商场空调新风系统设计研究

论文导读:：分析了长沙地区商场的空气品质和客流规律，借此得出了长沙地区商场负荷的特点和气流组织原则，重点研究了商场新风负荷的确定与新风量控制原理和方法，以及商场热回收优势和方法。研究表明：可利用BIN法计算商场随人流变化的新风负荷，新风系统设计应根据商场位置、客流量、楼层等不同而区别设计；商场新风机适宜采用变频或变速调节，其新风量调节依据客流量变化调节为佳，减少新风负荷，降低空调能耗；客流量大的商场可以采用排风热回收，实现空调节能，提高能源的利用效率。
论文关键词：商场，空调，新风系统，空调冷负荷，热回收

　　(一)引言
　　商场是人员密集、流动性大的公共建筑。据资料介绍，长沙市商场内空气质量，在新风系统运行不正常时，CO2浓度达0.2%以上，灰尘浓度0.5mg/m2左右，二者均超过国家标准规定的1倍以上。调查发现，商场顾客普遍反应舒适性较差。目前，依靠新风稀释室内污染物的浓度，是改善空调房间空气品质的办法主要，并以此来满足人们的卫生要求[1-2]。同时，商业建筑空调系统的新风能耗所占比重较大，加之国内能源紧张，因此，新风系统节能设计具有现实意义。
　　(二)商场空调冷负荷与气流组织
　　1 商场空调冷负荷特点
　　商场空调冷负荷中，人体散热量和新风冷负荷占有较大比例，是空调冷负荷的重要组成部分[3]。根据长沙商场实际空调负荷统计计算，其空调冷负荷的组成情况见表1。由表1可知，新风冷负荷和人体散热量是长沙商场空调冷负荷的主要组成部分，其次为照明散热量、设备散热量和维护结构传热量。
　　表1 商场空调冷负荷的分布
　　

分析空调冷负荷各组成部分可知热回收，商场营业时间内照明散热量基本不变，设备散热量变化很小，只主要受变频空调功率变化影响，维护结构传热量受外室内外温差影响，由于其在整个商场空调负荷中所占比重很小，其对商场空调负荷变化影响很小。商场一天中人体散热量取决于商场内的人数，新风冷负荷是为满足室内人员空气品质而产生的负荷，其主大小要受人员产生污染气体多少影响，即新风负荷也只受商场内人员数量影响，同样人体散热量和新风负荷又与商场所在城市的位置、楼层、销售商品种类等有关。在特定位置的商场，其人体散热量和新风负荷只取决于商场内的人流量。图1是经过统计得到的长沙商场人员流动规律图。由图1可知，商场人流在一天运营时间内有较大幅度的波动，分别在10:00、15:30和19:00出现人流峰值。可知商场空调负荷中人体散热量和新风量在商场营业时间内均有较大波动，结合表1中空调能耗分布和上述分析可知，人流量变化是影响商场内空调负荷变化的主要因素。
　　
　　图1 商场人员流动规律
　　2. 商场内气流组织特点
　　(1)商场人员流动性大，顾客在商场内停留时间一般较短，工作人员在室内工作时间较长，新风的分配应体现出对环境和人实际需要的满足。即在人员密集的地点和顾客停留时间较长的区域相应分配较多新风量。
　　(2)商场空调空气量大，且速度较大，空气在商场中停留时间较长。为提高新风的利用效率，应合理布置送风口、回风口和排风口的位置，防止新风停留时间短。
　　(三) 新风量的确定与调节
　　1. 新风负荷确定
　　确定新风负荷[4,5]的要素包括：1、满足人们卫生要求的新风量标准。2、商场营业高峰期在场人数。商场的污染源主要是人们活动排出的CO2，产生的灰尘及其它有害气体论文提纲格式。实践证明，采用新风稀释室内污染物，当CO2浓度达到室内卫生标准时，其他污染物的浓度一般均可满足卫生要求。因此，商场内空气的CO2浓度是衡量室内空气质量的重要指标。国家标准《室内空气质量标准》（GB/T18883-2002）规定室内空气中污染物质允许的最低限值：CO2浓度为0.1%，可吸入颗粒物为0.15mg/m3。商场内人数的特点是，人流密集，室内停留的时间短，且随时间变化较大。因此，要确定节能且舒适新风供应量，应采用随聚集人数变化的变风量送风，新风负荷的计算应考虑旅客数量的波动。因此可以采用BIN法进行计算，以确定最优新风量。
　　(1)BIN法
　　BIN法[6-7]是ASHRAE提出的一种简化能耗计算方法，根据某地气象参数，将室外干球温度按某间隔分段，得出各温度段中的温度在全年或某一期间段出现的小时数，即温度的时间频数。取各温频段的中点温度作为代表温度热回收，将该频段中所有干球温度对应的含湿量之和与温频数的比值作为代表含湿量。然后分别计算在不同温度频段下的建筑能耗，并将计算结果乘以各频段的小时数，相加便可得到全年或季节的空调假想负荷。
　　(2)商场新风负荷计算法
　　室外温度参数在一年当中是变化的，商场的人数也是时刻变化的，所以应分时间段计算新风量。因为商场8:00—21:00的聚集人数能够代表一天人数变化特点，将该时间段分解为14个小时段，计算每个时间段每分钟的新风负荷，并由此计算该时刻的新风量。然后将所有时间段的新风量进行累加，最终得到年新风量。
　　BIN法中的新风负荷计算公式如下：
　　(1)
　　(2)
　　式中：QTj新显——新风显热负荷；
　　QTj新潜——新风潜热负荷；
　　i——一天中第i个时刻；
　　Vi——i时刻的新风量，m3：
　　Vi =v×ni（3）
　　ni——第j个BIN温度下第i时间段的商场的总人数；
　　v——最小新风量，m3/h按CO2浓度为0.1%计算；
　　t——BIN时间间隔；
　　d-dj——室内外含湿量差；
　　Af——建筑物空调面积，m2；
　　Tj——室外温度(第j个BIN温度)，℃；
　　T——室内温度，℃；
　　(3) 室外参数选取
　　1）夏季各地区BIN参数
　　
　　图2 夏季长沙BIN参数
　　（2）冬季各地区BIN参数
　　
　　图3 冬季长沙BIN参数
　　(3) 仿真计算
　　将全年的负荷以天为单位计算，每天分为14个小时段（计算8:00—21:00），每个时间段的每分钟表示为i；干球温度表示为Tj；
　　1）算法思想：
　　首先对所有参数设定并初始化；调用室外气象参数与各项计算参数，并判断工作日性质；然后用公式（1）、（2）计算室外温度Tj下的新风负荷，计算时判断Tj值，从而决定是计算冷负荷还是计算热负荷；然后进行单位换算得到新风量；进入下一时刻计算新风负荷；再进行另外一天的计算；这样重复累积计算后，当时间超过366天后，输出计算新负荷的结果，即得全年的新风负荷。
　　2）算法流程：
　　a、参数设定及数据初始化：数据包括时间M=0，H=0，D=0（M为月，D为天，H为小时），商场新风冷负荷Xcl=0，热负荷Xhl=0；
　　b、调用室外气象参数：室外温度Tj、该地区开始供冷的最低温度段的代表温度TiC、该地区开始供暖温度段的代表温度Tih、室外焓值hi。通过判断工作日性质确定聚集人数ni，通过式（3）计算该时刻的新风量。然后根据式（1）与式（2）计算新风负荷。
　　c、进行下一时刻的计算；
　　d、若全年新风负荷计算已完成，将新风冷负荷与新风热负荷相加并输出；
　　计算过程通过计算机实现，应用PowerBuilder9.0和SQL Server2005数据库共同完成。如图4所示。
　　图4 新风负荷计算的流程图
　　2. 新风量的调节
　　如前所述，商场内的人数在一天之内是不断变化的，就是说商场的新风量可以随着人数的变化而改变。新风量的调节对降低空调能耗具有显著的作用。新风量的调节方式与空调系统的形式有关。
　　(1) 新风量控制方法
　　新风量的控制主要存在三方面的问题：新风的分配、新风总量的确定和新风的均匀性。目前常用的新风量控制方法有：1)风机跟踪法。其控制原理是：新风量等于送风机风量与回风机风量之差，因此，在系统运行期间不论送风量如何变化，同时测量进送风量和回风量，间接控制新风量。2)新风量直接测量法。该方法是目前使用最简单的的通风空调系统新风量控制方法，它是通过测量进入空调系统的新风量而直接控制新风量。但是，由于风管内风速较低热回收，新风量的测定误差大。3)设置独立的新风机。设置独立的新风机是目前公认的通风空调系统新风量最好的调节方法之一，它通过新风机入口处的风速传感器来调节风阀，维持最小新风量。该方法控制准确，实用简单，但需另外设置最小新风风管，不适合于工程改造。4)焓差法控制新风量。该方法根据新、回风焓值比较来控制新风量与回风量的比例，从而实现最大限度地减少人工冷量与热量。5)多风机新风量控制法。其基本原理为：在新风风管内安装独立的变风量新风风机，过度季节采用新风冷却运行模式。风机的最大风量即为全新风冷却时所需的新风量，最小新风量即为满足卫生需要的最小新风量。6)二氧化碳浓度控制监控法。它是用二氧化碳变送器测量回风管中的二氧化碳的浓度并转化成标准电信号，送入调节器来控制新风阀的开度，以保持足够的新风量。此外，通过计算机模拟以控制通风空调系统的新风量也是现在工程界常用的方法。如曾艺[8]等对变风量空调系统新风量分配进行了模拟计算，计算了变风量空调系统的不同新风量模式下新风量在变风量空调系统的各个分区的分配情况,为新风量控制提供了依据。
　　 　　(2)新风量调节
　　以下讨论两种常见的空调形式及新风量的调节方式。
　　1) 组合式空调系统新风量的调节
　　组合式空调系统是商场空调常见的形式。通常新风量是按空调送风量的比例确定。空调送风量取决于空调冷热负荷的大小，而新风量取决于商场内CO2的浓度，即人数，而通常二者是不一致的论文提纲格式。尤其当冬季运行热负荷较低时，所需的新风量可能会大于空调送风量。因此新风量应根据商场内CO2浓度进行调节和控制。
　　图5是设回风机的组合式空调系统。新风阀3根据商场内CO2的浓度进行控制，并与回风阀4、排风阀5联动。当过渡季节室外空气的焓低于室内空气的焓值时，可采用全新风运行，此时阀3和阀5全开，阀4关闭。
　　
　　1、新风机 2、回风机3、新风阀4、回风阀
　　5、排风阀6、换热器7、空气过滤器
　　图5 组合式空调机组示意图
　　2) 风柜式（含风机盘管）空调系统新风量的调节
　　风柜式（含风机盘管）空调系统，见图6，一般设置单独的新风系统，新风设备采用柜式新风机组。新风量只能满足设计工况下的新风要求[9]，过渡季节利用新风量降温的效果有限。
　　风柜式（含风机盘管）空调系统新风量的调节可采用变频调速风机，根据商场CO2浓度调节新风量。如果柜式新风机组台数较多，也可以通过台数调节。
　　
　　1、新风机2、新风调节阀3、空气过滤器
　　4、换热器
　　图6 柜式新风机组示意图
　　(四) 商场空调系统热回收
　　1. 热回收可行性
　　商场建筑的新风量大，相应的排风量也大，系统运行时间长，排风的热焓较大，有利于设置排风热回收装置。组合式空调系统，宜在机组设置全热回收装置[10]，柜式空调系统往往不设机械排风装置，可选用换热热回收装置。
　　热回收装置的热回收量，随室内外空气焓差的变化而变化。过渡季节，当室外空气的焓低于室内空气的焓值，此时利用室外空气降温，热回收装置将失去意义，并产生负面影响热回收，即室外新风会被排风加热。因此，热回收装置应设旁通管，避免新风和排风进行换热。当设置旁通管有困难时，也可以将新风和排风分别控制，此时，排风机停止运行，通过商场门窗排风。
　　2. 热泵热回收
　　采用空气源热泵作为热源设备时，可利用热泵进行热回收，即将排风引至热泵机组进风口处与外部空气混合（设集气罩）。制冷工况时，可以降低冷却空气的温度；制热工况时，可以提高换热空气的温度，均可提高热泵机组的COP值，从而回收了能量。
　　(五) 结论
　　1. 商场的新风量和新风负荷是根据新风量标准和室内停留人数确定的。前者有规范可依，而人数的确定往往带有随意性。商场新风负荷的选取可利用BIN法确定，而新风系统设计应根据商场位置、客流量、楼层等不同而区别设计。
　　2. 商场内人员密度变化大，新风量应跟踪调节。新风机宜变频或变速调节，根据客流量的变化来调节新风量，减少新风负荷，降低空调能耗。
　　3. 商场的客流量大，相应的新风量大，运行时间长，有利于排风热回收，降低空调能耗，提高能源的利用效率。

参考文献
[1]王立中.VAV空调中通风系统问题分析[J].广东科技,2006, 3: 132-133.
[2]蔡芬，董茂盛.厨房通风空调系统设计新思路[J]. 节能环保技术,2007,6: 25-27.
[3]王盈.大型超市新风系统的设计技术分析[J]. 黑龙江水利科技,2009,37(6): 37-38.
[4]朱祥生.广州天河商城空调通风系统设计[J]. 广东土木与建筑,2005,7: 58-60.
[5]唐旻.某细纱车间空调通风系统设计[J]. 贵州工业大学学报(自 然科学版),2005,34(5):91-95,99.
[6]周晋,吴业正.建筑物空调能耗简化计算方