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文章發(fā)布日期:2022-01-08

首先聲明,本文是一篇討論有關(guān)大型公共建筑采用的先進(jìn)空調(diào)技術(shù)的文章,主要是介紹置換通風(fēng)、地面調(diào)溫、輻射冷暖及溫濕度獨(dú)立控制系統(tǒng)等一些當(dāng)今較為先進(jìn)的空調(diào)技術(shù)理念。關(guān)于大型公共建筑的空調(diào)系統(tǒng)如何適應(yīng)嚴(yán)重疫情等大型公共衛(wèi)生事件,是今后暖通行業(yè)面臨的新的課題。對(duì)于我們養(yǎng)殖行業(yè)同樣也存在著通風(fēng)環(huán)控系統(tǒng)與生物安全的相關(guān)問題,因此希望通過這件事情的研究分析,對(duì)我們養(yǎng)殖場環(huán)控通風(fēng)方面提供一些借鑒。文中涉及疫情的一些描述,不代表本文對(duì)本次疫情的觀點(diǎn)。另外文章中的圖片均來源于網(wǎng)絡(luò)。
西安的這次疫情牽扯著億萬國人的心,據(jù)媒體報(bào)道,此次新冠疫情的嚴(yán)重程度僅次于武漢的那次疫情。目前,在黨和當(dāng)?shù)卣念I(lǐng)導(dǎo)下,通過西安市民的不懈努力及舉國民眾的大力支持,疫情已得到有效的控制,相信不久就會(huì)迎來此次抗擊疫情的全面勝利。
對(duì)于此次疫情的起因在去年的12月18日下午,陜西方面的新聞發(fā)布會(huì)通報(bào)證實(shí),通過對(duì)12月9日~16日報(bào)告的12名本土病例完成了全基因測序,所有12個(gè)人的測序結(jié)果,均與PK854航班上的境外輸入病例高度同源。PK854航班是由巴基斯坦起飛,與12月4日下午15:03到達(dá)西安咸陽國際機(jī)場。而此次疫情最先確診的病例中有4人在當(dāng)天傍晚與咸陽機(jī)場有過交集,因此,疫情專家高度懷疑此次疫情的起源與咸陽機(jī)場的相關(guān)性。
12月26日,鳳凰新聞客戶端榮譽(yù)主筆唐駁虎發(fā)文指出,西安咸陽機(jī)場T3航站樓的空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)是導(dǎo)致疫情傳播的重要原因。西安咸陽機(jī)場T3航站樓用的空調(diào)技術(shù),可能導(dǎo)致了西安本輪新冠疫情“匪夷所思的病毒傳播”。西安長安大學(xué)、東莞大朗剛開始出現(xiàn)的病例,或許就是在西安機(jī)場用洗手間時(shí),被空氣管道送來的微量病毒傳染。
12月27日,清華大學(xué)建筑學(xué)院教授朱穎心、劉曉華與建筑環(huán)境與設(shè)備研究所助理研究員張濤等專家在接受21世紀(jì)經(jīng)濟(jì)報(bào)道記者采訪時(shí)表示,該航站樓值機(jī)大廳采用的是“輻射地板+置換送風(fēng)”空調(diào)形式,沒有回風(fēng)再利用;且機(jī)場各個(gè)區(qū)域內(nèi)的空調(diào)系統(tǒng)相互獨(dú)立運(yùn)行,并不存在管道相連的情況。據(jù)此可以判定,西安疫情與咸陽機(jī)場空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)無關(guān)。西安咸陽機(jī)場T3航站樓的空調(diào)系統(tǒng)是朱穎心教授的清華同事參與設(shè)計(jì)的,也是她在給學(xué)生講課中常常提到的“成功案例”,因而對(duì)西安咸陽機(jī)場T3航站樓的空調(diào)系統(tǒng)是再熟悉不過了。朱穎心教授同時(shí)還是中國建筑學(xué)會(huì)暖通空調(diào)分會(huì)理事、國際室內(nèi)空氣學(xué)會(huì)科學(xué)院會(huì)士兼熱舒適技術(shù)委員會(huì)主席。

那么咸陽機(jī)場這套空調(diào)系統(tǒng)是什么樣的呢,與以往的機(jī)場等大型公共建筑的空調(diào)系統(tǒng)有什么區(qū)別嗎?
西安咸陽國際機(jī)場T3航站樓于2012年的5月3號(hào)開始投入使用,公開資料顯示,在西安咸陽國際機(jī)場二期擴(kuò)建工程T3A航站樓建設(shè)中,中國建筑西北設(shè)計(jì)研究院聯(lián)合清華大學(xué)等單位,創(chuàng)新性地提出了適用于高大空間建筑的新型空調(diào)系統(tǒng)方案,即采用地板輻射供冷(熱)+溶液除濕+置換式下送風(fēng)+干盤管的空調(diào)系統(tǒng)形式。經(jīng)測試,咸陽機(jī)場T3航站樓節(jié)能科技水平處于國家領(lǐng)先地位,參與該項(xiàng)目設(shè)計(jì)技術(shù)人員曾在國外公開發(fā)表論文。在2014年獲得由中國建筑設(shè)計(jì)研究院設(shè)立的“華夏建設(shè)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)”二等獎(jiǎng)。成為今后的國內(nèi)機(jī)場建筑設(shè)計(jì)的典范。國內(nèi)后來新開工建設(shè)的幾個(gè)大型機(jī)場(武漢天河機(jī)場T3、北京大興國際機(jī)場部分區(qū)域、青島膠州機(jī)場)都采用了相似的空調(diào)技術(shù)。



在以上的項(xiàng)目介紹中的溫濕度獨(dú)立控制、輻射供冷供暖、置換式送風(fēng)、及溶液除濕和熱回收等都是近年來在空調(diào)領(lǐng)域的一些新技術(shù)。
溫濕度獨(dú)立控制系統(tǒng)度立控制系
溫濕度獨(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng),簡稱THIC(Temperature and Humidity Independent Control of Air-conditioning System),是我國學(xué)者首次在空調(diào)界提出的新理念。該理念的核心思想是:將為室內(nèi)服務(wù)的空調(diào)系統(tǒng)分為溫度控制系統(tǒng)和濕度控制兩部分,分別采用不同的方式、設(shè)備等措施來應(yīng)對(duì)。
與溫濕度獨(dú)立控制系統(tǒng)相區(qū)分的是目前常見的空調(diào)系統(tǒng),目前常規(guī)的空調(diào)系統(tǒng)在夏季普遍采用熱濕耦合的方法對(duì)空氣進(jìn)行熱濕處理。“耦合”的意思是指:對(duì)空氣冷卻降溫和除濕兩個(gè)處理措施,是在一個(gè)處理過程中完成的,并采用同一空氣處理設(shè)備(通常為冷卻盤管)來同時(shí)應(yīng)對(duì)建筑的顯熱負(fù)荷和潛熱負(fù)荷。以全空氣系統(tǒng)為例:空調(diào)機(jī)組的盤管在設(shè)計(jì)狀態(tài)下對(duì)混合空氣(回風(fēng)+新風(fēng))進(jìn)行降溫除濕后,按照設(shè)計(jì)的送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)(通常為機(jī)器露點(diǎn))送入房間,但在整個(gè)夏季使用空調(diào)的過程中,室內(nèi)的熱濕比是變化的,這就造成空調(diào)機(jī)組運(yùn)行的工況偏離設(shè)計(jì),如果要控制濕度就需要把進(jìn)風(fēng)溫度調(diào)整到很低(露點(diǎn)溫度以下),會(huì)使室內(nèi)溫度失控;或者控制了溫度,造成濕度偏高。目前常規(guī)的技術(shù)措施是對(duì)降溫降濕的混合空氣再加熱,達(dá)到理想送風(fēng)點(diǎn),冷熱相抵,無論哪種方式最終都是設(shè)備能耗加大。
目前常規(guī)的空調(diào)系統(tǒng)的另一個(gè)弊端是制冷系統(tǒng)工作范圍過大,影響了空調(diào)系統(tǒng)整體能耗的進(jìn)一步提升。

THIC系統(tǒng)針對(duì)以上兩點(diǎn)問題,把溫濕度處理的耦合打開采用兩套不同的系統(tǒng)分別實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)的溫度控制和濕度控制。THIC系統(tǒng)的主要原理見下圖:

從圖中可以看出,THIC系統(tǒng)的溫度控制系統(tǒng)是把空氣經(jīng)過空氣處理機(jī)組處理后,達(dá)到設(shè)計(jì)的送風(fēng)點(diǎn),再通過盡可能設(shè)置在距離人員等產(chǎn)濕源位置的送風(fēng)口(如置換通風(fēng)口等)送入室內(nèi),直接實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)或人員活動(dòng)區(qū)的濕度控制。
同時(shí),設(shè)置于室內(nèi)的干式末端設(shè)備(如輻射板等)通過高溫冷媒于房間進(jìn)行熱交換,消除室內(nèi)顯熱,實(shí)現(xiàn)室內(nèi)溫度的控制。
有關(guān)溫濕度獨(dú)立控制空調(diào)技術(shù)的內(nèi)容還很多,感興趣可以看一下相關(guān)的專業(yè)書籍和資料,比如潘云鋼等編著,江億院士作序的《溫濕度獨(dú)立控制(THIC)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)》。
關(guān)于溫濕度獨(dú)立控制空調(diào)技術(shù)有以下幾個(gè)結(jié)論:
1. THIC節(jié)能效果顯著
經(jīng)實(shí)際運(yùn)作檢驗(yàn),咸陽機(jī)場T3航站樓是我國大型民用機(jī)場能耗最低的項(xiàng)目,能耗約為每平方米55度電。而同期其他航站樓平米能耗一般在80度電左右,國家平均能耗為108度,節(jié)能科技水平位于國家領(lǐng)先地位。
2. THIC系統(tǒng)的適應(yīng)性
根據(jù)對(duì)建筑空調(diào)區(qū)熱濕比分析,在設(shè)計(jì)狀態(tài)下,設(shè)計(jì)熱濕比值越小,THIC系統(tǒng)的實(shí)用性越好;對(duì)于全年空調(diào)來說,熱濕比的變化范圍越大,THIC系統(tǒng)的實(shí)用性越好。在民用建筑中,劇場、影院、候車(機(jī))廳、游泳館及室內(nèi)有大量敞開睡眠的房間等,這些場合是民用建筑中最適合采用THIC系統(tǒng)的。
擴(kuò)展:我們的豬舍是不是也是一種熱濕比較小的場所呢!
3. THIC系統(tǒng)的設(shè)備組成
THIC與常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備的也是有區(qū)別的,THIC系統(tǒng)中空氣處理設(shè)備是溶液除濕機(jī)組及熱回收設(shè)備,送風(fēng)口是置換通風(fēng)口,顯熱控制末端是輻射板(地面輻射或天花板輻射),也就是說置換通風(fēng)、地面輻射冷暖及除濕設(shè)備是溫濕度獨(dú)立控制系統(tǒng)的基本組成部分。
地面輻射冷暖技術(shù)
地面輻射也叫混凝土型輻射板,是最常見的輻射末端。地面輻射取暖,就是我們常說的地暖,在暖通行業(yè)應(yīng)用最多的還是水地暖,就是將塑料水管鋪設(shè)到地面里,通入溫水取暖,用過地暖的都知道,在冬季使用地暖采暖是非常舒適的。輻射制冷就是在塑料水管中通入冷水,形成冷輻射地板,與通常采用的風(fēng)機(jī)盤管末端設(shè)備相比,輻射制冷無噪音、無吹風(fēng)感,因而可以有效的改善人體熱舒適和熱感覺。
地板輻射供冷的冷媒一般為高溫冷水。冷水將能量傳遞到地表面,再通過對(duì)流和輻射,并以輻射為主的方式直接與室內(nèi)熱表面(包括人員和其它物體表面)進(jìn)行換熱,帶走室內(nèi)的顯熱負(fù)荷,有效簡化了能量從冷源到終端用戶室內(nèi)環(huán)境之間的傳遞過程。
在大型公共建筑中,由于空間比較大,對(duì)布置傳統(tǒng)的風(fēng)機(jī)盤管來說,不但要經(jīng)過復(fù)雜設(shè)計(jì),而設(shè)備本身會(huì)占用許多空間,使建筑面積有效利用率低。而采用地面輻射,在地面混凝土里鋪設(shè)水管,相對(duì)就容易的多。下圖為北京大興機(jī)場的水管鋪設(shè)實(shí)景照片。

地面輻射制冷技術(shù)在國內(nèi)養(yǎng)殖行業(yè)也已經(jīng)開始使用,主要是為了在南方的一些地區(qū),緩解成年生產(chǎn)母豬和公豬的熱應(yīng)激。在2021年的畜牧展會(huì)上,也有廠家展出了基于這項(xiàng)技術(shù)的相關(guān)產(chǎn)品-水泥冷輻射地板和控制系統(tǒng)。
地面輻射制冷技術(shù)也有缺點(diǎn)就是地面結(jié)露問題,解決這個(gè)問題的關(guān)鍵就是控制地面的溫度在室內(nèi)空氣的露點(diǎn)以上,通常夏季室外的空氣濕度較高,露點(diǎn)溫度也較高,地面溫度無法達(dá)到露點(diǎn)溫度以上,因此,夏季制冷季節(jié),不能讓地面直接接觸室外的新風(fēng),而必須是經(jīng)過處理過的、干燥的空氣。同時(shí),要解決好室內(nèi)的氣流組織。
置換通風(fēng)
置通西安咸陽國際機(jī)場T3A航站樓空調(diào)系統(tǒng)采用的是地面輻射+置換通風(fēng)相結(jié)合的方式。為什么會(huì)這么設(shè)計(jì)呢?輻射制冷一定要和置換通風(fēng)使用嗎?肯定的說,不是的!這么設(shè)計(jì)的最主要一點(diǎn)是:節(jié)能!
置換通風(fēng)(displacement ventilation)是一種特殊氣流組織形式,在通常的氣流組織中,我們常用的是混合通風(fēng),這種模式也叫稀釋通風(fēng),就是把從室外引進(jìn)的經(jīng)過處理的新鮮空氣先與室內(nèi)空氣混合,在到達(dá)活動(dòng)區(qū)(這個(gè)區(qū)域范圍內(nèi),空氣質(zhì)量必須滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定,溫濕度及氣流速度等應(yīng)符合熱舒適要求);專業(yè)上對(duì)置換通風(fēng)的定義為:從房間下部引入低于室溫的空氣來置換室內(nèi)空氣的通風(fēng)。理想狀態(tài)下經(jīng)過熱濕處理過的新鮮的低于室溫的空氣通過(置換)出風(fēng)口直接送入活動(dòng)區(qū)下部,因密度較高,從而沿著地面擴(kuò)散,從而形成以較薄的空氣層(湖)。在室內(nèi)人員及設(shè)備等內(nèi)熱源的浮力作用下,形成向上的對(duì)流氣流。新鮮空氣隨對(duì)流方向向室內(nèi)上部區(qū)域流動(dòng)形成室內(nèi)空氣運(yùn)動(dòng)的主導(dǎo)氣流;熱濁的污染空氣則由設(shè)置于房間頂部的排風(fēng)口排除出。下圖為置換通風(fēng)典型的氣流組織形式。

在機(jī)場候機(jī)廳這樣的大型公共建筑內(nèi),人流密集,因而需要的新風(fēng)量較大,通常新風(fēng)量的選取有兩種方式,一是以人均需要的新風(fēng)量確定,二是以整個(gè)空間的換氣次數(shù)確定。機(jī)場候機(jī)廳的空間都比我們普通的室內(nèi)空間大出許多,如果采用傳統(tǒng)的混合通風(fēng),人均的有限的新風(fēng)量滿足不了整個(gè)空間的空氣循環(huán)量,因此在全空氣系統(tǒng)中,會(huì)采用大量的回風(fēng)與新風(fēng)混合處理后,再送入大廳內(nèi)部。這就不但需要很大的回風(fēng)管道和送風(fēng)管道,而且新風(fēng)連同回風(fēng)一起進(jìn)行熱濕處理,能耗也會(huì)增高。
置換通風(fēng)的優(yōu)勢就是把這部分新風(fēng)全部直接送到人的活動(dòng)區(qū)內(nèi),這部分是全新風(fēng),不需要與回風(fēng)混合。在相同設(shè)計(jì)溫度下,活動(dòng)區(qū)所需的供冷量較少;活動(dòng)區(qū)內(nèi)的空氣質(zhì)量會(huì)更好。因此高大空間的公共建筑采用置換通風(fēng)系統(tǒng),不僅意味著室內(nèi)活動(dòng)區(qū)能獲得更加優(yōu)良的空氣品質(zhì),而且,可以減少空調(diào)冷負(fù)荷,延長免費(fèi)供冷時(shí)段,節(jié)省空調(diào)能耗,降低運(yùn)行費(fèi)用。
在采用輻射地面制冷的模式下,采用置換通風(fēng),送入的處理后的空氣的露點(diǎn)會(huì)更低,把人員散發(fā)的顯熱潛熱分層阻隔,免于地面結(jié)露的現(xiàn)象。
但置換通風(fēng)也有明顯的缺點(diǎn):新風(fēng)量較少,與室內(nèi)空氣的溫差也較小。與混合通風(fēng)比較起來,帶走的熱量也很少。因而,采用置換通風(fēng)模式時(shí),通常會(huì)與輻射制冷結(jié)合起來,以帶走更多的熱量。
其實(shí),在我們國內(nèi)這幾年新建的項(xiàng)目中,也已經(jīng)有采用這種置換通風(fēng)方式的豬舍了,在我們行業(yè)里把這種模式叫地溝進(jìn)風(fēng)模式或叫隧道進(jìn)風(fēng)模式。置換通風(fēng)的關(guān)鍵一點(diǎn)就是新風(fēng)進(jìn)入豬舍前需要進(jìn)行熱濕處理,才能達(dá)到使用效果。一些在南方采用這種通風(fēng)模式的實(shí)際項(xiàng)目中,采用了水簾對(duì)新風(fēng)進(jìn)行降溫處理,但南方的夏季無論白天和晚上空氣的含濕量較高,水簾降溫的模式是等焓降溫,也就是說經(jīng)過水簾的新風(fēng),顯熱溫度降低幅度有限,焓值也仍然很高,成年豬舍內(nèi)要求的室內(nèi)空氣焓值通常要在70 KJ/KG以下,超過這個(gè)焓值豬只不能有效的通過呼吸進(jìn)行散熱,造成豬的熱應(yīng)激。因而,豬舍設(shè)計(jì)置換通風(fēng)的模式,并不是適應(yīng)所有的氣候條件,而且必須要經(jīng)專業(yè)人員仔細(xì)認(rèn)真的設(shè)計(jì)才行。
熱泵溶液除濕機(jī)組
西安咸陽國際機(jī)場T3航站樓是國內(nèi)第一個(gè)應(yīng)用溶液除濕下送風(fēng)加地板輻射技術(shù)的民用機(jī)場航站樓。據(jù)朱穎心教授介紹,這項(xiàng)技術(shù)大約在十幾年前出現(xiàn),到今天仍然代表行業(yè)的較高技術(shù)水平。




結(jié)以上對(duì)咸陽機(jī)場T3A航站樓空調(diào)系統(tǒng)的幾個(gè)重要組成部分的設(shè)備原理和技術(shù)要點(diǎn)分別進(jìn)行了簡單的分析,但這些內(nèi)容對(duì)于這整套空調(diào)系統(tǒng)用來說,也只是涉及了一小部分,窺豹一斑。 暖通設(shè)計(jì)是復(fù)雜的系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程,今后空調(diào)行業(yè)的發(fā)展趨勢必然是更加舒適、節(jié)能、環(huán)保,咸陽機(jī)場T3A航站樓空調(diào)系統(tǒng)的這套設(shè)計(jì)也集中體現(xiàn)了這些理念,代表了我國的空調(diào)行業(yè)的技術(shù)水準(zhǔn)和創(chuàng)新能力。鑒于本人學(xué)識(shí)有限,文中一些的知識(shí)點(diǎn)不一定完全正確,歡迎批評(píng)指正,更希望此文能拋磚引玉,對(duì)我們國內(nèi)的畜牧業(yè)環(huán)境控制技術(shù)的發(fā)展有所推進(jìn)。(文章篇幅較長,感謝您的閱讀。)