变风量空调系统设计工程实例

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变风量空调系统特点:

变风量空调系统基本构成:变风量末端装置,空气处理及输送设备,风管系统,自动控制系统。


变风量空调系统基本原理:


与传统的风机盘管或定风量系统比较:


优点:区域温度可控;空气过滤等级高,空气品质好;部分负荷时风机可实现变频调速节能运行;可变新风比,利用低温新风节能。

缺点:初投资大;设计、施工、和管理较复杂。

适用:区域温度控制要求高;空气品质要求高;高等级办公、商业场所;大、中、小各类空间。暖通南社

应用:国外大部分办公楼采用变风量空调系统;国内省会以上城市在逐步推广。



如何进行内、外分区:

空调系统的外区与内区:

外区:直接受外围护结构日射得热、温差传热、辐射换热和空气渗透影响的区域。

外区空调负荷包括外围护结构冷负荷或热负荷以及内热冷负荷。

外区有时需要供热有时需要供冷。

内区:与建筑物外围护结构有一定距离,具有相对稳定的边界温度条件的区域。它不受外围护结构的日射得热、温差传热和空气渗透等影响。

内区全年仅有内热冷负荷,其随区域内照明、设备和人员发热量的状况而变化,通常全年需要供冷。暖通南社

现代办公楼的特点:

体量大 进深深;外围护结构密闭性好。

外区与内区的划分:

内外区的形成机理:外围护结构在日射、温差和空气渗透的作用下形成外围护结构负荷;

显负荷由外围护结构内表面主要以辐射形式传递;

外围护结构向内,在辐射作用可忽略之处为内外分区线,其内为内区,其外为外区。

外区进深2-5m,取决于:内表面温度。

气候条件—改变内表面温度;

外围护结构热工性能—改变内表面温度;

内、外区空调系统情况;

受风口设置影响的室内气流组织 :

周边有否空气阻挡层—改变内表面温度;

中空Low-E玻璃+简易通风窗 Air Flow Window (AFW)。

无外区-有通风窗、双层皮等新型外围护结构

无内区-房间进深小于8m。

分区间的混合损失:

混合损失和混合得益:

外区的部分供热量成为内区的冷负荷;内区的部分供冷量成为外区的热负荷。

混合损失的主要原因:

外区温度高于内区;外区空调设备过大;内区空调换气过大;自动控制不好。


单风道型:



风机动力型:


风机动力型系统:


压力相关与压力无关:

末端风量受开度和静压双重影响;

根据室温控制开度,风量受静压波动—压力相关;

根据室温偏差计算设定风量;检测风量并根据风量偏差控制开度;静压变化可以得到修正—压力无关。



如何选择变风量系统:

外区加热量分析:

每米外窗热负荷:宽1m;高4.3m;传热系数2.5w/m2/

Q=K*F*(tn-tw)=2.5*1*4.3*0.7*[22-(-4)]=196w/m。

末端加热量:

条件:外区宽1m;进深5 m;净高3.0 m;热风送风温差△T<8 (<30);换气次数8次/h;

每米外区加热量:Q =1.01*ρ* G *(ts-tn)

单风道=1.01*1.2*0.3*1*5*3*8/3600*(30-22)=97w/m;

并联=1.01*1.2*0.9*1*5*3*8/3600*(30-22)=290w/m;

串联=1.01*1.2*1.3*1*5*3*8/3600*(30-22)=420w/m。

系统选择因素:


如何进行末端选型:

一次风最大风量:

根据房间最大显热负荷采用显热温差法计算。

一次风最小风量:

最小风量不是按最小显热负荷确定:

风速传感器限制;气流组织需求;加热风量需求;

新风分配需求;

最小风量:Gm=Vm*A为最大风量的30-40%

最小风速:

可测动压:

皮托管最小可测动压△Pm=7.6Pa(0-375Pa气电转换器/8位模数转换器);

△Pm=1.0Pa (0-375Pa气电转换器/10位模数转换器)。

放大系数:

产品样本给出各末端装置在250Pa动压下的风量,求得该末端装置风速传感器的放大系数F。

理论上13/2.25=17.3%,工程上取30-40%。

非气压型风速传感器:可测最小风速达1m/s。

风机风量:

串联风机100-130%:




末端余量!!!

末端风量不可随意放大,会减小风量调节范围:

末端风量由2000-600m3/h,放大到2400-720 m3/h;

调节范围由2000-600 m3/h;减小到2000-720 m3/h。

空调箱出风温度可比设计温度低0.5-1.0

高速与低速末端:


新风系统设计:

处理方式:分散/集中;

分配方式:不定新风量/系统定新风量/末端定新风量。



系统有哪些自动控制?

末端控制:

系统送风量控制:

定静压法:变频调节风机转速使风管检测静压满足设定值。

变定静压法:

总风量法:

变静压法:

新风量控制:

控制实例:


设计实例:

1.设计条件:



空调冷、热源:

冷 源:离心式冷水机组,3500kW×2台;螺杆式冷水机组,1225kW×2台。

热 源:油气两用热水锅炉2800 kW×2台;水-水板式换热器5055 kW×5台。

水系统:冷水系统:机组侧定流量系统,用户侧变流量系统;冷冻机房侧冷、热4管制;标准层空调机房侧单冷2管制;标准层空调,外区风机盘管机组季节性转换冷、热2管制。

用户侧冷、热水温度:一次冷水6~12;二次冷水(29层以上及B3~14层风机盘管机组用)7~13;热水60~50

室内、外设计参数:

夏季:34/28.2;冬季:-4/75%;

冬/夏季室外平均风:3.1/3.2m/s。

系统选择与设置:

基本情况分析:夏热冬冷地区,冬季外区需供热,外围护结构每米热负荷约200W/m;常温电制冷冷机组无冰蓄冷系统;避免采用价格昂贵且可能需进口的高诱导比低温送风口;需保持较高的通风换气次数;

标准办公层空调机房比较狭小,变风量空调系统风量受限制;确定采用常温变风量空调系统。

系统比较后采用风机盘管+单风道系统:

数层或整幢大楼组成的大型系统;

每层设一台空调器的中型系统;每层设多台空调器的小型系统。经分析采用“周边风机盘管,东、西两套内区单风道单冷型变风量空调系统”。

优点:东、西两个系统,可较好地跟踪朝向负荷变化、还可采用不同的送风温度,保证足够的送风量;

风管半径较小、风管截面积较小,易于布置,系统从两侧集中回风,吊平顶内静压比较均匀。

外区采用低矮式风机盘管,有利于冬季减小窗边区的温度梯度,防止冷气流下沉。

低矮式风机盘管机组设置在楼板沟槽内,降低了窗台高度,增强了外窗的通透性。

缺点:与每层设置一套的空调系统比较,初投资较高;

由于空调机房设置在筒芯内,集中新风系统无法满足秋、冬、春三季全(变)新风供冷需求。


内外分区与负荷风量计算:

内外分区:通透型Low-e玻璃,遮阳系数SC=0.6,大于《公共建筑节能设计标准》中规定的遮阳系数SC≤0.4/0.5(东、南、西向/北向),有窗边风机盘管送风等改善窗边热环境的措施(简易通风窗AFW);确定外区进深3.5m为中等进深型,其余部分可确定为内区。将划分好的内、外分区再细分成若干个空调区域。

负荷与风量计算:

采用负荷计算软件对各空调区域的冷、热负荷进行逐时计算,并计算散湿量;

按外区的围护结构逐时冷、热负荷的最大值选择周边风机盘管;按相关内、外区内热冷负荷合计值选择内区变风量末端装置。

作ε线交于相对湿度85%线,得送风温度15 (不合适可调整室内相对湿度)

东系统空调区域负荷及风量计算表:

西系统空调区域负荷及风量计算表:

东、西侧空调系统负荷风量计算表:

变风量末端装置选型:

风量计算:一次风最大风量:根据各区域最大显热负荷计算(如东系统/东北1区);

一次风最小风量:影响因素—新风分配(另行计算)、加热需求与气流组织要求(无)、末端装置风速传感器精度(校核计算);

末端装置采用皮托管式风速传感器;8位模数转换器;0~375Pa气电转换器,最小动压ΔPM为7.6Pa。

末端装置最小风量校核计算表:

新风设计:

系统选择:空调机房设置在核心筒内,无对外新、排风进出口。因此,需采用集中新风系统。

为了避免新风管穿越核心筒,对应东、西两个变风量空调系统各设一个集中新风系统。

每层利用新、排风定风量装置控制新、排风量。

区域新风量计算(略)

风系统设计:

风系统设计要点:

变风量系统常采用矩形风管和圆形风管,圆形风管多用于钢结构穿梁方式。本实例建筑物采用钢筋混凝土结构,风管系统采用矩形风管;

变风量系统常用的风管布置形式有环状和枝状,环状布置易于压力平衡。本实例设置东侧、西侧两个系统,采用枝状风管系统布置形式;

由于空调系统较小,采用等摩阻法进行风管设计;

考虑到各房间回风的压力平衡,采用吊平顶静压箱集中回风;

变风量末端装置一次风进口接管采用等径管连接,有4倍直径长度的直管段,保证末端装置一次风进口处风速传感器气流稳定;

送风散流器与支管间设置静压箱,保证静压出风并起消声作用;

送风静压箱与末端装置下游支管之间接2m左右消声软管,起消声和方便接管的作用,也可适应风口在安装时可适当移位。。

系统选择:作为低速送风系统,空调送、回风管采用等摩阻法计算。

由于东侧与西侧变风量系统仅负担内、外区的内热冷负荷,与室外气候与太阳辐射无关,因此可以按稳定的内热负荷来计算风量并叠加计算管径。

风管管径计算:

风系统最不利环路沿程阻力和局部阻力计算与定风量系统一样,此处从略。

周边风机盘管机组设置。

空调器选型计算:

系统新风比(以东侧系统为例):X=1871/11082=17%;

空调器处理冷负荷:

冷却盘管进风参数:干球温度tc=25.6-0.17×(25.6-20)=24.6,湿球温度tcs=18.3

考虑冷却盘管应有一定余量,盘管出风干球温度再低0.5,即为13.1-0.5=12.6,湿球温度为12.0

风机选型:本实例采用单风机空调器,根据系统风量、

风压情况,考虑到噪声、体积等因素,选择前向式离心风机。

风机风量考虑10%设计余量:1.1×11082=12190m3/h;

风机计算全压为1000Pa。电机功率Np应为每层:

系统新风比(以东侧系统为例):X=1871/11082=17%;

空调器设计参数汇总:

变风量末端噪声计算:

计算条件:以东2通风分区为例,房间面积为102;房间内表面积为324;末端装置下游阻力为80Pa;主风管计算静压为400 Pa,单风道型末端装置一次风进口直径Ф为225mm;末端装置的计算最大风量为0.557kg/s(1671m3/h)。

查样本,得出口噪声和辐射噪声的声功率级。样本上一般仅提供静压差△ps为250Pa和500Pa的数据,与本实例的△ps=400-80=320Pa工况不符,故取中间插值。

末端装置声功率值表

出口噪声:末端装置下游的风管较短且风速较低,设计时可忽略直管段的自然衰减量和管内气流再声噪声。

末端装置下游风管带有一个弯头和一个三通,可从相关手册查得这些部件的自然衰减量;

支风管与送风散流器之间接有2m左右消声软管,其自然衰减量可从软管生产厂的产品测试报告中查得;

送风散流器配有消声静压箱,消声静压箱的自然衰减量可从有关资料查得。

查图14-13得房间常数20m2(取中度混响室)。

在考虑了房间自然衰减和声功率级与声压级转换后,以房间声压级对照房间等响曲线(见图14-14),可得房间NC值等于25,符合该房间声学计算要求(见表17-12)。

未端装置出口噪声计算 17-12

辐射噪声:

末端装置产生的辐射噪声从吊平顶静压箱内穿过吊平顶传到空调房间,吊平顶起着隔声作用。本实例采用常见的13mm厚纸面石膏板,面密度为8.8kg/m2。

由表14-17查得吊平顶/静压箱/房间衰减量,结果列于表17-13。

房间声压级对应房间等响曲线(见图14-15)NC30,符合房间声学计算要求(见表17-12)。

末端装置辐射噪声计算表 表17-13

自动控制设计:

变风量末端装置控制:

各温度控制区内变风量末端装置的墙置式温感器设置在靠近内走廊的内墙上,用于检测室内空气温度并供用户操作;

变风量末端装置根据室内空气温度与设定温度的偏差计算出装置一次风量设定值,根据其与一次风量测量值的偏差,比例积分调节装置的一次风送风量;

变风量末端装置可就地启停,也可由系统空调器联锁启停,或由中央BA系统远程启停;

末端装置控制采用DDC控制器。DDC控制器应在末端装置生产厂逐台组合、调试并整定后作为机电一体化产品送到安装现场;

末端装置DDC控制器需与中央BA监控系统实现下述信号联系:

室内温度检测值与设定值输出,用于BA系统中央管理;且可接受BA系统室温再设定;

风量检测值与设定值输出,用于BA系统中央管理和系统风量控制。

末端装置运行状态输出,用于BA系统中央管理;且可接受BA系统启停信号输入或本系统空调器联锁信号输入。

变风量空调系统控制:

系统风量采用变静压法控制:

根据各末端装置设定风量之和预设定风机转速;

根据各末端装置阀位状况微调系统风机转速。

根据送风温度检测值与设定值的偏差,比例积分调节用于冷却盘管的电动二通阀。电动二通阀的流量系数为:

式中:W—冷却盘管的最大流量(取自表17-10),l/min;G—流体的比重,水取1;

h—二通阀全开时压力降,与冷却盘管的压力降相同(取自表17-10),kg/cm2;

空气过滤器淤塞压差报警;

回风温度检测显示;空调器风机与冷却盘管调节阀、新、排风定风量装置联锁;

空调系统与中央BA监控系统实现下述信号联系:

系统送风温度检测与设定值输出,用于BA系统中央管理,且可接受BA系统送风温度再设定;

系统运行状态监测及启停控制;

新风及排风系统控制:

系统风量控制采用定静压法,根据新、排风系统主风管内静压检测值与设定值的偏差变频调节新、排风机转速;

根据新风送风温度检测值与设定值的偏差,比例积分调节用于冷、热水盘管的电动二通阀;

新风空调器内空气过滤器淤塞报警;

新风温湿度检测;

新风风机与冷、热水调节阀,新风进风阀联锁;

当新风出风温度低于3时,关闭新风进风阀,开启热水阀,实现防冻控制;

新、排风系统与中央BA监控系统实现下述信号联系:

系统送风温湿度检测值与设定值输出,用于BA系统中央管理,且可接受BA系统送风温、湿度再设定输入;系统运行状态监测及启停控制。



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