高大空间室内热环境及节能潜力分析

高大空间室内热环境及节能潜力分析

0大空间室内排热的研究随着大规模公共建筑（铁路站、机场站等）的建设，大型建筑的设计和节能措施越来越受到重视。如何针对高大空间室内热环境的特点,设计节能高效的空调排热系统,更有效地营造室内热湿环境成为高大空间空调节能研究的新任务。Nishioka等人对高大空间室内局部的送风方式,如座椅送风对减少热量掺混的影响进行了研究;Chow等人通过对室内气流组织的模拟,建立了高大空间室内通风的评价方法;吴锐等人针对高大空间室内空气温度分层的特点,分析比较了下送风和上送风气流组织方式对节能的影响;黄晨等人对高大空间进行了大量的实测研究并分析了上部排风的节能潜力;Nakahara研究了室内热量的混合损失及对能耗的影响。这些学者针对高大空间的研究都利用了高大空间中热源的不均匀特性,通过对不同热源进行独立排热以减少热量在空间中的混合损失。现有的高大空间室内排热研究多是针对排热过程中能耗的分析,通过数值模拟方法或实验手段得到相应的结果。本文将通过对室内不均匀分布热源的特性进行分析,比较不同末端方式的排热损失,并以此分析不同排热过程性能的差异,进而优化室内不均匀温度场的排热过程,为高大空间室内排热末端的设计提供一定的参考。1大空间热源温度分布特点高大空间建筑的高度高、跨度大,建筑的夏季冷负荷比较大,热源在空间上的分布具有不均匀性,其室内热环境主要包含以下几个特点:1)大多数新建高大空间都开始注重降低建筑能耗,大量采用自然采光、自然通风、建筑遮阳等节能措施(高大空间窗墙面积比、天窗面积比如图1所示),当围护结构采用较多透明材料时,室内自然采光增加,受太阳辐射的影响,围护结构温度较高,室内表面太阳辐射得热量也较多;2)根据使用情况,建筑内有许多高温热源,如灯具、大屏幕显示器等,在空间上一般分布在人员活动区及人员活动区上方;3)根据建筑使用功能的不同,室内人员发热量波动较大,例如铁路客站、机场等建筑,人员发热量占很大比例;4)高温高湿的空气受烟囱效应的影响聚集在空间上方,形成空气温度分层。以上这些特点和因素决定了高大空间在竖直方向由下至上形成较为明显的温度上升趋势。根据大量调研结果得到的大空间室内热源温度在空间上的分布如图2所示。从温度水平分布来看,50℃左右的热源为照明灯管;40℃左右的热源包括透明屋顶内表面、照明灯罩表面、平板电视等;30℃左右的热源包括非透明屋顶内表面、透明侧墙内表面、高层空气、广告箱、电子指示牌、人体服装表面等;26℃左右的热源为人员活动区的空气。从空间位置来看,位于空间上部的围护结构内表面和空气的温度在30～40℃之间;位于空间中部的热源既包含40℃的高温热源(平板电视、照明灯具等),又包含30℃的热源(广告箱、电子指示牌等);位于人员活动区(26℃)的热源主要为温度30℃左右的人员。可以看到,中层和上层的热源温度与人员活动区温度相差较大,应充分利用热源在空间上的不均匀分布特性,合理设计末端排热方法,减少不同温度水平热源之间热量的掺混,提高系统整体的排热效率。2大空间喷口射流阵风方式及输配能耗分析根据调研结果(见表1),高大空间空调末端多采用喷口射流送风,喷口形式一般为鼓形喷口,送风风速为3.0～7.5m/s,送风口高度一般为3～5m。现有大空间室内空调末端的喷口射流送风方式,送风风速大,高度高,破坏高大空间温度分层,造成了较大的混合损失。根据文献实测数据发现,高大空间喷口射流送风方式有很高的输配能耗。由多个实测案例能耗数据可以看出,末端风机的输配能耗所占比例很大,可占空调系统总能耗的1/3以上。由此可见,喷口射流送风的末端排热方式并不适合高大空间的热环境特点。如何减少高大空间内热源排热环节的各项损失,降低末端输配能耗是设计节能高效的高大空间空调排热末端方式的要点。3大空间热源排热方式的定性分析本章将针对热源的不均匀特性来分析高大空间的排热方法,并通过显热排热过程损失的视角对高大空间内不同类型热源的排热方式进行定量比较和定性分析,以期得到高大空间的优化排热方式。高大空间的热源可分为三种类型:上层空间的热源,太阳辐射得热及中层高温热源,人员散热。不同类型热源的排热损失及如何提高热源的排热效率分析如下。3.1热源回收和采用分布式风力调湿低热损失上层空间的热源温度水平比较高,并且距离人员活动区较远。采用集中排热方式进行排热时将产生较大的混合损失,对这类热源排热时应尽可能减少热量向其他空间的混合损失,并根据温度水平的不同采用独立的排热末端。本文以某高大空间为例,定量地计算上层空间的热源在集中排热末端方式下各排热环节产生的损失,并与根据热源温度水平的不同采用独立排热末端方式进行对比。以集中排热末端和独立排热末端分别采用喷口射流送风和分布式送风为例进行分析比较。该高大空间夏季受太阳辐射影响较大,屋顶围护结构温度较高,室内热源仅为人员,热源参数及送风参数见表2。在该高大空间中热源总投入的是由围护结构热源、人员热源两部分产生,在热量传递过程中存在多个换热环节,会使得这部分投入的逐步损失,如表3所示。由于两种末端方式略有不同,围注:ΔJ1为热源与空气之间换热产生的损失;ΔJ2为空气层之间掺混产生的损失;ΔJ3为空气层与排热末端之间换热产生的损失。护结构内表面的温度也有些差异,采用分布式末端方式时建筑上层空间有专门的排热,因此壁面温度也略低,导致排热系统热源总投入略低于喷口射流送风方式。热源与周围空气之间换热产生的损失ΔJ1由高温热源与周围空气之间的换热温差产生,提高围护结构内表面的换热系数可以减少这部分损失。分布式送风末端条件下,屋顶内表面与周围空气之间的温差略小于喷口射流方式,因此ΔJ1也略小。在喷口射流方式下,各空气层中的热量要混合起来由喷口送风统一进行处理,而分布式送风将上层空间的热量单独排走,减少了向下层空气层之间掺混的排热环节,损失ΔJ2比喷口射流送风小很多,如图3所示。空气层与排热末端之间换热的损失ΔJ3是由空气层与排热末端之间的换热温差引起的,加大送风量可以减少这部分损失。分布式送风可根据不同温度水平的热源提高送风温度,因此也减小了空气层与排热末端之间的温差,相应地减小了损失。分布式送风排热过程总的损失为144.2kW·K,而喷口射流送风排热过程总的损失仅为74.3kW·K,如图4所示。综上所述,在分布式送风方式中,当系统总送风量维持不变时,高层热源与底层热源可以分别采用不同送风温度的末端进行排热,即较高温度的热源可以用较高温度的送风进行排热,温度较低的热源就需要较低的送风温度。这种根据热源温度水平分别进行处理的方式减少了排热过程中不同温度水平热量之间的掺混损失,并有效地提高了末端的送风温度;同时避免了热量掺混造成的不必要的损失,系统的损失较小。分布式送风可以有效地减少上层空间热量在排热过程的损失,为此类热源提供了较佳的排热方案。3.2辐射排热方式太阳直射辐射得热量从透明围护结构进入室内各表面,被围护结构吸收,并向室内空间散热。被地板吸收的太阳辐射得热量将直接被冷水带走,减少了向室内空气掺混的环节。太阳辐射得热进入室内的热量受吸收面(围护结构)的温度水平影响,因此其水平也由吸收面的温度水平决定,与中层高温热源具有相同的温度高、面积大的特性。从热源排热所需要的环节角度来看,热源在辐射排热方式下可以不经过空气而与末端表面直接进行辐射换热,而热源的对流排热过程需要三步:热源向空气中的对流换热、热量在空气中的掺混、热量被末端送风带走,如图5所示。采用辐射排热方式将省去对流排热方式产生的排热环节,减少了热量掺混到空气中的过程,换热环节的减少意味着可能减少损失,例如表4中可以减少混合损失ΔJ1和ΔJ2;同时由于辐射排热方式利用热源与辐射板之间的辐射换热方式进行排热,使得所需的制冷剂温度得到提高,也就意味着可以提高机械制冷系统的蒸发温度、改善制冷系统的性能;辐射方式利用水作为冷量输送媒介,与将热量掺混到空气中而利用空气作为热量“搬运”载体的方式相比,辐射方式的输配能耗可以得到有效降低;当太阳辐射得热量直接被地板的冷水带走时,地板供冷量增大,当太阳辐射得热量较小或没有时,地板供冷量减小,这种供冷量的自动调节能力是对流送风末端所不具备的。从上述分析可知,辐射排热末端利用辐射换热方式减少了可能产生损失的换热环节,提高了所需的制冷剂温度,降低了输配能耗,直接带走太阳辐射得热量,可以有效地解决高大空间内太阳辐射得热和高温热源向室内对流换热所产生的损失,为此类热源提供了一种有效的排热方式。3.3基础热源的不均匀特性人员活动区的主要热源为人员,热源温度水平为30℃左右,人员活动区(空气温度26℃或作用温度26℃)受人体热舒适所需温度水平比较低的影响,人员排热产生的损失将无法避免。由于人员的流动性,无法专门针对人体热源进行排热,因此最有效的排热方法是向人员活动区送风的末端方式。根据以上高大空间室内热源的不均匀特性提出的相应室内空调末端的解决方案有如下几方面要求:1)充分利用室内热源不均匀特性进行排热,减少不同温度水平热源之间的混合损失,实现不同温度品位的热源分别处理;2)尽量减少太阳辐射得热及高温热源排热过程中的温差损失,提高制冷系统的蒸发温度,降低制冷机的能耗;3)采用辐射末端等方式尽量降低末端输配系统的能耗。4典型案例分析4.1辐射地板供冷+分散置换通风末端泰国曼谷新国际机场如图6所示,全年室外气候潮湿,太阳辐射量大。机场大空间采用较多自然采光,室内太阳辐射得热量造成很大的室内负荷,如果采用喷口射流送风方式将带来巨大的风机输配能耗。曼谷新国际机场采用了辐射地板供冷+分散置换通风的室内末端方式,辐射地板可直接吸收进入室内的太阳辐射得热,减少了太阳辐射得热向室内空气的掺混;分散式置换送风末端将干燥新风输送到人员活动区域,并补充辐射地板供冷不足所需的冷量,这种分散式送风末端避免了喷口射流送风形式造成的空气掺混,维持了空间上的空气温度分层。这种末端方案使得风系统风量减小,使输送空气的能耗降到最低,同时又可实现灵活调节室内供冷量的效果。4.2湿风通风操作深圳招商地产前庭如图7所示,大空间开口较多,渗风量较大。前庭空间采用辐射地板供冷+置换送风,经过除湿的新风靠近地面送入室内,防止地板结露,并在地板附近形成干燥低温的空气层,有效地维持了空间内空气的温度分层和湿度分层(见图8),使得进入室内的潮湿渗透风不干扰辐射地板表面。在前庭空间上部设置了固定装饰板,用于吸收太阳辐射得热,减少太阳辐射得热向空间内的混合,并通过排风将热量带走,减少室内负荷。5排热末端设计5.1高大空间室内热源分布具有不均匀性,在竖直空间上形成较为明显的温度分层。充分利用热