基于溫濕度獨立控制的水蓄冷空調系統(tǒng)的設計

基于溫濕度獨立控制的水蓄冷空調系統(tǒng)的設計

0水蓄冷系統(tǒng)的目前存在的問題利用空調蓄冷技術和能源系統(tǒng)時間偏移政策，可以宏觀上轉移能源高峰時期的能耗，平衡能源高峰時期的差源，減少對新能源的投資，減少污染，促進生態(tài)平衡。在微觀層面上，可以降低空調設備的容量，節(jié)省運營成本。目前,空調的蓄冷方式按蓄冷介質劃分有水蓄冷、冰蓄冷、共晶鹽蓄冷和氣體水合物蓄冷等4種,其中水蓄冷和冰蓄冷是目前最常用的兩種蓄冷方式。與冰蓄冷相比,水蓄冷系統(tǒng)具有結構簡單,運行、管理方便,投資少、回收期短等優(yōu)點,但由于水蓄冷為顯熱蓄冷且蓄冷溫差有限,其蓄冷槽容積往往比冰蓄冷蓄冷槽容積大4～6倍,過于龐大的蓄冷槽占地空間建筑物往往難以提供,這就是目前采用水蓄冷系統(tǒng)的工程的數(shù)量遠少于采用冰蓄冷系統(tǒng)的工程的數(shù)量的最主要原因。所以要推廣水蓄冷的應用就必須解決其蓄冷槽容積過大這個難題。減小系統(tǒng)的蓄冷總量或者增大蓄冷溫差以提高單位容積的有效蓄冷量是減小水蓄冷系統(tǒng)蓄冷容積的有效方法。水蓄冷溫差主要由制冷機所能提供的出水溫度和空調末端的回水溫度共同決定,故增大蓄冷溫差可以通過降低制冷機出水溫度或升高末端回水溫度來實現(xiàn)。前者由于冰點的限制和對制冷機能耗有影響已無降低的余地,后者出于常規(guī)空調對熱濕聯(lián)合控制中除濕要求的滿足,末端系統(tǒng)往往設計成進水溫度7℃、回水溫度12℃。所以要提高空調供回水溫度,可以將空調降溫和除濕分開處理,也就是采用溫濕度獨立控制的思路:采用兩套獨立的空調控制系統(tǒng)分別控制、調節(jié)室內的溫度與濕度;除濕任務由處理潛熱的新風系統(tǒng)承擔,而控制溫度的顯熱系統(tǒng)的冷水供回水溫度就可以提高到18℃/21℃。如果僅針對這部分顯熱冷量進行蓄冷,不僅夜間蓄冷總量可以大大減少,而且系統(tǒng)的水蓄冷溫差也將大幅增加,即蓄冷密度將大幅增加。隨著蓄冷總量的減少和蓄冷密度的增加,水蓄冷系統(tǒng)的蓄冷容積將不再龐大得難以滿足,從而為水蓄冷的廣泛應用提供了空間上的可行性。1cws-ithc的應用在上述思路的指導下,筆者提出了基于溫濕度獨立控制的夜間水蓄冷空調系統(tǒng)(achilledwaterstorageairconditioningsystemwithindependenttemperature-humiditycontrol,CWS-ITHC)。如圖1所示,該系統(tǒng)的冷源由常規(guī)冷水機組和水蓄冷槽組成;末端由處理潛熱的獨立新風系統(tǒng)與處理顯熱的房間末端系統(tǒng)組成,兩末端系統(tǒng)獨立調節(jié),分別控制室內的濕度與溫度。在夜間電力低谷時期,制冷機全負荷運行,將冷量以6～8℃的冷水蓄存在水槽中;在白天空調時段內,顯熱控制系統(tǒng)通過板式換熱器將蓄冷槽中的冷量以高溫冷水的形式取出供給顯熱末端,同時,制冷機供回水切換至新風除濕系統(tǒng),對新風進行深度冷卻除濕。如果建筑在夜間也有空調需求,制冷機則可同時進行除濕和蓄冷操作,此時,蓄冷槽的蓄冷和供冷管路將形成短路,使冷量快速地輸運到溫度控制系統(tǒng)。在溫濕度獨立控制系統(tǒng)中,新風除濕系統(tǒng)承擔新風負荷及所有的室內潛熱負荷,根據(jù)需要也可承擔部分顯熱負荷。新風機組除了可采用常用的冷凝除濕方法外,還可以采用固體吸附除濕、溶液吸收除濕、膜除濕、加壓冷卻除濕等方法。為了共用制冷機以節(jié)省初投資,CWS-ITHC采用傳統(tǒng)的表冷除濕新風機組,冷水進出水溫度設為5～7℃/10～12℃。如圖2所示,新風從室外狀態(tài)點W(或熱回收后的W1)處理到對應較低含濕量的機器露點L,其單位風量需處理的比焓差比普通的新風機組大得多,故需根據(jù)室內的潛熱負荷及新風量重新計算機組表冷器的排數(shù),以達到深度除濕的要求。室內顯熱通過溫度控制系統(tǒng)排除,由于系統(tǒng)此時只需要處理顯熱負荷,故可采用較高溫度的冷源(如18℃/21℃的冷水)通過輻射、對流等多種方式予以實現(xiàn)?？紤]到目前國內顯熱末端的開發(fā)狀況,選擇干式風機盤管或運行在干工況下的普通風機盤管作為房間末端,對室內空氣進行從N點到F點的等濕降溫處理。CWS-ITHC與常規(guī)水蓄冷系統(tǒng)構造相同,由常規(guī)冷水機組和蓄冷水槽組成。最大的特點在于其蓄冷溫差較大,考慮板式換熱器溫損后的有效蓄存溫差仍可高達12℃左右。而且該系統(tǒng)僅對建筑的顯熱負荷進行蓄冷,其蓄冷槽容積與常規(guī)水蓄冷系統(tǒng)相比可大幅減小。水蓄冷的主要技術問題就是保持蓄水槽中熱回水與冷水處于分離狀態(tài),避免進、出水直接混合,其解決方案是合理設計水蓄冷槽的結構形式,如采用多蓄水罐方法、迷宮法、隔膜法、自然分層方式等予以實現(xiàn)。其中自然分層水蓄冷技術應用得最為普遍,在CWS-ITHC中,冷熱水溫差較大,從而導致密度差大,易于形成自然分層的密度流,非常適合采用自然分層技術。蓄冷槽、布水器的設計以及蓄冷、釋冷等流程的設置,在很多水蓄冷文獻中有較詳細的介紹,本文不再展開討論。2冷凝水系統(tǒng)的特點CWS-ITHC是建立在溫濕度獨立控制基礎之上的,因此,它具有溫濕度獨立控制空調系統(tǒng)的基本優(yōu)點,例如,適應不同的室內熱濕比變化;能避免濕工況下盤管表面積存濕垢、產生霉菌等問題,從而改善空調房間的空氣質量;系統(tǒng)不需要設置冷凝水系統(tǒng),可減少工程的設備和安裝造價、防止凝結水滴漏對建筑及裝飾品造成破壞。此外,還具有以下幾個突出的優(yōu)點。1系統(tǒng)冷量的計算舒適性空調中新風和潛熱負荷的比例一般占全熱負荷的30%～40%。在獨立新風加干式風機盤管的系統(tǒng)中,新風機組除承擔所有潛熱負荷外,還承擔部分的室內顯熱負荷,根據(jù)新風量大小和送風溫差可計算得到這部分冷量,一般占全熱負荷的10%～20%左右。故新風機組處理的冷量約為總冷量的50%±10%,即系統(tǒng)白天需要處理的冷量和夜間需要蓄存的冷量大致相等,而且兩者所要求的制冷機進、出水溫度相同,所以完全可以選擇同一套制冷設備分別完成白天和夜間的制冷任務。與采用新風機組加風機盤管的常規(guī)空調系統(tǒng)相比,制冷機容量可降低40%左右,與采取其他組合方式的溫濕度獨立控制系統(tǒng)相比,可減少一套除濕或制取高溫冷水的裝置,故設備初投資亦可大幅減少。2制冷機夜間運行費用在可采用夜間蓄冷技術的地區(qū),其峰谷電價的比例一般高達3∶1～5∶1,故制取相同冷量時,制冷機夜間運行的費用是白天運行費用的1/5～1/3?？紤]在CWS-ITHC中,夜間蓄冷量僅承擔顯熱負荷,提供約一半的全熱冷量,故制冷機能比常規(guī)空調節(jié)省30%～40%的運行費用。3基于消防水池的蓄冷系統(tǒng)設計如前所述,由于顯熱末端所要求的供回水溫度的提高,蓄冷槽單位體積的蓄冷量可大幅增加。而且,由于蓄存的僅是占全熱冷量50%左右的顯熱量,所以CWS-ITHC所需的蓄冷槽容積將大為減小。經估算,對于普通辦公建筑,每m3蓄冷槽可滿足至少30m2空調面積的蓄冷需求。當水蓄冷槽的容積要求降低到這個程度時,其容積基本和建筑的消防水池容積相當或稍大,可以考慮利用消防水池作為該系統(tǒng)的蓄冷水池。利用建筑消防水池進行水蓄冷可節(jié)省占地空間和初投資,同時,能使消防水池中的水保持流動和低溫狀態(tài),亦可有效防止水池內腐化和藻類滋生等現(xiàn)象的發(fā)生。4提高蓄冷空調的總能耗制冷機夜間蓄冷時,室外溫度比白天低,冷卻塔可以產生更低溫度的冷卻水,所以制冷機的制冷量和COP能相應地提高6%左右。這部分增加的冷量完全可以彌補系統(tǒng)由于冷量蓄存過程中漏冷和換熱導致的冷量損失,使蓄冷空調不僅能節(jié)省運行費用,還能真正地降低總耗電量。且蓄冷系統(tǒng)夜間滿負荷運轉,較部分負荷運行時的工況更穩(wěn)定、制冷效率更高。3系統(tǒng)設計方法CWS-ITHC是溫濕度獨立控制技術和水蓄冷技術有機結合的產物,故其設計方法應是這兩種技術的綜合。3.1溫濕度獨立控制系統(tǒng)的負荷計算采用蓄冷技術的空調系統(tǒng),需要根據(jù)空調設計日逐時氣象參數(shù),進行設計日的逐時空調負荷計算,并繪制全日負荷曲線。在溫濕度獨立控制系統(tǒng)中,新風機組承擔新風負荷、室內潛熱負荷和部分室內顯熱負荷,干式風機盤管承擔剩余的室內顯熱負荷。所以,為確定兩套系統(tǒng)各自承擔的負荷,應分別逐時計算建筑的新風負荷、室內顯熱負荷和室內濕負荷。3.2增加表冷器排數(shù)或相應地降低制冷機供水溫度在溫濕度獨立控制系統(tǒng)中,全部的建筑濕負荷都由新風系統(tǒng)承擔,新風機組單位風量所承擔的熱濕負荷相對較大,因此,需增加新風機組表冷器的排數(shù)或相應地降低制冷機供水溫度,其具體數(shù)值需根據(jù)送風參數(shù)進行詳細計算。為了減輕新風機組的處理負擔、節(jié)約新風處理能耗,宜對室外新風與室內排風進行全熱熱回收后再送入新風機組處理。3.3風機盤管制冷量的計算因新風系統(tǒng)要承擔所有的室內潛熱負荷,故經新風機組處理后的空氣的含濕量和溫度都較低,為了防止在送風口處形成水霧或凝水,送風末端需采用高誘導比的低溫風口。目前,專用于溫濕度獨立控制系統(tǒng)的干式風機盤管類產品在國內還不多見,通常是將普通的風機盤管運行在干工況下來處理室內顯熱。盤管廠家一般僅提供標準制冷、制熱工況下的換熱量,而干工況與供冷標準工況(濕工況)的供冷量相差很大,所以,只有根據(jù)廠家樣本上的已有數(shù)據(jù)計算得到風機盤管運行在干工況下的制冷量,才能為風機盤管的正確選型提供依據(jù)。因為冬季供熱時風機盤管的換熱與夏季干工況時相似,兩者均為干工況運行時的簡單溫差傳熱過程;風機盤管傳熱面積不會變化,當這兩種工況下的風量、水量相等,即風側、水側傳熱系數(shù)和盤管傳熱系數(shù)K基本相等時,風機盤管夏季干工況下的供冷量和冬季標準供熱量與這兩種工況下風側和水側的逆流對數(shù)平均溫差成正比:qC-dry=qΗΔtC-dryΔtΗ(1)qC?dry=qHΔtC?dryΔtH(1)式中qC-dry為單臺風機盤管夏季干工況下的制冷量;qH為冬季標準供熱量;ΔtC-dry,ΔtH分別為兩種工況下風機盤管風側和水側的逆流對數(shù)平均溫差。根據(jù)每個房間風機盤管需承擔的總顯熱負荷及單臺風機盤管的制冷量即可得到干式風機盤管的個數(shù),在計算房間總顯熱負荷時,注意要從室內顯熱負荷中扣除新風承擔的那部分顯熱量。雖然干工況風機盤管比傳統(tǒng)的濕工況風機盤管處理的室內負荷要小約40%,但干工況下的制冷量衰減更為嚴重(約為濕工況下的35%),故干工況風機盤管的個數(shù)反而會比濕工況方式多出約70%。3.4空調冷水機組qfc當新風機組的風量和送風參數(shù)確定后,新風機組和干工況風機盤管在設計日各自承擔的逐時冷負荷分別為QAΗU=GFρa(hW-hΝ)+Wrr+GFρacp(tΝ-tL)(2)QFCU=QX-GFρacp(tΝ-tL)(3)QAHU=GFρa(hW?hN)+Wrr+GFρacp(tN?tL)(2)QFCU=QX?GFρacp(tN?tL)(3)式中QAHU和QFCU分別為各個房間內由新風機組和干工況風機盤管所承擔的冷負荷;GF為房間新風量;ρa和cp分別為空氣的密度和比定壓熱容;hN和hW(或hW1)分別為室內外(或熱回收后的室外)空氣比焓;Wr為室內濕負荷;r為水的汽化潛熱,取2500kJ/kg;tN為室內設計溫度;tL為新風送風溫度;QX為包括圍護結構負荷、人員負荷、設備負荷在內的室內顯熱負荷。新風機組所需冷量由制冷機白天提供,干工況風機盤管所需冷量由制冷機夜間低價制取后經蓄冷水池蓄存后按需供給,所以制冷機的制冷容量必須同時滿足所有空調房間白天和夜間的制冷(或蓄冷)需求,即冷水機組容量qC為qC=max{τ2∑i=τ1n∑j=1QAΗU(i,j),kτ2∑i=τ1n∑j=1QFCU(i,j)τn}(4)qC=max???????∑i=τ1τ2∑j=1nQAHU(i,j),k∑i=τ1τ2∑j=1nQFCU(i,j)τn???????(4)式中n為空調房間數(shù);i為白天空調系統(tǒng)各運行時刻的編號(τ1,τ2分別為起止時刻);j為建筑中各空調房間編號;k為冷損失附加率,一般取1.01～1.03;τn為制冷機夜間蓄冷時間(一般為8h)。3.5蓄冷槽v的設計水蓄冷槽容積應滿足夜間的蓄冷需求,其計算式為V=3600kτ2∑i=τ1n∑j=1QFCU(i,j)Δtρwcw?FΟΜ?αV(5)式中V為水蓄冷槽的容積;Δt為釋冷回水溫度與蓄冷進水溫度之差;ρw,cw分別為水的密度及比熱容;FOM為蓄冷槽的完善度,考慮混合和斜溫層等因素的影響,一般取85%～90%;aV為蓄冷槽的體積利用率,一般取95%。當采用消防水池作為系統(tǒng)的蓄冷槽時,蓄冷槽的容積還必須滿足建筑消防儲水的要求,故水池容積取蓄冷和消防所需容積的最大值即可。4冬季供暖條件以北京某辦公樓空調系統(tǒng)的設計為例,比較CWS-ITHC和傳統(tǒng)的風機盤管加新風系統(tǒng)在設備選型與運行能耗等方面的區(qū)別。北京地區(qū)的辦公建筑冬季需供暖,而CWS-ITHC的冬季供暖運行方式和傳統(tǒng)風機盤管加新風的方式相似,都是通過分、集水器與冷熱源系統(tǒng)的連接進行冬夏切換,但CWS-ITHC需考慮因夏季設備選型不同對冬季供暖能力的影響。因本文重點討論獨立除濕系統(tǒng)和水蓄冷系統(tǒng)相結合所帶來的優(yōu)點,故對于與傳統(tǒng)方式無特別不同的冬季供暖暫不作討論。4.1集中基于風機盤管的新風量計算該建筑共10層,標準層面積為2000m2,全樓總空調面積為20000m2。夏季室內設計溫度tN=25℃,相對濕度為60%,dN=11.9g/kg;人員密度為0.125人/m2,按每人30m3/h的標準計算得到的全樓新風量為:30m3/(人·h)×0.125人/m2×20000m2=75000m3/h。根據(jù)DBJ01-621—2005《公共建筑節(jié)能設計標準》的規(guī)定,對于風機盤管加新風空調系統(tǒng),當全樓設計最小新風量大于20000m3/h時,應設置集中排風熱回收系統(tǒng)。故在該建筑中設置了集中排風系統(tǒng),并對占新風總量75%的排風進行全熱回收,其全熱回收效率為45%。4.2回濕量首先對建筑的室內顯熱、潛熱和新風冷負荷進行逐時計算。然后根據(jù)室內余濕量(人員散濕)和新風量,可計算得到CWS-ITHC中新風的送風含濕量:dL=dΝ-WrGFρa=11.87g/kg-245kg/h×1000g/kg75000m3/h×1.2kg/m3=9.15g/kg。假設新風機組機器露點的相對濕度為95%,則相應的送風溫度tF=14.4℃(已考慮1℃的管道溫升)。根據(jù)送風溫差和送風量,可求得新風系統(tǒng)除承擔所有的新風負荷及室內濕負荷外,還能承擔約266kW的室內顯熱負荷。4.3風機盤管負荷計算對于傳統(tǒng)的風機盤管加新風系統(tǒng),新風通常處理到與室內空氣等比焓狀態(tài),即新風機組承擔新風負荷,風機盤管承擔室內全熱(顯熱和潛熱)負荷,而在CWS-ITHC中,新風機組和干工況風機盤管負荷分別按照式(2),(3)計算。表1列出了該辦公建筑的逐時負荷及不同系統(tǒng)下各設備的負荷分配情況。從表中可以看出:1機盤管和風力機組承擔總冷負荷的情況從全天負荷來看,在傳統(tǒng)風機盤管加新風系統(tǒng)中,風機盤管和新風機組各承擔總冷負荷的77.4%和22.6%;而在CWS-ITHC中,兩者所承擔的總冷負荷比例相差不大,分別為46.7%和53.3%。2風機盤管數(shù)量對于風機盤管,雖然處理的最大負荷從濕工況的1139kW變?yōu)楦晒r的700kW,但由于同一型號和風量的風機盤管,后者的供冷量僅為前者的35%左右,所以干工況下的風機盤管數(shù)量要增加75%。對于新風機組,雖然最大供冷量從采用傳統(tǒng)新風加風機盤管方式的385kW增加為CWS-ITHC方式下的824kW,但并不意味著新風機組數(shù)量也將按比例增加。因為機組的選擇主要是根據(jù)所處理的新風量選取,再由供冷量校核選型是否能滿足要求。所以對于該辦公樓,每層選擇1臺7500m3/h的新風機組即可,只是表冷器的排數(shù)應該從傳統(tǒng)方式的4排增加到6排,機組價格將相應地增加約20%。4.4制冷機容量對于傳統(tǒng)系統(tǒng),制冷機容量(暫不考慮余量)等于建筑逐時最大全熱冷負荷即1502kW;對于采用溫濕度獨立控制的蓄冷系統(tǒng),制冷機容量不僅要滿足白天供給新風機組冷量的要求(即最大值824kW),而且要滿足夜間滿負荷運行8h能制取6681kWh冷量的要求(容量約為835kW)。所以根據(jù)式(4)取兩者中大值,CWS-ITHC需要的制冷機容量應為835kW,約為常規(guī)系統(tǒng)容量的55.6%,故制冷機的初投資可相應降低。4.5空調辦公建筑本工程夜間需蓄存的冷量為6681kWh,根據(jù)式(5)可計算得到蓄冷槽的實際體積:V=3600kτ2∑τ1n∑j=1QFCU(i,j)Δtρwcw?FΟΜ?αV=3600kJ/(kWh)×6681kWh12℃×1000kg/m3×4.18kJ/(kg?℃)×0.9×0.95=560m3一個空調面積為20000m2的辦公建筑,僅需要約560m3的水蓄冷槽容積,相當于在溫濕度獨立控制的水蓄冷系統(tǒng)中,每m3水槽可承擔36m2空調面積的蓄冷任務,蓄冷密度非常大。該辦公建筑屬于二類高層建筑,按照消防要求需配置至少360m3的消防水池,如果考慮將該消防水池兼作水蓄冷槽,則僅需要增加200m3的蓄冷空間。而且在如圖1所示的蓄冷系統(tǒng)中,蓄冷槽中的水通