低温送风空调系统设计的若干问题探讨

0 引言

冰蓄冷空调技术出现的背景是城市空调普及而出现的电力峰谷差增大的矛盾日趋明显化，该技术无疑对平衡电力供需，为削峰添谷做出了贡献。但从制冷系统本身看，处于低温工况的运行则是以牺牲制冷机组的效率为代价的。

为此，需要在空调末端的空气处理过程中，尽可能的有效利用低温冷冻水来提高整个系统的效率，弥补制冷机组的低效率，从而使整个系统更趋合理高效，使得冰蓄 冷空调系统的优势得以发挥。这就是在应用冰蓄冷空调中的一个重要理念：冰蓄冷+低温送风空调=合理·节能·高效·舒适空调。同时，低温送风又是必然的与大 温差空调联系在一起的。

空调大国的美国在80年代开始关注冰蓄冷技术，并出现了低温送风系统。90年代末编写了关于低温送风系统的设计指南（Cold Air Distribution System Design Guide）文献1。日本则是在90年代开始投入对冰蓄冷技术的实用研究，而对低温送风系统的研究出现得较晚，2004年才由日本空调卫生学会组织编写出 版了《低温送风空调系统的规划与设计》文献2，至此，美，日两大空调技术大国对冰蓄冷空调系统可谓是从理论研究到实际应用技术作了总括，也为我国的冰蓄冷 空调技术的应用普及提供了参考。

本文纵观和比较美，日两国的低温送风空调技术的发展和应用特点，结合我国的应用状况，对几个在设计中较受关注的问题作进一步探讨，以进一步明确其设计要点和应用条件，为我国空调技术人员提供具体参考。

1 低温送风空调的定义

对于低温送风空调，美国和日本有不同的定义。

如表1。美国的低温送风应用历史较早，如4℃的低温送风应用在湿度控制中，以及9℃的送风用于小型商业建筑的诱引送风等。2~4℃的低温送风被用于医院的 一次风诱引送风系统。低温送风在美国的发展历史与冰蓄冷的应用并没有直接联系。当然，后来的冰蓄冷的出现使人们重新认识了低温送风的优势，使之得以进一步 的系统化，得到了完善和发展。现在美国的低温送风主要指低于10℃的送风温度。

而在日本，通常的送风温度为15~16 ℃，比此温度低的送风称为低温送风，实际上应用的事例多为10 ~13 ℃，故将13℃定义常规送风和低温送风的分界线。

我国已有一批建筑采用了低温送风方式，大都出自境外设计事务所的设计，欧美、日本方式参半。

表1 美国、日本的低温送风空调的定义及我国的现状

美国的送风温度，不论是传统送风还是低温送风方式，其送风温度明显较日本低。这与各自的设计规范有关，其中重要的一点是关于室内相对湿度的设计规范。美国 的设计规范可以允许室内相对湿度低于40%。而日本的设计参数须符合《建筑设备管理法》的规定要求，其中关于舒适性空调的室内相对湿度，要求不得低于 40%（我国的设计规范基本与此相同），也就基本上决定例了空调送风温度需维持在10℃以上，从实际工程条件及经济性等平衡的结果，日本一般选取 10~13℃范围。在日本国内，也存在着对相对湿度须低于40%的质疑。应该说，这个限制主要是出于对冬季室内的防静电的考虑，而低温送风多以夏季工况而 论（不排除内区常年供冷风的情况），尚待进一步探讨。

2 低温送风空调的节能性评价

低温送风空调的主要意义在于节省空调系统中的输送能耗，即风机及水泵动力能耗。在冰蓄冷系统中，它将弥补制冷主机的低效率带来的能耗损失，提高整个系统的节能性。除蓄冷系统外也可在非蓄冷系统中应用。

近年的商业建筑中的空调系统，其空调系统的输送（风机，水泵）能耗大幅度上升。据日本对办公楼的能耗统计，建筑能耗的一半为空调设备能耗，而空调设备能耗 中输送动力能耗占据约50%。如图1。空调制冷能耗，特别是输送能耗已成为节能对策的重点。

在分析风机动力节能效果时要根据具体设计条件。实际工程中大多为以下两种情形，在此，笔者按不同情况给出其节能评价结果。

◇新设计风管的情形（以按等单位摩擦阻力系数法设计风管为例）：

如图2所示，送风温度的降低（ts=16 ℃→10℃）及送回风温差的加大（⊿t=10℃→16℃）使风量消减40%，如果风管设计按低温大温差的风量并用等摩擦损失法设计时，可近似认为系统压损 与常规送风系统相同，则风机动力能耗与风量成比率，比常规系统可降低40%。

送风量与送风温差的关系：

(1)

式中：Ga:送风质量流量[kg/s]

⊿t:送风温差[℃]

Cp: 空气定压比热 [kJ/(kg·K)]

Q:室内显热负荷 [kW]

风机功率与风量、风机全压（系统压损）的关系：

[kW] (2）

式中Pa:风机全压[Pa]

ηT: 风机效率[-]

可得低温送风采用前后（脚注a,b）

的风机功率与风量的关系：

（3）

注：这里仅列举了一种风管设计方法的结果，采用

其他风管设计方法时可根据具体压损及风量对比

关系类推。

◇改修工程（风管按原尺寸）的情形：

如果是改修工程，利用原风管时（尺寸不变），

采用低温大温差送风可减少风量而带来风机输送动力的减少及管道阻力减少的双重效果。

如式（4）所示。

（4）

这时可以利用风机变频控制调整（减少）系统风量，其节能效果评价可根据此时风机的流量/转速/功率特性而定。

（5）

（6）

（7）

式中： N: 风机转速 [rpm] 脚注0,1分别表示变化前后工况。

由此可知，当风机改变转速来改变风量时，风机动力的减少与风量比的三次方成正比。需要指出的是，以上的分析仅是假设在风机定理成立的基础上，严格的说还需根据具体运行工况而论。

空调能耗中输送动力能耗占约50%以上，因此风机，水泵的节能潜力很大。考察风机水泵的机器效率时可知，输送空气的风机与输送水的水泵其本身的效率存在差 异。一般来说风机效率较水泵效率低，且空气与水的比热相比约为4：1（4.2 kJ/(kg·K) : 1.0 kJ/(kg·K)），在一般的空调系统中输送同样的冷热量的风机的动力能耗可接近水泵动力能耗的10倍左右。可见风机动力的消减对节能效果的影响之大 （换言之空气的输送效率之低）。所以应优先考虑空气输送动力的削减问题。二是从运行方面着眼，利用低温大温差减少输送流量来减少输送动力能耗效果明显。再 进一步则是考虑部分负荷特性，根据实际需要输送必要的里流量而实现节能目的。图3给出了在日本的空调负荷的部分负荷特征。

&nbs p; 据日本研究资料文献2表明：按最大负荷进行设备选型的空调系统，其空调负荷率多分布在30-60%之间。采暖负荷率在10-40%左右。而且在全年中，部 分负荷下运行的时间相对更长。所以低温送风空调系统与变风量系统并用可发挥更大节能效果。但是，需要注意的是，当系统最小新风量值较大时，出现效果不明显 的可能性。因此需对此时的变风量系统再作考量。

从前面的论述得知，输送动力的节能中空气输送动力削减的效果最大，故应优先考虑风机节能。

VAV方式的并用效果显著。如图4所示。

图5给出了一个在日本的工程实例的节能效果对比结果。该建筑采用10℃低温送风+VAV系统后的输送动力能耗比传统空调系统节省40%，节能效果显著。

三 关于低温送风系统中空调设备的效率评价

低温送风系统多冰蓄冷系统结合应用，制冰工况下的冷水机组效率较低，但应从包括末端设备系统的整个空调系统来评价系统的效率。图6给出了图5所示的事例 （采用冰蓄冷系统）中对空调设备系统的综合COP（包括冷热源，末端设备）的对比评价（冰蓄冷传统空调系统）。

从上述得知：在冰蓄冷系统中，采用低温大温差送风方案（D）与传统送风系统（B）相比综合COP有显著提高（输送动力削减效果）。与水蓄冷系统中的传统送 风（C）相比，输送动力的节能效果弥补了冷热源机器的效率下降，综合效果相当。表明了低温送风系统对冰蓄冷系统的优势互补作用。

4 低温送风系统的综合经济性评价

采用低温送风空调系统的主要节能效果是输送动力（包括空气侧和水侧）能耗的节省（运行费用的节省），此外，由于风量的削减使系统设备的体积空间减小，导致 二次侧初投资费用的节省。从而实现整体的节能节资。对于低温送风系统的经济性评价，一般习惯于将其分为初投资与运行费用来考察，且国内用户对运行费用的节 省的认识不足，往往只关心初投资的高低。不能正确评价和认识系统的经济性会成为阻碍该技术推广。

表2 低温送风空调系统的经济性评价分析

一般来说，低温送风空调系统在初投资及运行费用上均较常规空调系统具有优势，在这 样的情形下对是否采用低温送风系统的判断是容易的。

而当出现系统的初投资高，运行投资省的情形时，需要详细地经济分析。一般有下述几种方法：

1) 简单偿还年限法：以运行费用的节省对初投资增加的偿还年限分析其可行性。优点是简洁明了，缺点是未考虑投资成本货币的时间价值。

2) 现代经济分析法（考虑货币的时间价值）：如寿命周期费用法，现金流动分析法。

这些方法的实质是考虑货币的时间价值并统一比较指标。简单的说是将初投资折算为设备寿命周期运行维护管理费用或是将运行费用折算成货币投资现值进行方案比较。

图8 图示了根据后者的分析试算结果。图中的寿命周期费用包括系统设备的维修费用，但不包括房屋租赁费的折旧。

五 结语

关于低温送风空调系统技术，虽然国内有过一些文献介绍，但在具体设计方法等方面尚存在不够系统全面及一些概念不清的情况。具体的设计及评价数据的总结尚显 不足，难以提供更有深度的参考。3年前日本相关的节能机构及学会组织了大学，设计院，空调设备供应商联合编写了基于实际工程应用及大量的数据追踪测试基础 上的《低温送风空调系统规划与设计》，并于2004年2月由日本空调卫生工学会出版发行。该书提供了极为丰富的实际应用数据和经验，对相关设计技术作了详 尽的介绍，具有较高的工程参考价值，限于篇幅，将另外撰文介绍。

参考文献

1 A.T Kirkpatrick, J.S Elleson: 《Cold Air Distribution System Design Guide》，ASHRAE Inc.1996.

2 日本空气调和·卫生工学会：《低温送風空調システムの計画と設計》（主编：射本场忠彦）,2004.2,ISBN4-87418-035-3-c3052

3 新晃工业株式会社：低温大温差对应空调机组技术资料。