程念慶¹  施捷² 秦鵬³

（1．西部建筑抗震勘察設計研究院，陜西西安，710054）

   （2．中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西西安，710061）

（3.  西安探礦機械廠，陜西西安，710065）

中圖分類號：TU831.6

Economical Assessment of cold air distribution system

Nianqing Cheng    Jie Shi

Abstract  Summarizing development and investigation in cold air distribution system which is always combined with ice storage systems. It is found that one important research orientation on cold air distribution system is economical efficiency evaluation and put forward some relevant factors which have influence on economical efficiency of cold air distribution system.. The economical evaluation mainly depends on parameters of indoor air, supply air temperature and selection of outlet. The influence of less economizer cycle’s operating times due to using cold air distribution systems on annual economical efficiency of air-conditioning system was analyzed. Then , some directions of investigation in the future was given.

Keywords  cold air distribution systems, economical efficiency, energy consumption,

           Economizer cycle

     低溫送風空調方式是在蓄冷技術的發展下帶動起來的空調技術,其原理是利用從蓄冰槽獲得的1~4℃的冷介質(冷凍水或乙二醇水溶液)經空調機組的表冷器換熱來獲得4~10℃的低溫一次風，以區別于一次風為13℃的常規空調系統。由于送風溫度的降低，與常規空調相比，低溫送風空調方式在設計方法、設備選型、通風及舒適性以及經濟性評價方面都產生了一些新的研究課題。

 

     低溫送風并非新技術，早期的低溫送風主要用在濕度控制工程中，長期以來一直采用4℃或低于4℃的送風溫度。五十年代在許多住宅與小型商業建筑中加裝空調，由于建筑空間所限，采用9℃送風溫度，利用當量直徑89mm的風管裝在木柱隔墻上，并用高速射流散流器使冷風與室內空氣在進入房間的很短距離內混合。許多醫院六十年代就設計用2~4℃的一次風向定風量房間進行誘導送風。到了八十年代，為了平衡電網峰谷負荷，合理分配有限的電力資源，在美國的各大電力公司采取優惠政策鼓勵建筑業主采用蓄冷系統以達到“移峰填谷”的目的。這些優惠政策包括更大峰谷電價差，甚至可以得到電力公司更多的回扣作為獎勵。由此，蓄冷技術在歐美國家蓬勃興起。

 

    單純的冰蓄冷雖然可以起到“移峰填谷”的作用，運行費似乎比常規冷源更節省，但龐大且控制復雜的蓄冷系統使冷源的初投資比常規冷源高1.6~2倍，制冷機的實際能耗也要高出1.3倍^〔9〕。所以，從真正節能的角度冰蓄冷的高能耗高投資必須由低溫送風的低能耗低投資來彌補，低溫送風主要有以下優點：

 

    1、從空調系統及建筑結構上考慮，節省了初投資。這緣自更小的空氣處理設備，更小的風管，對建筑的層高要求降低。所有這些結合起來常常能抵消由于采用蓄冷系統而增加的初投資。

    2、由于風系統和冷凍水系統都是大溫差換熱，使風機和水泵的功率大大減少，節省了運行電費。

    3、低溫送風系統有更強的除濕能力，在給定的溫度下，減濕可使人感覺更涼爽和舒適。

    冰蓄冷和低溫送風相結合可以優勢互補，從上世紀八十年代末至今，低溫送風系統已被大量地應用于民用及商業建筑。

    由于低溫送風系統實際上就是大溫差送風，這與國內國外現行的舒適性空調的設計標準及規范所規定的10~15℃的送風溫差相矛盾，傳統的設計方法在許多方面已不再適用于低溫送風系統，針對在實際應用中出現的問題，吸引了大批的學者對低溫送風空調進行理論和實驗研究。研究的焦點主要集中在經濟性評價和通風及舒適性評價兩個大的方面。

 

    低溫送風系統的經濟性主要表現在初投資低，運行費用省。實際上，低溫送風系統的經濟性并不能就此簡單地概括，因為真正經濟的低溫送風系統與許多因素有關。

 

    2.1室內參數及送風溫度的選擇

    由于低溫送風系統可使室內相對濕度低至30~40%，按照ASHRAE推薦的焓濕圖上的等效舒適區范圍，在低濕環境下將室內干球溫度設定點提高1~2℃給人的熱感覺將與常規空調系統的室內溫濕度設定點相當。這可以減少一部分顯熱負荷，且依據以上概念，可以按照回風的露點溫度來設定房間的干球溫度，這樣可以比定干球溫度控制法更舒適且節能。

 

    低溫送風系統的送風溫度的選擇范圍較廣（4~11℃），文獻（1）認為按送風溫度的不同可以分成三類：（1）高低溫送風系統（9℃≤t₁≤11℃）；（2）中低溫送風系統　　（5℃≤t₁＜9℃）；（3）超低溫送風系統（t₁＜5℃）。各自的特點如表1所示。

 

    隨著送風溫度的降低，決定初投資和運行費的因素是相互制約的，其關系可用以下的關系圖表示。

    單純從經濟性方面考慮，并兼顧舒適性和安全性，文獻〔1〕認為采用6~8℃的送風溫度是最經濟的。

 

    2.2 末端送風方式的選擇

    低溫送風系統所采用的末端送風方式包括兩大類，即直接式送風和混合式送風。直接式送風方式就是把低溫一次風直接送入室內，靠較大的出口動能在較短的距離內卷吸大量的室內空氣以使工作區達到所要求的通風及舒適度。這種送風方式使散流器在低溫下工作，為防結露應使用低溫送風專用散流器。直接送風又分為每個散流器自帶變風量元件和幾個風口共用一個變風量控制箱兩種方式。混合式送風就是用以風機為動力的混合箱把一次冷風在抵達散流器之前與房間里的循環風混合。采用這種方式，散流器的工作溫度與常規空調一樣。不必擔心結露。混合式送風又分為三種，即串聯式混合箱、并聯式混合箱及誘導式混合箱。

    

    從經濟性的角度分析，連續運轉的風機驅動的串聯混合箱的能耗是最大的，風機間歇運轉的并聯式混合箱次之，最節能的送風方式是直接送風。Dorgan等人^〔4〕1990年對一個用冷季節的實測表明，低溫送風系統的一次風風機的用電量只是常規系統的66%，而由于采用風機驅動的串聯混合箱，低溫送風系統的風機能耗反而比常規系統高39%。Elleson等人^〔7〕1993年通過對兩幢建筑物分別采用連續運轉的串聯混合箱、間歇運轉的并聯混合箱及直接送風方式的7.2℃低溫送風系統與12.7℃的常規系統的風機能耗進行了比較，結果列于表2中。

Tab1 Classify and Characteristics of Cold Air Distribution Systems

分   類   項   目	高低溫送風	中低溫送風	超低溫送風
冷凍水溫升	11.6~12.7℃ (8~10排冷盤管)	13.3~16.6℃ (8~10排冷盤管)	＞16.6℃ (10~12排冷盤管)
送風末端	可采用常規變風量末端	用風機驅動的混合箱或高誘導比的末端	用風機驅動的混合箱或高誘導比的末端
風機	可減少10~15%的功率	節省20~30%功率,空氣處理設備外形尺寸減少20~30%
風管	尺寸減少20%	尺寸減少30~36%
保冷	沒有特殊的保冷要求	對風管和末端需額外的保冷要求	對風管和末端需額外的保冷要求
防結露	和常規空調系統一樣	需對末端風口、水管閥門和所有風管采取防結露措施	需對末端風口、水管閥門和所有風管采取防結露措施
室溫設定	可把室溫從23.8℃調高到24.4℃	可把室溫從23.8℃調高到25.2℃	可把室溫從23.8℃調高到26℃
建筑空間	節省不顯著	節省顯著	節省非常顯著

Tab2  Comparison of Fan Power Consumption（kW）

	末端形式	12.7℃送風			7.2℃送風
		空調送風機	混合箱風機	風機總能耗	空調送風機	混合箱風機	風機總能耗
A 建 筑	串聯混合箱				7794	7000	14794
	并聯混合箱				7794	2140	9934
	直接送風	11720	0	11720	8417	0	8417
B 建 筑	串聯混合箱				3569	8940	12509
	并聯混合箱				3926	1816	5742
	直接送風	5889	0	5889	4240	0	4240

 

    此項研究表明連續運轉的串聯式混合箱占低溫送風系統風機能耗的主要部分，這主要是由于混合箱風機的效率不高且大部分時間在部分負荷下運轉，根據國外四個此類混合箱生產廠家的產品數據，一般風機效率為30%，電機效率為50%，則混合箱的風機總效率只有15%，這是串聯式混合箱高能耗的主要原因。由上表可以看出連續運轉的串聯混合箱風機能耗的增加量總是大于由于送風溫度的降低而引起的空調機組風機能耗的減少量，混合箱送風方式可以保證室內始終有較好的氣流分布和舒適度，所以應有較為普遍，然而，如果節能是我們的目的，那么就應該尋找可以替換這種方式的其它方式，直接送風方式應是首選^〔6〕。

 

    2.3 全年運行的經濟性

    全年運行的經濟性與省能器循環有很大關系，所謂省能器循環是當室外空氣的焓值低于回風時，用室外風替代回風送至冷卻盤管，這將使機械制冷的用能要求降低。具有與回風相同焓值的室外溫度稱為“轉換溫度”。由于低溫送風系統的回風具有較低的濕度，所以焓值較低，即對應的室外轉換溫度就低，當室外空氣的干球溫度在7.2℃和15.5℃之間變化時，常規空調完全可由室外空氣來滿足整個負荷需要，而低溫送風系統還必須利用機械制冷來達到其送風溫度設定點，這就使低溫送風系統全年運行費有所增加。

    

    室外氣候條件是影響省能器循環的主要因素，DL.Catanese針對美國不同的氣候條件，選擇了七個城市，使用一個建筑物單位小時耗能分析程序比較了使用常規空調系統和低溫送風系統全年運行費，得到的結論是：由于全年省能器循環日數的減少而導致的冷風分布系統全年能耗的增加是對不同氣候條件其增幅是不同的，對于干燥地區這個增幅是最大的，而對這種地區，由于全年風機在全負荷下運行的時間也最長，所以用低溫送風系統節省的風機能耗可以抵消這部分能耗的增加。

 

    低溫送風技術在美國已相當成熟，多數研究成果也主要來自美國的研究機構，比如文獻〔1〕是至今公認的最權威的一部介紹低溫送風空調的設計指南。除了學術研究，美國的低溫送風空調在工程實際中的應用也較為廣泛且靈活。英國由于電力部門在電價結構上優惠力度不大，使蓄冰技術在其國內的推廣受到限制，所以低溫送風在英國并末引起足夠的關注。在日本，通過經濟性分析已經肯定了低溫送風系統可以節省運行費用，但公開的研究報告很少。我國在引進消化國外低溫送風技術的同時，也進行了相關課題的研究和工程實踐，其中湖南大學的殷平教授在此領域已取得了有說服力的研究成果。

 

    雖然對低溫送風的研究成果已相當豐富，但作為一項空調新技術，尚有許多方面值得繼續深入研究。

    1.低溫送風空調的經濟性分析僅限于簡化分析法，這使得理論分析結果和實際出入較大，提出一個即簡單又準確的分析方法是值得深入研究的。

    2.低溫送風空調的全年運行費的節省由于省能器循環日數的減少而大打折扣，為更好地評價低溫送風系統全年運行的經濟性，省能器循環和室外氣象參數之間的關系還需量化和明確。具體的作法是：根據所收集的多年全國各地的氣象數據，歸納總結出室外焓值全年的變化規律，并期望得到全國各氣候分區室外焓值的分布頻率，再由設定好的省能器循環的轉換焓值及相應的控制策略，得到全國哪些地區適合采用低溫送風系統；哪些地方不適用。以指導低溫送風系統在我國的正確推廣。

 

    低溫送風空調在經濟性評價方面的研究已取得了豐富的研究成果，為了更好地推廣低溫送風空調并拓展其應用領域，在系統的經濟性分析方法和有關省能器循環對全年運行的經濟性影響兩個方面還應繼續深入研究。

 

1.Dorgan.C.E， Elleson.J.S．Cold air distribution〔J〕． ASHRAE Trans, 1988, 27(3):2008~2024

2.Berglund. L.g．Comfort benefits for summer air conditioning with ice storage〔J〕． ASHRAE Trans,1991, 15(2)：843~846

3.Catanses.D.L． An energy analysis of low-temperature air distribution systems and reduced economizer-cycle cooling〔J〕． ASHRAE Trans, 1991, 15(13) ：848~853

4.Elleson J.S． High-quality air conditioning with cold air distribution〔J〕．ASHRAE Trans, 1991,15（1）：839~842

5.Landry C.M.，Noble.C.D．Case study of cost-effective low-temperature air distribution ice thermal storage〔J〕．ASHRAE Trans, 1991,15(4)：854~859

6.Knebel D.E，D.A.John．Cold air distribution,application,and field evaluation of a nozzle-type diffuser〔J〕．ASHRAE Trans, 1993,17(2)：1337~1348

7.Elleson J.S．Energy use of fan-powered mixing boxes with cold air distribution〔J〕． ASHRAE Trans, 1993,17(3)：1349~1358

8.ASHRAE,1999,ASHRAE Handbook-Fundamentals, Atlanta: ASHRAE.Inc

9.汪訓昌譯，低溫送風系統設計指南〔Ｍ〕，北京：建筑工業出版社，1998

10.殷平，空調大溫差研究（1）：經濟分析方法，暖通空調〔J〕．2000，Vol30（4）：62~66

11.殷平，空調大溫差研究（2）：空調大溫差送風系統設計方法〔J〕，暖通空調，2000，Vol30（5）：63~66

12.殷平，空調大溫差研究（3）：空調送風大溫差經濟分析〔J〕．暖通空調，2000，Vol30（6）：75~76