空调房间冬季冷负荷及其应对.ppt

,空调房间冬季冷负荷 及其应对的探讨 北京市建筑设计研究院 张锡虎 2011.1 zhangxihux263.net,声 明 1）问题的提出，并非来源于规范标准的规定，而是实际工程的需要； 2）本探讨并非结果和结论，而是认识过程，且是初级阶段的认识； 3）与若干领域的问题一样，原理的研究落后于应用。,1) 有关规范 采暖通风与空气调节设计规范6.2节的各条，只有“夏季冷负荷”和“冬季热负荷”，而没有“冬季冷负荷”。 在编的民用建筑采暖通风与空气调节设计规范（征求意见稿）7.2.1条更具体提出：施工图阶段应对空调区进行冬季热负荷和夏季逐项逐时冷负荷计算。,在7.2.14条，虽然提到了“内区的冬季冷负荷”，但仅原则提出“室内照明功率、人员数量、设备功率等宜与夏季取值相同”。 4.2.1条提出：夏季太阳辐射照度应根据当地的地理纬度、大气透明度和大气压力，按7月21日的太阳赤纬计算确定。,2）若干案例 1994年为远南残疾人运动会运动员村建成的北京远南大厦，有一个面积很大、与南入口大堂相通的首、二层大厅，采用全空气空调系统。 后来在二层分隔出一个1000多平米、无外围护结构的宴会厅，但没有另设独立空调系统，只能与热工特性显著差别的大堂统一运行，在过渡季特别是冬季，室温必然过高。, 2002 年1月，采用按照内外区划分VAV系统、并采用两级泵两管制系统的北京发展大厦，提出在严寒期仍需要运行制冷机组的改造问题。, 2007年12月，中国农业银行总行大厦的VAV系统，在配置了冷却塔通过换热器得到空调冷水的系统以后，仍反映冬季的若干时段，外区仍然存在过热现象。, 2008年，北京青年报曾有一篇报道的题目是： 商城不开暖风 室温竟超30 文中称：市城管执法局在其官方网站上公布了供暖检查首日21家温度超标的商场名单，其中以新世界二期以30.2高居榜首，石景山华联商厦和海淀城乡华懋商场分列二、三位，温度均超过了27。,记者随崇外城管分队来到新世界二期进行复查，一楼的温度很适宜。但登上更高楼层时，温度越来越高。到达四层时，已经看到有的营业员身穿短袖，顾客则将大衣抱在手中。 商场行政部的王经理说：入冬以来以来除了一层供暖外，二层以上并没有供暖, 本采暖季，北京市建筑设计研究院五所设计的某医院病房楼，在不供暖的情况下，若干时段南向房间室温过高。, 某设计单位正在设计某严寒地区的民航空管站，其控制机房需要全年供冷，采用风冷式恒温恒湿空调机组系统，困难的问题可能不是夏季，而是在冬季空调室外计算温度-27条件下如何供冷运行？,3）冬季空调房间的冷负荷 内区空调房间由于没有外围护结构向室外散热，而只有内部人员、照明和设备等向室内散热，冷负荷是常年发生的。,外区的空调房间，即使在严寒和寒冷地区，如果太阳辐射得热大于外围护结构散热，或者是人员密集和内部发热量较大，外围护结构散热小于内部发热量时，冬季也可能发生冷负荷。外围护结构特别是窗的热工性能逐步改善之后，这种现象出现的概率大为增多。,例如：通常采用的12mm空气间隔层中空玻璃断桥铝合金外窗传热系数，约为2.8W/(m2·K),当室内外温差为30时，传热损失为84W/m2，而太阳辐射得热形成的负荷，会远大于传热损失。在窗墙面积比很大、可开启面积很小、且有较多内部发热量的情况下，许多大型公共建筑的外区空调房间，在冬季的某些时段即使不供暖也会过热。,但是，外区空调房间冬季冷负荷是得热量和外围护结构散热量的差额，具有不规则的特点，既与房间朝向、窗墙面积比和外围护结构传热性能等固定因素有关，更受室外温度、日射时间等瞬变因素影响，冷负荷不是全日的，会与热负荷交替出现。,4) 冬季空调房间冷负荷计算的特点 对于一般舒适性空调，冬季空调房间冷负荷计算有两个特点。 第一，用于确定所需供冷量的室内计算温度取值，宜高于冬季供暖房间的设计温度。节能设计标准和能源管理制度，对于空调房间冬季供暖温度作了严格的限制。如果提高需要供暖房间室内计算温度，虽然可以改善热舒适度，但是要增加供暖热量。而提高需要供冷房间的室内计算温度，可以减少供冷量，又改善了热舒适度。,有资料认为：冬季需要供冷房间的设计计算温度，办公类用房可取24，商场类用房可取22，即可较冬季供暖房间的设计温度高56。 即使是对于外区，由于提高了室内计算温度，外围护结构散热增大，与太阳辐射得热量和内部发热量比较的差额减少，仍可降低所需供冷量。,第二，由于冬季室外新风的含湿量很低，需保证室内相对湿度的场合，空调系统还要配置加湿措施，空调房间得到的潜热是有利因素，不需要加以消除，因此冬季的冷负荷可只计算显热，不必计算全热。这既有利于减少所需供冷量，也可以提高房间的舒适度。,第三，外区空调房间的冬季冷负荷，除了室内照明、人员、设备等热量可与夏季取值相同以外，太阳辐射得热与外围护结构散热的比较，应以哪个状态点（何日的太阳赤纬和什么室外计算温度）为基准？什么是最不利条件？还没有得到明确和合理的概念。,5）解决冬季空调房间冷负荷的主要方法 解决冬季空调房间的冷负荷问题，首先要合理划分时段。大致可以分为以下三个阶段：,第一阶段，当室外空气温度开始低于室内温度，例如北京的九月或四月，冷源系统的冷负荷特别是新风负荷减少，制冷设备的主体部分可以停止供冷运行了，但内区空调房间和发生冷负荷的外区空调房间，大致在室外空气干球温度10、湿球温度5之前，制冷设备仍需要部分延续供冷运行。这个阶段会延续到建筑的其他区域已有供暖需求了。,第二阶段，当室外空气温度进一步降低，干球温度10、湿球温度5，开式冷却塔的出水温度能够10时，例如北京的十十一月或三四月，可以利用冷却塔供冷；,第三阶段，室外温度又进一步降低，大约室外空气干球温度5时起，则有条件利用室外新风作为冷源。,时段的划分并不是机械的，在某同一个时段内，还有昼夜温差，例如：在白天室外空气温度较高时，冷却塔或室外新风难以提供冷源，但在夜间则具备供冷能力。又例如：昼间室外空气温度在0以上，可以用冷却塔供冷，而夜间可能在0以下，就不宜运行冷却塔供冷。因此，在系统配置上，应具备能随时变换供冷运行方式的功能。,时段的划分也因地区而有所区别，例如：夏热冬冷地区，可以利用冷却塔供冷的时段会比较长，寒冷特别是严寒地区，可以采用室外新风作为冷源的时段会比较长。,6) 冷却塔供冷可以适合于什么场合？ 冷却塔供冷主要适合于采用风机盘管加集中新风系统，且为分区两管制或四管制的内区风机盘管水系统，也可以适合于其他场合。 当室外空气温度即使降低到干球温度10以下，不仅是内区，外区也可能有供冷要求，而此时如采用室外新风供冷尚不足以满足，需要继续运行制冷设备提供冷源。,因此，不论是全空气系统还是风机盘管加集中新风系统，不论是内区还是外区，只要存在供冷要求，经过技术经济比较，都可在一定的时段内，利用冷却塔代替制冷设备提供低于10的冷水。 由于这个阶段的负荷（特别是新风湿负荷）减少，空气处理机组、新风机组和风机盘管，都有条件采用较高温度的冷水，就可满足供冷要求。,冷却塔供冷还可以在较长时段内，应用于温湿度独立控制的干工况末端，例如楼板或毛细管网冷辐射的水系统等。 这种干工况空调供冷末端，正好需要温度较高(例如1623左右)的冷水，在室外空气湿球温度15的条件下，就可以不需要将从常规冷水机组供给的低温冷水换热或混合为高温冷水，或启动专用高温冷水机组。,利用冷却塔代替制冷设备提供冷水，配置并不复杂。除了需配置与制冷机相并联的换热器之外，冷却水和冷水的循环，甚至可使用既有的、为制冷设备配套的冷却水泵和冷水泵，只需实行运行模式的转换。,当室外空气日平均温度低于0以后，冬季显热负荷密度较大、采用新风尚不足以满足的空调房间，如果仍需要延续冷却塔供冷，宜尽量在昼间运行，在夜间则可将冷却循环水收集于设置于室内的水箱中。,有些资料将冷却塔供冷称之为“免费供冷系统”，这种说法虽然并不确切，但从利用较低室外空气湿球温度的条件，代替制冷机供冷，确能取得一定节能和节省运行费用的效益。,7)利用室外新风能有多大的供冷容量？ 当室外温度低于5或低于0以后，就有条件利用室外新风作为冷源。特别是当室外温度低于0以后，如果继续采用冷却塔供冷，就需要采取一系列防冻措施。因此，在室外温度较低时段，应当尽量采用比冷却塔供冷更为经济简便的利用室外新风的方式。,全空气系统，冬季利用新风作为冷源，如果室内温度设定为24，当室外温度低于0、只要新风比大于40，当室外温度低于5、只要新风比大于50，新、回风的混合温度都可低于15。这对于一般负荷密度的建筑，是可以基本满足冷负荷需要的。,风机盘管加集中新风系统：对于例如办公建筑等冬季需要加湿的场合, 如果室内温度设定为24、相对湿度30，室内空气的焓值为38kJ/kg。 集中新风（加热加湿）送风参数取：送风加热到温度12、等焓加湿到相对湿度95，送风焓值13.5kJ/kg。此状态参数在吸收室内热量后升温到24时，相对湿度可升高至接近30。,按照新风量取30m3/h·人，每人占有使用面积4m2计算，新风可以担负的冷负荷约为:,风机盘管加集中新风系统：对于例如商场类建筑等冬季不需要加湿的场合，如果室内温度设定为22、相对湿度30，室内空气的焓值为34kJ/kg。 集中新风（等湿加热）送风参数取：送风温度6，送风焓值8.4kJ/kg。,按照新风量取20m3/h·人，每人占有使用面积3m2计算，新风可以担负的冷负荷约为:,可见，当冬季显热负荷不大于60W/m2的空调房间，都有条件利用新风作为冷源，而当显热负荷密度较大、新风不足以满足供冷要求时，才需要运行冷却塔供冷。,以上计算，都基于最小新风量标准，如果按照有利于节能的原则，具备适当增加新风量的条件，应该可以满足使用要求。事实上，许多两管制的系统，经过改造，采用适当增加新风量的办法，取得了较好的效果。许多新的设计，也在采用这种办法。,新风处理机组选择及控制 新风处理机组的中档风量，宜按照最小新风量标准选择，同时应具备区别于中档风量的低档风量和高档风量的转换功能。, 当房间内人员密度降低（CO2浓度低于设定值）时，转换为低档风量运行；当供冷工况室外空气焓值低于（或供热工况室外空气焓值高于）室内空气焓设定值时，转换为高档风量运行。,8)为了增大室外新风的供冷能力，风机盘管加集中新风系统可以采用较低的送风温度吗？ 按照送风温差不宜大于10的原则，对于冬季设计室温为2224且有冷负荷的场合，送风温度不宜低于1214，6这样的低温新风，当然不可以直接送出。,需要选用扩散性能好的风口，或者可以将新风接入风机盘管的出口静压箱内，与风机盘管吸入和送出（因为有冷负荷而不加热）的室内2224回风混合后送出，就可以解决合理送风温差的问题。,9) 空调水系统制式的选择，与应对冬季空调房间冷负荷的关系 空调水系统制式分为两管制、分区两管制或四管制。一般来说，所有区域同时在夏季供冷、冬季供暖时，应采用两管制水系统。只有一些区域需全年供冷时，宜采用分区两管制水系统。供冷和供暖工况交替频繁或同时使用时，则需要采用四管制水系统。可见，只有分区两管制和四管制，是针对冬季空调房间冷负荷的。,分区两管制是两管制水系统的扩展，其中一个管系实行供冷和供暖的季节转换，另一个管系则全年供冷。分区两管制与两管制相同之处，是每个区域只有一个管系，而空调末端设备都只有一组空气换热器，配置和控制都比较简洁。,四管制是供冷和供暖分别配置管系，所有空调末端设备同时配置空气冷却器和空气加热器，当然可以适应各种复杂情况的需要。但由于四管制包括管系、末端设备、控制阀门和控制系统的投资费用和占用空间，明显高于两管制和分区两管制，从GB 50189-93旅游旅馆建筑热工与空气调节节能设计标准开始，就规定：“应仅限于热舒适度最高的一级旅游旅馆中采用”。GB 50189-2005公共建筑节能设计标准的5.3.18条，也做了进一步的阐明。,一般情况下，存在明显内区时，应优先选择只需要按照内外区划分的分区两管制。但是，对于冬季也存在冷负荷的外区，需要供冷和供暖交替，或者建筑中如洗浴健身场所等区域，虽然也在内区，但室温要求高于其他内区，也需要供冷和供暖交替。分区两管制的区域划分，就会遇到比较难以周全解决的复杂问题，或者只能采用四管制。因此，在同一建筑物内，可能会需要分区两管制和四管制的共存。,10) 风机盘管加集中新风系统，采用普通的两管制系统,是否也能适应各空调区域在同一时间内分别需要供冷或供热？ 在工程设计实践中，有一些并不存在供冷和供暖工况交替频繁或同时使用需要的建筑，只是为了追求空调系统配置的“豪华档次”， 建设单位也指定配置四管制水系统，显然这是不合理的。据调查, 在北京地区建成的少量可以同时为空气处理设备分别提供冷媒或热媒的四管制系统, 大多只实施了两管制系统的功能。,其实，在许多空调建筑（例如旅馆客房或一般办公室）中，室内人员同时有不同温度要求、而需要分别供冷和供暖的，并不在盛夏和寒冬，主要是过渡季及其前后阶段。 当采用风机盘管加集中新风系统时，普通的两管制系统, 也可以通过对新风的不同处理, 在一定范围内满足房间不同供冷或供暖要求。例如可以采用下列运行方式：,在主体供冷阶段的如初夏或夏末, 室外空气焓值略高于室内空气焓值, 新风机组可对新风不进行减焓处理（即直接送室外新风相当于利用室外新风供暖）, 当房间人员有较低室温要求（怕热）时, 可通过房间的风机盘管机组进行减焓处理。,在主体供暖阶段的如初冬或冬末, 室外空气焓值略低于室内空气焓值, 新风机组可对新风不进行加热处理（即直接送室外新风相当于室外新风供冷）, 当房间人员有较高室温要求（怕冷）时, 可通过房间的风机盘管机组进行加热处理。,请大家结合工程实际，参与这个问题进一步的研究和探索。 预祝各位兔年吉祥！,