张玉东,宣永梅,黄 翔

(西安工程大学环化学院,陕西西安710048)

在我国新疆地区已应用的多项蒸发冷却空调工程实例中,一般采用蒸发冷却全新风直流式空调系统和使用间接蒸发冷却冷水机组的干工况风机盘管加独立新风空调系统两大类型。蒸发冷却全新风直流式空调系统属于蒸发冷却全空气(新风)系统,可以较好地改善室内空气品质,但存在能耗高、风道尺寸大、难以分室分时控制等问题。干工况风机盘管加独立新风空调系统属于蒸发冷却空气-水系统,该系统虽然克服了全新风蒸发冷却空调系统的一些缺点,但是从实际应用情况来看仍存在噪声大、水系统复杂等问题,因此,有必要研究与蒸发冷却相关的新型空调系统。

1 基于蒸发冷却的辐射供冷/暖工位空调系统的提出

工位空调系统是一种集区域通风、设备通风和人员自调节为一体的个性化送风方式。在核心区域(人的呼吸区)安装送风口,通过软管与送风装置相连,送风口的位置可以根据室内设施灵活变动。个人可以根据自身舒适要求调节送风气流的流速、流向及送风温度。而在周边区域 (会议厅、休息室、走道等)安装一般的送风装置,用于控制室内背景环境的热湿负荷。由于现代办公建筑多采用统间式设计,个人对周围空气的冷热需求差异较大,更适合安装工位空调[1]。

工位空调系统由使用者部分或者完全地控制送风量、送风方向,甚至送风温度以实现局部小范围热环境,同时背景区域 (其他非工作区)仍能自动保持合适的环境条件的空间空调系统,也被称为“个人空调”。工位空调系统是以每个工作台作为一个单位,把空调系统细分到每个工作台上,通过控制工作区域内温度、湿度和产生的污染源来创造良好的局部微环境,满足不同人的舒适性要求。工位空调利用个人调节实现个人舒适性,而整个背景区域相对保持不变,使人产生一种身在 “绿洲”的感觉,通过系统调节实现工作区与背景区的匹配。

蒸发冷却与辐射供冷相结合[2],具有节能、环保等优点,尤其适合我国西北炎热干燥地区的使用,符合节能减排的大方向,具有广阔的应用前景,是一种值得大力推广的新型空调方式。辐射供冷利用蒸发冷却技术制取的高温冷水在中湿度以及高湿度地区会受到结露的限制,如果提高室内设计温度可以减小辐射供冷结露的风险。而工位空调的环境区域相对于工位区域来讲一般对温湿度的要求不高。

由于工作区送风以及个人热控系统可以显著改善工作区微环境,室内背景温度可以适当提高,室内负荷大大下降。有研究表明,如果人体上半部分的风速控制到1 m/s或者更高,则有可能将背景温度提高到28℃或30℃[3]。当室内温度设定值从24℃提高到 30℃时,总的冷负荷最大能够降低35%～50%[4]。将蒸发冷却技术与工位空调相结合,基于蒸发冷却的辐射供冷/暖工位空调复合系统可以节省不必要的能耗,提高能源利用品位。

2 基于蒸发冷却的辐射供冷/暖工位空调系统的流程及组成

2.1 空调系统的流程

图1是基于蒸发冷却的辐射供冷/暖工位空调系统的结构示意图。蒸发冷却冷水机组Ⅰ夏季制取高温冷水,通过分集水器以供辐射末端装置,蒸发冷却新风机组制取新风送入室内工位空调末端装置,辅助冷热源Ⅲ在蒸发冷却无法满足制冷时开启,制取的低温冷水,一部分和蒸发冷却冷水机组Ⅰ制取的高温冷水相混合供给室内辐射末端,另一部分供给蒸发冷却新风机组Ⅱ表冷器制取新风。

图1 基于蒸发冷却的辐射供冷/暖工位空调系统

图中,Ⅰ.蒸发冷却冷水机组,Ⅰ-1.蒸发冷却冷水机组间接一级,Ⅰ-2.间接二级,Ⅰ-3.蒸发冷却冷水机组直接蒸发冷却段,Ⅱ.蒸发冷却新风机组,Ⅱ-1.蒸发冷却新风机组过滤段,Ⅱ-2.蒸发冷却新风机组过滤段间接一级,Ⅱ-3.表冷段,Ⅱ-4.蒸发冷却新风机组过滤段直接蒸发冷却段,Ⅱ-5.再热段,Ⅱ-6.送风段,Ⅲ.辅助冷热源。

2.2 工位空调的形式

按送风方式的不同,工位空调系统可分为地板工位空调送风系统、桌面式工位空调送风系统和顶部工位空调送风系统。

2.2.1 地板工位空调送风系统

地板工位送风系统的送风口安装位置在每个人附近,承担工作区的负荷,个人可调节送风量和送风方向。图2[5]为地板送风系统的示意图,图3为地板送风单元装置示意图。

2.2.2 桌面式工位空调送风系统

桌面式工位空调送风系统,一般送风口设置在工作台或隔板上,这样容易形成工作区小环境。图4[6]为桌面式工位空调送风系统的示意图。

图4 桌面送风系统图

2.2.3 顶部工位空调送风系统

顶部工位空调送风系统的流量、送风温度也可自行调节。它所采用的射流风口可以将气流扩散控制在很小的一个范围内,从而可以防止在送热风时,气流直接吹向人体。图5[7]为地板送风系统的示意图。

图5 天花射流送风系统

上述三种形式的工位空调系统中,桌面工位空调送风系统的送风口距离人体最近,新鲜空气能够更好地送到使用者的呼吸区内,因此是改善呼吸区空气品质的最佳途径。但它的送风口由于距离人体较近,因而容易产生吹风感。

2.2.4 隔断式工位送风系统

空调送风经过设于地板下的局部变速风机输送至隔断的夹层内,经过隔断上开设的送风口进入室内。图6[8]为一种隔断式系统的末端组成示意图。一部分空气经隔断侧面送风口进入工作区,另一部分空气由隔断夹层送至上部空间形成背景空调。工作人员可通过隔断上的控制器改变送风参数或者开关末端装置。图7[9]所示是隔断式送风末端装置示意图。置于隔断内的圆柱体送风末端侧面开有送回风口。送风口处设导流叶片,调节叶片的开度和周角可以调节送风的速度和方向。回风口处设有风阀,控制送风回风的比例。

3 基于蒸发冷却的辐射供冷/暖工位空调系统的运行模式

夏季运行时,室外空气状态点在室内状态点左侧,如图8(a)所示,开启蒸发冷却冷水机组Ⅰ和蒸发冷却新风机组Ⅱ,通过蒸发冷却冷水机组间接一级Ⅰ-1可接室内回风预冷、间接二级Ⅰ-2喷淋水自循环、直接蒸发冷却Ⅰ-3制取高温冷水,调节三通阀P1,P2通过GS1,GS2水管接入分水器,吸收室内余热,沿HS2,HS1返回;蒸发冷却新风机组,通过过滤Ⅱ-1、间接一级Ⅱ-2预冷,间接二级Ⅱ-3,直接蒸发冷却Ⅱ-4制取新风通过SF风管送入室内,吸收室内余热余湿,经过排风口排出。

室外空气状态点在室内状态点右侧,如图8(b)所示,开启蒸发冷却冷水机组和蒸发冷却新风机组,同时开启辅助冷热源Ⅲ,调节三通阀P3,P4,P1,P2辅助冷源制取的低温冷水与蒸发冷却冷水机组制取的高温冷水混合通过GS2接入分水器,吸收室内余热,沿HS2返回。冷水机组制取的低温冷水通过GS5接入表冷段Ⅱ-3,蒸发冷却新风机组过滤段间接一级Ⅱ-2和蒸发冷却新风机组过滤段、直接蒸发冷却段Ⅱ-4为自喷淋,制取新风通过SF风管送入室内,吸收室内余热余湿,经排风口排出。

过度季节运行时,蒸发冷却冷水机组开启,通过蒸发冷却冷水机组间接一级Ⅰ-1预冷、间接二级Ⅰ-2喷淋水自循环、蒸发冷却冷水机组直接蒸发冷却Ⅰ-3的部分设备或仅用冷却塔制取高温冷水,调节三通阀P1,P2通过供水GS1,GS2水管接入分水器,吸收室内余热,沿回水HS2,HS1返回蒸发冷却冷水机组。开启蒸发冷却新风机组,通过蒸发冷却新风机组过滤段Ⅱ-1、蒸发冷却新风机组过滤段间接一级Ⅱ-2预冷,表冷段Ⅱ-3,蒸发冷却新风机组过滤段、直接蒸发冷却段Ⅱ-4制取新风通过送风SF风管送入室内,吸收室内余热余湿经排风口排出。

冬季运行时,如图8(c)所示,热源提供低温热水,调节三通阀P3,P4,一部分通过GS3,GS2水管直接向辐射末端供热,沿HS2,HS3返回热源,另一部分通过GS4,GS5,GS6水管调节三通阀P5,P6供给蒸发冷却新风机组表冷段Ⅱ-3和再热段Ⅱ-5沿HS5,HS6,HS4返回,表冷段Ⅱ-3制取新风送入房间。

图8 空调三种运行模式在焓湿图上的空气处理过程

4 基于蒸发冷却的辐射供冷/暖工位空调系统的不足

基于蒸发冷却的辐射供冷/暖工位空调系统也不是完全适用于所有建筑,在现代办公建筑中,由于电器设备大量使用,室内显热量大,人员在办公室内的时间久,对于室内空气品质要求高,个人对周围空气的冷热需求差异较大,更适合安装工位空调。辐射板的使用将更加节能、环保但是也受到辐射板供冷能力的限制。

5 结语

采用基于蒸发冷却的辐射供冷/暖工位空调系统,具有节能、环保等优点,尤其适合炎热干燥地区的办公建筑中使用,符合节能减排的大方向,具有广阔的应用前景,是一种值得大力推广的新型空调系统方式。

[1]Heinemeier K E.Task conditioning for workplace:issues and challenges.ASHRAE Trans.1990,106(1).678-689

[2]宣永梅,黄翔,闫振华,张新利.西北地区使用干空气能的蒸发冷却辐射供冷系统应用分析 [J].流体机械,2009,37(2):83-85

[3]李伟涛,端木琳.工作—背景区空调系统背景区温度设计参数的探讨 [J].制冷空调与电力机械,2008,29(1):39-42

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