℃,送風溫差為 13℃,新風量為 Lm,

由于置換通風室內溫度垂直分布(21.5℃-30.5℃),故為了增強可經 ,混合通風室內設L1=0.236m /s=849.6m /h,R =9.8%

根據置換通風及混合通風的送風溫度及新風比可以確定系統的能耗。

可以分別計算置換通風和混合通風的耗冷量 Qd和 Qm,對于置換通風,首選確定二次回風量 L2 以及一次回風混合點 C的焓值 iC:

 

對于混合通風,首選需要確定一次回風后的混合點焓值 iC:

可以看出,采用置換通風設計,將會造成送風量加大,造成風機能耗加大,送風散

流器的大小和數量增多。但由于新風量低于混合通風的設計值,且置換通風送風溫度

(19.5℃)明顯高于混合式通風(13℃),可有效利用二次回風,使整個系統能耗將于混合式通風,節能 12%-18% 。

五、結論

置換通風送風量及送風溫度是通風系統設計的一個關鍵問題,涉及室內空氣品質和舒適性要求,同時也關系到系統能耗。

按上述介紹公式來確定送風量和送風溫度,不僅可以滿足人體舒適性要求,也能保

證室內空氣品質,設計送風量略高于混合通風。

合理地設計置換通風系統,并有效地與熱回收、二次回風等結合起來,可以使系統節能。

上文所提供的設計方法是按具體的條件得到的,有一定的適用條件,對于大空間,如劇院、大型工業廠房還有待進一步的研究。

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