暖通空调新技术的研究与应用

暖通空调新技术的研究与应用

袁年侠

摘要：在能源危机的大背景之下，暖通空调技术的发展对建筑节能有着至关重要的作用。同时，随着人们对生活条件的舒适性以及卫生条件要求越来越高，许多有关暖通空调的新技术也应运而生。本文仅针对置换通风、地板送风以及冷却吊顶作相关探讨，分析讨论三项新技术的研究情况以及应用现状。

关键词：暖通空调；置换通风；地板送风；冷却吊顶

0 前言

暖通空调系统的新技术丰要以暖通空调系统的设计、暖通系统的运行管理以及采用新型空调方式、新的控制方法和新的节能技术的开发应用为主，推广使用 可再生能源、低品位能源或者提高能源利用率的新技术。同时，新技术还有另外一个作用，那就是改善人们的生活工作环境，提高房间的舒适度。

随着 我国国民经济的迅速发展，能源和环境问题日益尖锐，城市化的飞速 发展和人们生活水平的提高，建筑能耗在总能耗中所占的比例越来越大，而在建筑能耗里，用于暖通空调的能耗又占建筑能耗的30-50％，且在逐年上升。

对这些能源的大量使用，使得地球资源日益匮乏，同时也带来严重的环境问题，如在我国的一些地区酸雨、飘尘、雾霾问题呈日益严重之势，对生态环境和可持续发展带来了很大影响。

暖通空调行业作为建筑行业中的能耗大户，所有的设计、施工、以及运行维护的技术都事关能源的利用，一不小心就可能造成巨大的能源浪费。所以在暖通空调行业中采用一些新技术的意义是非凡的，尤其是从节约能源的角度来说。同时，随着室外空气环境的恶化，人们进一步关注生活条件问题，随着新技术的应用，也能更好的解决这一问题。

1 置换通风的研究与应用

近年来，一种新的通风方式——置换通风在我国日益受到设计人员和业主的关注。这种通风方式与传统的混合通风方式相比较使室内工作区得到较高的空气品质，较高的热舒适性并具有较高的通风效率。置换通风已经在工业建筑、民用建筑及公共建筑中应用。

从知网的搜索数据来看，目前关于置换通风的研究并不是很多，以置换通风为主要研究对象的文献只有380多篇，这些文献具体的研究内容归纳起来可以分为以下几种情况。

1) 从设计的角度对置换通风的研究

从原理出发，李强民[1]简述了置换通风的原理与特性，介绍了置换通风系统的设计要点及其末端送风装置。饶良平[2]通过对置换通风设计原理及运行状况特性的分析,比较了置换通风和混合通风的能耗。这都是从置换通风的设计原理出发，全面阐述的置换通风是怎样一种空调方式，让人们从理论上对这样一种新技术有所了解。常茹等[3]不光对设计原理做了探讨，还对设计计算参数的控制进行了探讨。穆振英等[4]更是针对目前我国指导置换通风实际工程设计的具体规范标准相对缺乏、详细的工程设计参考数据不足这一问题,进行了理论与实验研究.建立了理论计算模型,利用所建模型对置换通风系统进行了数值模拟,通过实验验证了模拟结果的准确性。

还有很多人对置换通风这种形式的通风的气流组织做了研究，马国彬等[5]采用数值模拟方法,对应用置换通风方式的办公房间气流组织的速度场、温度场进行计算并作图形化处理,分析置换通风气流组织的特性,通过改变围护结构的传热系数,简要分析其对气流组织的影响。高辉等[6]也是通过应用CFD和STARCD软件,对使用置换通风系统的办公室进行数值模拟,对气流的速度场和温度场进行分析和总结。

在置换通风中风口的位置会影响到空调的效果，王丹[7]等采用RNGk-ε模型模拟在置换通风中送风口位置和高度的不同对地面附近速度场分布的影响。还有很多学者则是对风口上置置换通风系统进行实验研究，赵建博[8]等通过分析实验数据得出,风口上置置换通风在满足室内热舒适性的前提下,能够提高房间的负荷承担能力,与混合通风相比能够得出较高的通风效率；另外,阶梯形的风口较普通的送风口能较少的卷吸上区品质差的空气,能更好地满足上置置换通风的风口特性要求。

2) 置换通风与其他空调方式对比研究

只有通过对比才能显示出置换通风方式的优点，同时还能暴露出置换通风方式的缺点，从而有利于在设计时选择合理的通风方式。李先庭等[9]根据置换通风和混合送风设计及运行的特点 ,以DeST为模拟工具 ,分析了北京某写字楼分别采用置换通风和混合送风方式供冷季空调系统的运行情况 ,讨论了两种送风方式在定风量或变风量运行时系统的逐时能耗及在室外新风利用上的特点。邓元媛[10]等也是将置换通风方案引入到此类厂房中,并与几种常规的送/回风形式进行了比较,得出在此类厂房中置换通风是一种值得推荐的通风形式,同时提出了设计时应该注意的问题。周文慧等[11]则是对地板送风和置换通风进行了理论分析和比较,利用数值计算分别对某办公室采用地板送风和置换通风进行了模拟,从PMV、PPD、通风效率等方面对模拟结果进行分析。

3) 置换通风的舒适性研究

关于置换通风的舒适性研究中，主要是研究在采用置换通风的空调系统房间中的舒适度、空气品质以及颗粒物或污染物的浓度等因素。孟广田[12]等对置换通风的热舒适性进行了分析与评价 ,利用PD等参数及热舒适图对置换通风的主要热舒适问题吹风感和竖直温差进行了分析 ,为置换通风的热舒适评价提供了参考。李金华[13]等通过建立一模型房间,从室内空气温度分布、PPD、悬浮颗粒分布及CO2浓度几方面模拟研究了置换通风条件下室内空气品质。结果显示置换通风条件下的IAQ完全能满足相关规范规定,达到人体对健康的要求。小微粒有很好的跟随性,大微粒在重力作用下下沉到地面,CO2的浓度随高度的增加而增大,呼吸区的空气清新。袁丽丽[14]等以粒径为2.5μm的颗粒物为研究对象,主要研究了碰撞射流通风(IJV)系统和置换通风(DV)系统下室内颗粒物分布特性。许婕[15]等针对采用置换通风系统的典型办公室,分别就室内不同的颗粒污染物分布位置、不同送风温度等工况进行了模拟计算。研究结果表明,不同送风温差参数对室内颗粒物浓度分布影响显著。不同位置颗粒污染源释放出来的气溶胶粒子在不同送风温差下也呈现出了不同的分布特性。

4) 置换通风与其他空调方式混合应用研究

置换通风与冷却顶板相结合的空调系统，很好的结合了两种系统，同时兼顾两种系统的优点。周鹏[16]等介绍了冷却顶板和置换通风的基本原理，以及两者在提高人体热舒适性和室内空气品质方面的优越性，并指出两者的结合使用可带来明显的节能效果。张行周[17]介绍了置换通风与冷却顶板相结合的空调系统。该系统能充分发挥二者的优势 ,既改善了室内空气品质 ,又提高了人体的热舒适性 ,并且具有较明显的节能效果。

地板辐射供冷结合置换通风的复合式系统也是了一种新型的空调形式，蔡宁[18]等从系统形式、结构特点、技术特点、舒适性和节能等方面对其进行了详细的阐述。王鑫[19]介绍了地板辐射供冷和置换通风的机理和特点,说明了置换通风可以加强房间的对流换热,并减小地板结露的可能性。 对地板内部的温度场建立了三维数学模型,采用FLUENT进行了模拟,得到地板内部温度场的分布状况。

另外一种新型的空调形式则是蒸发冷却与置换通风相结合空调系统，向瑾[20]等人则是介绍了蒸发冷却和置换通风的工作原理,提出了温湿度独立控制的蒸发冷却空调系统,分析了在全空气空调形式下蒸发冷却+置换通风空调系统在室内空气品质及节能上的优越性,指出了此空调系统在我国西北地区具有广泛的应用前景。

通过上述一系列的研究表明，置换通风系统是一种通风效率高，既带来较高空气品质又节能的有效通风方式。同时还可以与其他的通风方式结合利用，充分发挥自己的优点，达到节能和提高空气品质的目的。

对于一些有热源的高大厂房，因为车间跨度大，采用自然进风屋顶排风的方式，往往通风效果欠佳，如果采用置换通风，则将提高整个车间的通风效果。上海松江Tiger Park公司的塑料制袋生产厂、南京爱立信通讯有限公司江宁厂房等都成功的采用了置换通风的空调方式。上海大剧院观众厅座椅下送风系统是置换通风系统在公共建筑中一个典型应用。为对该系统的可行性进行论证，曾经在同济大学气流显示实验室内建立了该系统1:1的单座椅下送风系统的实型模型，并进行了系列试验。而实际投入使用后的情况也是令人满意的。国内关于置换通风的成功应用案例已经不少，相信以后还有有更多的工程考虑置换通风。

2 地板送风的研究与应用

地板送风系统是全空气空调系统的一种型式。与传统的上送风系统不同, 地板送风系统利用结构楼板与架空地板之间所形成的敞开空间来布置送风管道或直接作为送风静压箱, 将经过空调器处理后的空气通过设置在地板静压箱内的变风量末端装置或安装在架空地板上的地板送风口送入各温度控制区, 与室内空气进行热湿交换后从房间上部回风口或排风口排出。

在知网上搜索以地板送风为主要研究对象的相关文献总共135篇，相比与置换通风又少了很多。对所有文献的研究方向分类，与置换通风类似，同属于空调系统的一种形式，同样可以分为几大类的研究。

1）从设计的角度对地板送风的研究

在地板送风设计时，为了得到准确的计算负荷，杨国荣[21]等对比分析了现有的几种负荷计算方法,指出在进行地板送风系统设计时,设计人员应根据建筑层高、冷负荷特点、空调系统形式及送风方式来确定空调负荷的计算方法。

送风参数是设计过程中的一个重要参数，王成林[22]等为了得到地板送风系统理想的送风参数,首先通过正交实验研究不同送风参数对地板送风系统房间温度分布、热舒适性和空气品质的影响,然后采用控制变量法进一步研究送风温度和速度对系统性能的影响,最终通过Energy Plus能耗模拟软件计算得到供冷工况下热分层良好、舒适性较好且能耗较低的理想送风参数。

2）地板送风的舒适性研究

静压箱作为地板送风的重要部件，其作用不可小觑。陈瑜[23]等建立了地板静压箱的模型,针对静压箱高度和送风口密度对送风均匀性的影响进行了模拟分析。姜海元[24]等专门对气流组织做了研究，采用数值模拟方法,对一应用地板送风系统的开敞式办公环境的气流组织进行模拟计算。通过对模拟结果的速度场和温度场的分析,表明了地板送风能够提供具有较好热舒适性的室内环境。

地板送风的一个巨大优势在于具有良好的热舒适性，马仁民[25]等阐明了下部送风房间热力分层和垂直温度分布规律，在实验基础上分析了地板空调的热感觉，其结果说明这种逆风系统在适宜的风量与温度下能够提供舒适条件，并使风感百分数低于15％。杨青[26]等在地板送风实验室内建立了温度场测量系统,并对其进行了标定。通过对地板送风几种典型工况的实验, 结果显示水平方向上风口区以外的温度分布变化小,垂直方向上存在着类似于置换通风的温度梯度,并由实验数据分析得到送风温度和送风量对垂直温度梯度影响的程度。

地板送风的一大问题就是扬尘问题，可吸入颗粒物作为危害人体健康的一类重要污染物,其在室内的分布规律是评价室内空气品质的一个重要方面。李灿[27]结合理论与实验两方面研究了地板送风室内可吸入颗粒物的分布和二次悬浮特性。

3）地板送风与其他空调方式混合应用研究

目前，关于地板送风与其他空调系统混合应用的系统不多，比较多的是辐射空调+地板送风系统的混合应用，辐射空调包括地板辐射和辐射吊顶。袁永莉[28]等通过对上海地区某办公楼夏季使用辐射空调+地板送风系统室内空间上的温度分布CFD数值模拟,确定室内最易结露区域。王玉平[29]等本文通过一个办公建筑工程设计实例,探讨辐射吊顶与地板送风复合系统的设计方法,对比了该系统与常规空调系统的用电装机容量及制冷季总运行能耗。荣庆兴[30]等应用FLUENT软件对带有地板辐射的地板送风空调系统在夏季工况下对室内空气温度场和速度场进行了数值模拟,结果表明带有地板辐射的地板送风空调系统与传统的地板送风空调系统相比,温度变化更小,热舒适性更好。

从上述研究可以看出，地板送风是一种便于建筑物重新装修和现有建筑的翻新改造，有利于局部气候环境的个人控制，同时可以提高工作区空气品质，具有节约能源等优点的空调形式。

对于各建筑区域, 应在具体分析基础上, 仔细评估并考虑采用何种空调系统。 最适合采用地板送风系统的空间有计算机房与其它信息技术或电子设备用房、敞开式大空间办公室、 培训或会议场所、展览区域、 办公辅助区域如配电间等场所。国内关于地板送风成功应用的案例也很多，特别是在办公楼的应用更为突出，相关应用的研究也比较多。在我国, 现代办公建筑中应用地板送风系统刚开始, 如十多年前的变风量空调系统一样, 将逐渐成为现代办公建筑空调设计的主流。

3 冷却吊顶的研究与应用

冷却吊顶系统起源于欧洲，是一种替代型空调系统，其与置换式送风系统相结合,可以在较高的冷负荷条件下提供高 标 准的热舒适和换气效率，并能取得较好的节能效果。因此,近年来正越来越得到广泛地采用。

在我国，冷却吊顶技术的发展还处于初级阶段，冷却吊顶系统的应用也非常少，因此关于其的研究也不是很多。从知网的搜索结果显示，国内关于冷却吊顶的研究文献不到50篇，从某种程度上也反应了我国关于冷却吊顶的研究与应用现状。

现阶段关于冷却吊顶的研究大部分还停留在理论阶段，对其的现状做分析，对其的发展前景做展望。或者是对冷却吊顶空调系统的特性、实用性以及设计要点做相关探讨。郑国忠[31]等简述了冷却吊顶的原理和发展,总结了冷却吊顶系统的优点和缺陷,分析了冷却吊顶系统的室内热舒适性及经济性以及自由冷却、广义蒸发冷却、干燥冷却技术与冷却吊顶系统结合应用的研究现状,介绍了冷却吊顶的设计方法和设计关键参数的确定。孙丽颖[32]等研究了冷却吊顶系统在不同地区的适用场所,结果表明,在北方地区,冷却吊顶空调系统可以应用在室内湿负荷较大的场所,其适用范围比在南方地区应用时更为广泛。马景骏[33]等则描述了冷却吊顶空调系统中冷却顶板的辐射与对流换热及人体与环境的辐射与对流换热，通过理论计算分析了冷却吊顶空调系统中房间室内温度的确定与常规空调系统的区别，并介绍了评价系统热舒适性的几个因素的特点。

胡洪等[34]提出了主动式冷梁+新风冷却除湿系统，针对客房、办公室、会议室、商业用房4种类型房间进行了系统适用性分析。新风冷却除湿的深度受盘管特性及供回水温度等因素影响,提出了湿风比概念,并通过计算得到显热处理末端与新风冷却除湿空调系统可适用于最大湿风比不超过4.92g/m³的房间的结论。

冷梁主要分为主动式冷梁和被动式冷梁，从搜索的结果显示，现在关于冷梁的研究主要是集中研究主动式冷梁。很多学者都做了关于主动式冷梁在办公类建筑中的应用，我相信这也是冷却调动在国内比较试用的建筑场合。现在国内冷却吊顶空调系统的成功应用案例还非常少，但是我相信随着温湿度独立控制系统的推广，冷梁技术一定会存在用武之地，毕竟它自身存在的优势还是不可忽视的。

4 结束语

暖通空调系统是整个建筑中不可或缺的一部分，其能源消耗也在建筑节能中起着至关重要的作用，暖通空调新技术的发展与应用直接决定了暖通空调系统的节能性。随着部分技术的逐渐成熟，还会有更多的新技术问世并被应用到实际工程之中。从过往的发展来看，关于新技术的研究主要还是从其节能性，适用性以及舒适性出发。当新技术发展到相对成熟的时候，就会运用到实际的工程之中，此时便可以结合工程实例已经相关研究。

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本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/c81294ca79563c1ec4da716c.html