置換通風(fēng)的應(yīng)用前景及其適用性分析

1、置換通風(fēng)地應(yīng)用前景及其適用性分析 摘要：本文分析了空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能和舒適性空調(diào)系統(tǒng)地意 義，闡述了置換通風(fēng)地概念、基本原理、基本特征.提出了置 換通風(fēng)新型末端裝置研究、開發(fā)地技術(shù)思路.對置換通風(fēng)地 適用性問題，進行了舉例分析.1引言隨著人類文明地進步和 科技地發(fā)展，人們對自己工作、學(xué)習(xí)、生活環(huán)境地要求越來 越高.而一個舒適地環(huán)境對于保證身心健康、提高生活品質(zhì) 和勞動效率有著重要意義.為實現(xiàn)高質(zhì)量地室內(nèi)氣候環(huán)境，電 制冷空調(diào)系統(tǒng)已被廣泛采用.同時，人們對地球環(huán)境地關(guān)注越 來越高，對環(huán)境保護地呼聲也日趨強烈，要求采用節(jié)能地、健 康地、可持續(xù)發(fā)展地策略進行空調(diào)設(shè)計.1.1中國能源現(xiàn)狀和 空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能我國

2、提出了長期地經(jīng)濟發(fā)展目標(biāo)，即下世紀中 葉趕上中等發(fā)達國家水平.社會經(jīng)濟地發(fā)展必將伴隨著巨大 地能源消費需求.能源是國民經(jīng)濟地基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè) ，也是公用事業(yè) 更是經(jīng)濟發(fā)展和提高人民生活水平地物質(zhì)基礎(chǔ).人類社會地 進步與能源地發(fā)展密切相關(guān).我國制定地二十一世紀議程和 九五計劃及2018年遠景規(guī)劃中把能源和環(huán)境保護列為最優(yōu) 先地發(fā)展領(lǐng)域.中國是一個擁有 12億人口地發(fā)展中國家，是 一個以煤炭為主要能源結(jié)構(gòu)地能源生產(chǎn)消費大國.目前,煤炭 提供76%地發(fā)電能源，到2020年煤電仍高達 60%1,煤電地 使用導(dǎo)致SO2 NOX CO2和煙塵大量排放，給環(huán)境保護造成 了巨大壓力.我國大部分地區(qū)地絕大多數(shù)空調(diào)系統(tǒng)直

3、接利用 電能供冷，空調(diào)系統(tǒng)地節(jié)能，相當(dāng)于間接減少了SO2 NOX CO2和煙塵地排放，對環(huán)保有利.目前世界發(fā)達國家地民生耗 能率高達總耗能量地1/3左右，其中絕大部分又消費在建筑 物上，各國為推動建筑節(jié)能地進展 ，相繼制定和頒布了一系列 地建筑節(jié)能法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)和指導(dǎo)性文件.我國政府積極倡導(dǎo)和 努力實施節(jié)約能源、保護環(huán)境地政策，頒布了中華人民共 和國節(jié)約能源法和一系列建筑節(jié)能規(guī)范.建筑物地節(jié)能是 一項復(fù)雜地系統(tǒng)工程，包括各種綜合性地技術(shù)，包括建筑物本 身和空調(diào)系統(tǒng)、設(shè)備地節(jié)能2.就空調(diào)系統(tǒng)而言，空調(diào)系統(tǒng) 節(jié)能又與建筑節(jié)能有關(guān)，包括建筑物地朝向和平面布置、維 護結(jié)構(gòu)地保溫性能、窗戶地隔熱和建筑物遮陽

4、等等.空調(diào)系 統(tǒng)地節(jié)能也與運行節(jié)能有關(guān)，包括采用降低室內(nèi)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、 減少新風(fēng)量地方法，采用天然冷源，過渡季節(jié)取室外新風(fēng)自然 冷卻、冷卻塔供冷技術(shù)，采用建筑設(shè)備控制自動化技術(shù)，采用 熱回收技術(shù)，例如從排風(fēng)中回收熱量等等 .采用新地節(jié)能地空 調(diào)方式，選用更節(jié)能地空調(diào)產(chǎn)品，也是空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能地一項重 要、有效地措施.在某些場合，置換通風(fēng)就是一種較好地節(jié)能 地空調(diào)方式.1.2高舒適性空調(diào)系統(tǒng)地標(biāo)準(zhǔn)及要求首先必須提 出，高舒適性地空調(diào)系統(tǒng)不僅僅與空調(diào)系統(tǒng)地設(shè)計有關(guān)，他還 與室內(nèi)環(huán)境品質(zhì)有關(guān)，包括與室內(nèi)環(huán)境地聲、光、熱等諸多 物理地，以及室內(nèi)建筑裝修、建筑材料、空氣品質(zhì)等等地物 理化學(xué)因素有關(guān).本文僅討論空

5、調(diào)系統(tǒng)對舒適性方面地影響 問題.隨著空調(diào)建筑地增多、空調(diào)技術(shù)地進步，人們對空調(diào)地 理解早已不是溫度這一參數(shù).高舒適性空調(diào)是指空調(diào)系統(tǒng)能 提供一個良好地?zé)崾孢m性環(huán)境、良好地室內(nèi)空氣品質(zhì).因此， 健康空調(diào)、綠色空調(diào)、未來空調(diào)等說法和概念應(yīng)運而生3. 舒適性空調(diào)系統(tǒng)地概念經(jīng)過了以下幾個發(fā)展階段：1)本世 紀中葉，發(fā)達國家以完全犧牲不可再生能源維持室內(nèi)環(huán)境； 2) 70年代石油危機后，人們意識到節(jié)能地重要性，發(fā)達國家 采用了較低地室內(nèi)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn) .但是，由此產(chǎn)生了一系列建筑病 綜合癥，人們又開始意識到室內(nèi)空氣品質(zhì)地重要性，這一課題 成為學(xué)者們研究地?zé)狳c；3) 90年代至今，出現(xiàn)了許多一味 高標(biāo)準(zhǔn)地建筑空

6、調(diào)，特別是一些高檔地智能化辦公大樓，建筑 空調(diào)耗能有進一步增加地趨勢.2置換通風(fēng)地歷史沿革、概 念、原理2.1置換通風(fēng)地發(fā)展歷史置換通風(fēng)起源于北 歐,1978年德國柏林地一家鑄造車間首先使用了置換通風(fēng)裝 置.現(xiàn)在置換通風(fēng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)建筑、民用建筑和公共建 筑,北歐地一些國家50%地工業(yè)通風(fēng)系統(tǒng)、25%地辦公通風(fēng)系 統(tǒng)采用了置換通風(fēng)系統(tǒng)4.我國地一些工程開始采用了置換 通風(fēng)系統(tǒng)，并取得了令人滿意地效果.2.2置換通風(fēng)地基本概 念4a稀釋通風(fēng)示意圖b置換通風(fēng)示意圖圖1混合通風(fēng)與置 換通風(fēng)系統(tǒng)地比較房間置換通風(fēng)原理地基本概念如圖1b所 示.在舒適性通風(fēng)中，大多數(shù)污染物質(zhì)是溫暖地，因此污染物 質(zhì)在浮

7、升力地作用下而上升.混合通風(fēng)方式下混合空氣和污 染物會遍及整個房間 如圖1a）.當(dāng)在地板平面供給低速空氣 在天花平面排走溫暖、污染地空氣，室內(nèi)空間地空氣品質(zhì)會 比傳統(tǒng)地混合通風(fēng)方式好.比較這兩種系統(tǒng)，可以發(fā)現(xiàn)置換通 風(fēng)整個空間地污染物濃度較混合通風(fēng)地地濃度低. 我們假設(shè) 兩種通風(fēng)方式地空氣流量、污染率、房間尺寸相等.）本文 中提到地置換通風(fēng)，能提供良好空氣品質(zhì) 即減少整個空間地 污染）.已證明在餐廳、會議室、教室和其他抽煙地房間采 用置換通風(fēng)在提高空氣品質(zhì)方面優(yōu)于混合通風(fēng)23置換通風(fēng) 地基本特征置換通風(fēng)地基本特征是水平方向會產(chǎn)生熱力分層 現(xiàn)象.置換通風(fēng)下送上回地特點決定了空氣在水平方向會分 層

8、,并產(chǎn)生溫度梯度.如果在底部送新鮮地冷空氣 ，那么最熱 地空氣層在頂部，最冷地空氣層在底部.置換空氣在水平方向 匯入上升氣流，由于送風(fēng)量有限，在某一高度送風(fēng)會產(chǎn)生循環(huán) 我們把產(chǎn)生循環(huán)地分界面高度被稱為“分界高度”.這樣,就 形成了兩個區(qū)域地氣流形式 ，底部區(qū)域是相對清潔地空氣 ，上 部區(qū)域存在更多地污染.所以為了獲得良好地空氣品質(zhì) ，通風(fēng) 量必須滿足一定要求.以使“分界高度”高于人員活動區(qū)，這 樣人們便處于清潔區(qū).由此可見，置換通風(fēng)不允許我們大量減 少空氣流量，也不是任何地方都適用 .我們發(fā)現(xiàn)，通常混合和 置換通風(fēng)系統(tǒng)要求相同地空氣流量.不同地是，在同樣地空氣 流量下置換通風(fēng)通常提供更好地空氣

9、品質(zhì).下列情形更適合 采用置換通風(fēng)： 一一污染物質(zhì)比環(huán)境空氣溫度高或密度??； 供給空氣比環(huán)境空氣溫度低；一一層高大地房間，例如 房間層高大于 3M.浮升力作為驅(qū)動力地置換通風(fēng)在下列情形 效率較低：一一天花板地高度低于 2.3M;房間空氣擾動 湍流）強烈；一一污染物比環(huán)境空氣冷/密度大.3置換通風(fēng) 地應(yīng)用前景分析置換通風(fēng)地應(yīng)用是隨著置換通風(fēng)地概念被廣 泛接受和置換通風(fēng)末端產(chǎn)品地大量開發(fā)、生產(chǎn)、應(yīng)用而推廣 開來地.筆者認為置換通風(fēng)在我國地廣泛應(yīng)用與以下兩個方 面有很大關(guān)系，一是與置換通風(fēng)末端產(chǎn)品地發(fā)展和新產(chǎn)品地 開發(fā)有關(guān)，二是與人們對它地深入了解，特別是設(shè)計人員和業(yè) 主地深入了解有關(guān).3.1置換通

10、風(fēng)末端產(chǎn)品地發(fā)展歷史最初地 置換通風(fēng)末端裝置僅考慮讓新鮮空氣平穩(wěn)、均勻地送入室內(nèi) 送風(fēng)速度低、溫差小，故送風(fēng)末端體積較大，相應(yīng)地末端裝置 有圓柱型、半圓柱型、1/4圓柱型、扁平型及平壁型等幾種. 末端裝置一般落地安裝.隨著空調(diào)技術(shù)地發(fā)展，根據(jù)新地建筑 特點和功能開發(fā)了地板送風(fēng)、座椅下送風(fēng)地末端裝置.其后 開發(fā)了結(jié)合置換通風(fēng)和冷卻吊頂?shù)啬┒怂惋L(fēng)裝置，并得到應(yīng) 用5. “置換通風(fēng)末端裝置 +冷卻吊頂”形式解決了腳冷頭 暖地不舒適感覺，置換通風(fēng)末端用來保證衛(wèi)生要求地通風(fēng)量 和消除濕負荷，冷卻吊頂可以消除垂直溫度梯度對人地不適 感覺,冷卻吊頂?shù)貞?yīng)用相對傳統(tǒng)地空調(diào)系統(tǒng)有特殊意義，就是 其采用了輻射換熱技

11、術(shù)，傳統(tǒng)地混合通風(fēng)，是以采用對流為主 地傳熱方式，而冷卻頂板輻射換熱地比例大大提高,3.2我國 置換通風(fēng)末端產(chǎn)品地現(xiàn)狀置換通風(fēng)地應(yīng)用與發(fā)展是與置換通 風(fēng)末端裝置地發(fā)展緊密相聯(lián)系地.置換通風(fēng)目前在我國運用 還不十分廣泛，究其原因，筆者認為國內(nèi)生產(chǎn)置換通風(fēng)末端地 廠家少，產(chǎn)品單一，研發(fā)能力不強是一重要原因.設(shè)計置換通 風(fēng)地工程可選擇地設(shè)備少，妨礙了置換通風(fēng)地廣泛使用.目前 全球經(jīng)濟一體化進程加快，中國即將加入世界貿(mào)易組織，關(guān)稅 下降，國內(nèi)市場進一步開放，國外地末端產(chǎn)品逐漸進入中國市 場，國內(nèi)地研究開發(fā)也在進一步加強，這就使得置換通風(fēng)有更 廣闊地發(fā)展空間 33新一代置換通風(fēng)末端裝置地研究新一代 末端

12、裝置要考慮地技術(shù)思路和問題是解決如下幾個問題1) 在人員活動區(qū)域減少和消除熱力分層對人地影響；2)減少 空氣輸送量以降低空調(diào)機組,風(fēng)管、風(fēng)口地初投資，節(jié)省通風(fēng) 管道占用地建筑面積，減少空氣輸送量以減少輸運動力，從而 減少風(fēng)機耗能.因此,末端裝置地設(shè)計思路圍繞解決以上問題 而展開.為解決置換通風(fēng)送風(fēng)量大，送風(fēng)溫差小地問題，可借 鑒誘導(dǎo)通風(fēng)地原理6,考慮提高一次風(fēng)送風(fēng)溫差，在送至室 內(nèi)之前，或在人員活動區(qū)將一次風(fēng)與室內(nèi)空氣混合，以提高送 風(fēng)溫度.采用強化傳熱技術(shù)，使得室內(nèi)空氣在人員活動區(qū)迅速 分布均勻，減少溫度梯度.4置換通風(fēng)地適用性分析4.1適用 地冷源置換通風(fēng)要求采用中央冷水機組提供集中冷源，

13、采用 空氣處理設(shè)備集中處理空氣，采用水泵、水管輸送冷水 .是否 采用置換通風(fēng)地空調(diào)方式，首先要考慮選用何種冷源傳統(tǒng)地 混合通風(fēng)可以采用中央冷水機組也可以采用其他形式地冷源 比如分體式空調(diào),VRV系統(tǒng)、單元式空調(diào)機組、直接蒸發(fā)式制 冷機等等.選用何種主機與初投資和運行費用地多少有直接 關(guān)系.對于小型空調(diào)系統(tǒng)，直接蒸發(fā)制冷設(shè)備總是比冷水機組 便宜,但是中大型工程這方面地費用比較接近.運行費用通常 與空氣處理方法有關(guān)，當(dāng)然還與采用何種主機及其運行有關(guān). 置換通風(fēng)適用于采用冷水機組提供冷源地空調(diào)方式，若是用 其他冷源形式一般不考慮采用置換通風(fēng).置換通風(fēng)要求地送 風(fēng)溫度較高，冷水機組可以利用三通控制閥提

14、供可變地換熱 盤管溫度，因此采用這種設(shè)備穩(wěn)定性好.相反，直接蒸發(fā)制冷 設(shè)備，具有固定地換熱盤管溫度，就算是采用多個壓縮機，盤 管溫度也只能分檔調(diào)節(jié).置換通風(fēng)要求采用冷水機組 ，因此從 經(jīng)濟性方面考慮，置換通風(fēng)不適用于小型地空調(diào)系統(tǒng).對于大 中型系統(tǒng)，當(dāng)初投資對業(yè)主來說是非常重要地考慮因素時，也 應(yīng)認真考慮42置換通風(fēng)適用性舉例下面地例子方便我們了 解何種情況下采用或不采用置換通風(fēng).例1:頂部布置燈光地 高大空間 通常6m以上)電視演播廳7此例要求在人員活 動區(qū)，即2m以內(nèi)保持舒適性空調(diào)標(biāo)準(zhǔn)，送風(fēng)方式可采用下送 風(fēng)地置換通風(fēng)形式，也可采用上送風(fēng)地混合通風(fēng)形式.該例很 利于采用置換通風(fēng)地空調(diào)方式：

15、1 )房間足夠高 大于 2.5m),容易產(chǎn)生置換效果；2) 2m以上地溫度梯度不太重 要,只需保證2m以內(nèi)人員活動區(qū)維持較低地溫度梯度；3) 從頂部排風(fēng)，可以減少冷負荷；4)噪音很容易控制.電視演 播室采用置換通風(fēng)地優(yōu)點是相當(dāng)大地.燈光負荷不會擴散至 人員活動區(qū)，散熱甚至可直接由排風(fēng)帶走.演播室在全年許多 時間可以通過換熱器或其他熱回收裝置利用室外空氣“免費 供冷”，特別對于干、濕球溫度僅在夏季增加地地區(qū)更有利. 這樣，置換通風(fēng)地制冷主機裝機容量就比混合通風(fēng)地制冷主 機裝機容量小.這種情形采用混合通風(fēng)地劣勢表現(xiàn)在：1) 需要更大地冷卻能力和主機，相應(yīng)地要增加運行費用；2) 送風(fēng)和噪音控制更難預(yù)

16、料，因為，為使風(fēng)能送至人員活動區(qū)和 克服垂直高度地影響，出風(fēng)口送風(fēng)速度較大.送風(fēng)口速度較大 會產(chǎn)生噪聲，有些情況下，由于出口速度太大，噪聲水平很難 削弱.例2： 2.3M層高地小房間此例房間地高度不足以產(chǎn)生 置換效果，采用置換通風(fēng)沒有優(yōu)勢.由于置換通風(fēng)送風(fēng)溫度高， 這就需要比混合通風(fēng)更大地送風(fēng)量.另外，天花高度有限，下 部送風(fēng)氣流很可能形成與混合通風(fēng)相同地氣流組織.例3： 3m 層高，負荷隨季節(jié)變化地中等尺寸房間該例中裝機容量和送 風(fēng)量與混合通風(fēng)大致相同，但是置換通風(fēng)需要冷水機組提供 冷源.如果混合通風(fēng)同樣采用冷水機組，從經(jīng)濟性方面考慮兩 者投資大致相同，但置換通風(fēng)提供更好地空氣品質(zhì).例4:人

17、 員密度高，座位固定地大型劇院此例建筑空間足夠高，可以產(chǎn) 生置換效果，還可以直接排除頂部地部分燈光、設(shè)備熱源.但 需注意，只有把座位部分地溫度梯度控制在一定范圍，才能保 證人員區(qū)域地舒適性此例像高大地電視演播廳一樣，采用置 換通風(fēng)地優(yōu)點是很明顯地.置換通風(fēng)提供座位人員舒適環(huán)境， 但是對于高人員密度地劇院，置換通風(fēng)提供地冷量可能不夠， 需要增加相應(yīng)地混合通風(fēng)空調(diào)方式.目前，國內(nèi)地上海大劇院 就同時采用了座椅下送風(fēng)地置換通風(fēng)和樓層局部誘導(dǎo)送風(fēng)和 包廂地局部上送風(fēng)地送風(fēng)體系8.上述簡化地例子，可以幫 助設(shè)計人員和業(yè)主了解到何種情況下適用于置換通風(fēng)或不適 用.設(shè)計置換通風(fēng)還是混合通風(fēng)，應(yīng)該從經(jīng)濟性、舒

18、適性、節(jié) 約能源等方面詳細分析，綜合考慮.5結(jié)論本文分析了空調(diào)系 統(tǒng)節(jié)能和舒適性空調(diào)系統(tǒng)地意義，提出了舒適性空調(diào)系統(tǒng)應(yīng) 該是節(jié)能、環(huán)保、健康地空調(diào)系統(tǒng)地觀點，闡述了置換通風(fēng) 地概念、基本原理、基本特征.提出了置換通風(fēng)新型末端裝 置研究、開發(fā)地技術(shù)思路.對置換通風(fēng)地適用性問題，進行了 舉例分析.通過分析，我們得到如下結(jié)論：1）置換通風(fēng)是一 種高舒適性地空調(diào)系統(tǒng).由于送風(fēng)速度低，紊流度低，不產(chǎn)生 吹風(fēng)感，因此舒適性很高；新鮮空氣先經(jīng)過人員活動區(qū)，污染 物隨熱氣流上升后排出，所以能提供良好地空氣品質(zhì).2 ）置 換通風(fēng)是一種節(jié)能地空調(diào)方式.只需在工作區(qū)保證設(shè)計參數(shù) ， 送風(fēng)溫度高，相對混合通風(fēng)，可以減

19、少冷負荷，特別對于高大 空間建筑物，此特點更明顯；可以方便地利用低品位能源、 利用自然通風(fēng)供冷.3 ）熱力分層地產(chǎn)生，存在垂直方向地溫 度梯度，需要在人員活動區(qū)控制溫度梯度，一般應(yīng)保持在 3C 以內(nèi)，溫差太大則降低了舒適性；同時要保證一定地送風(fēng)量， 使熱力分層“分界高度”大于人員活動區(qū)，保證人員處于清 潔區(qū).4 ）置換通風(fēng)送風(fēng)溫度不能太低地限制，使得送風(fēng)量增 大,輸運空氣管路增大，輸運動力增加，不利于經(jīng)濟性.可以開 發(fā)新型末端裝置來解決此問題.新型末端裝置可以借鑒誘導(dǎo) 通風(fēng)地原理，提高一次風(fēng)送風(fēng)溫差，在送至室內(nèi)之前，或在人 員活動區(qū)將一次風(fēng)與室內(nèi)空氣混合，提高送風(fēng)溫度；可以采 用強化傳熱技術(shù)，使得室內(nèi)空氣在人員活動區(qū)迅速分布均勻， 減少溫度梯度.5 ）置換通風(fēng)地冷源一般考慮中央冷水機 組.6 ）從經(jīng)濟性方面考慮，置換通風(fēng)更適用于大中型空調(diào)系 統(tǒng).7 ）在層高大于 3M時，置換通風(fēng)地優(yōu)點更明顯.置換通風(fēng) 不適用于層高小于2.5M地房間.置換通風(fēng)在舒適性、良好地 空氣品質(zhì)和節(jié)能效果等方面有相當(dāng)?shù)貎?yōu)越性，隨著人們對置 換通風(fēng)研究地深入，空調(diào)設(shè)計人員、業(yè)主對其地進一步了