一 建筑空调形式
城市范围建筑空调的工程应用,存在不同的空调形式。这些空调形式由冷热源方式、输配方式、冷热源与未端设备布置的集散度、自控方式等方面呈现不同的特点。对于可持续发展要求的能源、环境、资源效应,不同的建筑空调形式存在差异。建筑空调形式对城市形态存在适应性,并在城市化过程里,对可持续城市建设有相当影响。因此对建筑空调形式进行全面划分,具有重要意义,可以成为以开发应用节能环保建筑空调形式的技术理论基础。
二 建筑空调形式的划分
1. 建筑附加独立空调设备系统的建筑空调形式
1.1 按冷热源方式划分分为工质循环式及自然式两大类。
工质循环式为由工质循环的相变潜热产生空调用冷热源。空调设备的用户端为在蒸发器,冷凝器两器用冷及用热。即在蒸发器用冷,冷凝器用热或同时在蒸发器用冷及在冷凝器用热。工质循环式是*传统以至现在都*常用的建筑空调形式。主要是①压缩式建筑空调形式②吸收式空调系统形式③吸附式建筑空调形式。(2)自然式以各种被动方式,例如利用太阳能、地热能、空气流动热能、材料技术、建筑围护结构组织及特性得冷与得热等等,以产生空调冷热效应加以应用的建筑空调形式。与传统的工质循环式的主动式建筑形式相对,是节能环保的被动式空调形式,建筑空调形式的重点方向。
1.2 以输配方式划分的建筑空调形式主要由冷媒及未端设备等方面划分建筑空调形式。
(1)输配方式按载冷冷媒划分①全空气系统由空气配送冷热量②全水系统由水配送冷热量。③空气-水组合系统空气及水同时配送冷热量。
(2)按空气载热输配划分①按空调设备系统处理的新风比例划分a.全新风直流式b.无新风室内空气循环式即空调设备系统一引入室外新鲜空气处理,仅以室内空气循环处理,用户建筑空间无新风补充。c.新风室内回风混合式即空调设备系统同时处理补充的室外新风及室内回风,向用户建筑空间供空调空气。(a)新风室内风混合的一次回风可节省新风过大能耗。(b)新风、室内风混合的二次回风可节省保证必需送风温差的夏季再热造成的虚耗能耗。(a)、(b)两类混合建筑空调形式,又可分为定新风比与变新风比两种形式。新风比的适当确定可在满足空调卫生及空调参数要求的同时节省能耗。②按空调参数调控方式划分调控空调风量可调控其温度、湿度、空气品质等空调系数。a.空气载热定风量型输配的风量及能耗恒定不变。b.空气载热变风量型风口风量可动态调节,动态满足负荷要求,实现降低能耗。(3)按水载热输配方式划分以水系统水压特性、冷热水管道布置、流程长度、参数调控等划分①按水系统水压特性划分a.水载热的开式水系统载热水供热供冷后,依重力作用流入回水池,管道与回水池均大气相通。b.水载热的闭式水系统水封闭在回路内循环,管道与大气无联通。②按冷热水共用管道设置划分a.两管制冷热水同一供回水两管,不能同时供热及供冷。b.三管制冷热水共用一根回水管。可部分达到供热供冷,存在回水温度及水量的控制等问题。c.四管制供热供冷独立采用供回水管道。各工况无干扰,*节能,复杂投资大。③按供回水循环流程长度a.同程系统任一水回路流过长度相同,有利水力平衡及减少系统初调试量。b.异程系统分支水回路流过长度相同,可节省空间及节约投资,阻力平衡条件差。④按参数调控方式划分a.定水量系统各未端及总水量为定值,不调控未端水量,会过冷或过热。系统简单节省,适用标准低。b.变水量系统负荷侧可调控水量动态适应负荷变化,可节能降耗。(a)一次泵变水量系统设置连接供回水管旁通管同时达到冷水机组要求水量的恒定及未端变水量以动态适应负荷。(b)二次泵变水量系统旁通回流平衡管分水泵为初级次级两级泵并串联运行,可节能及稳定运行。(4)输配方式按未端形式划分如采用风机盘管或干式辐射板等未端配热,及局部节能配送等形式。
1.3 以冷热源与未端配热的设备集散度、规模及布置划分
(1)集中式冷热源设备及未端换热设备集中在一个机房区域内。调节空气由机房集中配送。适用大中型城市建筑。(2)半集中式冷热源设备集中在空调设备机房内,但未端换热设备,如风机盘管等布置在用户空间。适用大中型城市建筑。(3)局部机组式或分体式冷热源前端设备即蒸发器与冷凝器分别布置室内外,适用于中小型建筑。①穿墙式局部机组②有风管分体式③无风管分体式室内布置微型空气处理设备,并以制冷剂铜管连接室外的冷凝器与压缩机,室内无风管。
1.4按冷热功能及装置效能划分
(1)单冷式或单热型单冷式或单热式功能单一,用户换热器无功能切换,固定为蒸发器供冷,或固定为冷凝器供热。(2)冷暖功能热泵式用户换热器有功能切换,可切换为蒸发器供冷及冷凝器供热,或可同时供冷供热。以蒸发器内吸热热源来源,可分为空气源、地源、水环、余热源、太阳能等形式。①空气源由空气吸热。②地源热泵吸热来源为土壤、地下水、地表水等。a.地下水地源热泵b.地表水地源热泵c.土壤源热泵③水环热泵水环热泵的驱动热源来自整体系统的对废弃排热量。设置同时运行的制冷方式机组与制热热泵方式机组。
两类机组的用户端换热器各自向用户供冷供热,但热源端换热器以水环路相连。两套机组设备可同时切换为相反功能,供冷变供热,供热变供冷。两类机组同时运行时,制冷方式机组的冷凝器的排热,经水环路的对排热的吸收由升温的环路水传递给制热方式机组的蒸发器吸热,提高了制热方式机组能效,减少压缩功改善循环。水环路的对排热的吸收同时减少了制冷方式机组的冷凝器冷却能耗。④余热源由余热吸热驱动⑤太阳能由太阳能集热热量驱动⑥多热源复合型热泵①~⑤等可组成多热源藕合系统形式,以提高能效。
1.5 按城市电网高效利用方式划分以高效运行电网及提高经济性划分。
(1)蓄冷供冷由用电提高空调运行经济性a.由蓄冷量大小划分(a)全负荷蓄冷电网高峰时间,制冷机停止运行,以蓄冷装置供全部冷量。费用低,装置容量大,适用非全部时间供冷。(b)部分负荷蓄电力低谷蓄冷,高峰时间制冷机与蓄冷装置同时供冷。
(2)以蓄冷介质划分(a)水蓄冷系统以水为蓄冷介质。与冰蓄冷相比,蓄冷能力有限。(b)冰蓄冷系统以冰为蓄冷介质。适用机房面积限制的建筑。
1.6 以自动控制及计算机信息技术的应用方式划分按控制系统的集中程度、功能范围、系统大小划分。
(1)单独建筑空调系统自控形式①直接数字控制(DDC)控制算法预先编制,有参数巡检、数据显示、在线修改参数,打印制表,超限报警、故障诊断等功能。可实现,前馈控制*优控制,模糊控制。②监督控制(SCC)。SCC可作DDC的系统上一级,具有监督功能。可控制系统过程以*优整体过程,进行工况环节组织优化,实现顺序控制,*优控制、自适应控制等。③分布式控制系统(DCS)基于大系统理论。可实现信息共享,并集成不同的组成空调系统,或其它如照明等子系统的信息、处理、控制。如智能大厦IBS技术。(2)建筑群或城市建筑群的群控形式可在城市大范围内实行大系统控制,是计算机网络技术、通信技术、自控技术及制冷空调技术的综合应用。可实现建筑群的空调系统的协调优化控制,技术功能强大,可达到节能、环保、资源的整体优化效应。
2. 围护结构与附加独立空调设备系统复合为建筑空调系统的建筑空调形式依围护结构参与建筑空调复合空调设备系统的程度不同,城市建筑空调可分为三种典型形式。
2.1 技术附加型建筑空调形式由附加独立空调设备系统完全实现空调功能。建筑围护结构或许参与空调设备系统运行环境的优化,但不直接参与空调效应的形成,是*传统的建筑空调形式。
2.2 技术结合型建筑空调形式由附加独立空调设备系统及建筑围护结构同时完成建筑空调空调效应的形成。建筑空调系统由附加独立空调设备系统及建筑围护结构复合组成。建筑围护结构不仅优化附加独立空调设备系统的运行环境,并同时直接以围护结构空调器等形式直接参与建筑空调的空调效应形成。其开发应用,越来越受到重视。
2.3 建筑本身型建筑空调形式无任何独立附加机械式空调设备系统,完全由建筑围护结构形成建筑空间需要的空调效应。建筑空间的需要环境完全由围护结构的材料、形式及功能构建等调控形成。就控制作用而言,建筑环境的调控完全由建筑本身完成,是一种被动的、完全自然方式的调控方式,是如零能耗,超低能耗建筑、绿色建筑等可持续建筑的重要技术措施。
三 可持续建筑空调形式的方向分析
可持续建筑空调形式具有环境、资源、能源的可持续效应。在前述详细划分基础上,可分析得到其开发应用方向。建筑围护结构不但可以其热特性提高附加独立空调系统的能效及环境、资源效应,还可直接参与空调效应的形成,实现建筑空间的温度、湿度、空气品质、空气流动组织调控等空调功能。围护结构参与建筑复合空调设备系统程度的增强,即意味着建筑空调能源、环境、资源的优化效应的增强。所有的建筑空调形式当中,建筑本身型是*具能源、环境、资源效应的空调形式。由于围护结构参与空调效应的形成是以全自然被动方式进行,即利用建筑物材料特性、形式与功能构建、大量应用太阳能、地热能、空气流动热能等可再生能源等方式进行,因此是*具节能环保、资源节约效应的建筑空调形式。建筑本身型可真正实现空调效应形成的零能耗,高效合理应用作为城市资源的太阳能、地热能、空气流动热能等清洁可再生能源,保护环境、优化环境生态以及节约资源,是建筑空调形式的理想目标。
建筑本身型空调形式的技术特点使得建筑本身型的自身建筑形态具有很多独特的特点,国内外已有一些实验或示范工程,但一般仅在开发探索及实验阶段。当前的建筑空调形式,多采用技术结合型建筑空调形式,有主动式机电系统的能耗。增强建筑空调的被动方式,尽量利用建筑围护结构的降低负荷及功能形成作用,可以实现建筑空调形式的优化应用。在当前的具体工程应用里,可根据上述详细划分的效应差异与具体工程条件,确定并开发应用较优资源、能源、环境效应的建筑空调形式。技术结合型建筑空调形式与建筑附加独立空调设备系统的建筑空调形式可有形式复合,对其主动式机电系统的空调形式加以形式区分选择,具有重要的现实工程意义。
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