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温湿度独立控制的工位空调(1) [2007-4-25]来源:暖通基地
      

     摘要  温湿独立控制的工位空调是对传统集中空调的一次革新。本文介绍了工位空调产生的背景,指出了其优于混合式空调和置换式空调的特点。通过分析一次回风冷凝除湿的焓湿图,从负荷变化的动态角度和人体舒适感与送风参数的关系两个角度论述了温湿独立控制的必要性。介绍了工位空调与温湿独立控制结合后的主要形式,以及与之相适应的热、湿独立处理的方法和优缺点。提出了温湿独立控制的工位空调目前存在的问题及需要继续研究的方向。

     关键词  工位空调  温湿独立控制 

      1  工位空调产生的背景

      传统的舒适性空调系统为了满足室内大多数人的需要,力图营造一种大而化之的室内空气环境,将新风与一部分室内回风混合起来集中处理送入室内,努力使送风与室内空气完全混合。但是随着由空调导致的健康问题、生产效率降低的投诉越来越多,空调系统耗能量居高不下,人们发现这种传统的混合式空调存在着不小的缺陷,诸如空气品质的改善能力弱,不能满足所有人的喜好,热湿处理过程能耗大。置换式空调的出现改变了混合式空调改善空气品质能力弱的状况,具有较高的通风效率。但是如果设计不合理,产生的垂直温度梯度将引起人体局部不舒适感。

       在这种情况下,工位空调应运而生。所谓工位空调(Task Air-Conditioning),是在以工作台为个人工作单元的开放式办公空间内,把空调系统细分到每个工作位上,工作人员可以控制送风量、送风方向以及送风温度等参数,来调节工作区域内的温度、湿度和污染物浓度,在保证局部微环境舒适的同时,能够有效利用能源的空调系统。与上述空调存在的问题相比,工位空调具有明显的优势:

       1)  空气品质、可感知的空气品质优异。工位空调将清洁、低焓值的空气直接送入室内人员的呼吸区,空气未经室内污染物的污染,空气品质优异。低焓值的空气冷却能力强,呼吸道特别是鼻粘膜的对流和蒸发冷却作用显著[1],使人感觉空气新鲜通透,可感知的空气品质较高。

      2)  个体满意度提高。室内人员对个人工作位的送风速度、角度可以自行调节,对局部环境的温度可以自主控制,因此使每个人都对室内空气环境感到满意成为可能。从心理学上讲,当一个人感到他可以对周围环境参数有着某种程度的控制,可以按照自己的意愿去调整的时候,他会更容易对此环境感到满意和舒适[10]

      3)  具备温湿独立控制的先天优势。工位空调可以由背景空调-工作位送风-个人热控系统三部分组成,如果采用温湿独立控制,可以对各部分进行分工:工作位送新风,承担室内潜热负荷;背景空调采用辐射或对流的形式承担室内显热负荷。显热和潜热负荷分离,自然使温度和湿度的处理解耦。个人热控系统调节个人局部环境的温度,这一部分负荷是否要考虑,仍有待进一步研究。

      4)  节能。由于工作区送风以及个人热控系统可以显著改善工作区微环境,室内背景温度可以适当提高,室内负荷大大下降。有研究表明,如果人体上半部分的风速控制到1m/s或者更高,则有可能将背景温度提高到31℃或29℃[16]。当室内温度设定值从24℃提高到30℃时,总的冷负荷最大能够降低35%-50%[17]。而且采用热湿独立控制后,与传统的冷凝除湿相比,也可以节省不必要的能耗,提高能源利用品位。

      2  温湿独立控制的必要性

      假设夏季室内设计干球温度24℃,相对湿度60%,露点温度15.7℃。利用表冷器冷凝除湿,考虑冷冻水传热温差5℃和输送过程温差5℃,则所需冷冻水温度为5.7℃。如果只是消除显热负荷,在空调排热温度24℃的情况下,采用14℃的高温冷水就可以了。一次回风的热湿处理过程的焓湿图如图1所示,将潜热负荷和显热负荷在图中分别标示出来,可见显热负荷占了冷负荷的50%以上。这一部分负荷不得不用5.7℃的冷冻水冷却降温,如果送风温差要求较小,还需要额外的再热,能量利用品位低下,甚至存在不必要的消耗。

      从负荷变化的动态角度来看。潜热负荷的主要来源是室外新风和室内人员。新风的潜热负荷随室外气候变化较大,室内人员引起的潜热负荷与室内人数有关。显热负荷则随室外气候、室内设备的状况的变化而变化。而由图1可见,对于冷凝除湿,潜热负荷和显热负荷只能按照一定比例变化。两者之间的变化关系实际上不耦合,如果处理过程耦合显然是不合理的。如果按照基本不变的潜热显热之比处理,当动态的热湿负荷之比与这个比例不符的时候,一般是优先消除显热负荷,于是导致室内相对湿度与设计值相比或大或小。相对湿度过大,人体容易感觉不舒适;相对湿度过小,处理新风的能耗增大,造成不必要的能源消耗。

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