一种室内建筑冷水置换通风系统及其控制方法

技术领域

本发明属于室内制冷技术领域，具体涉及一种室内建筑冷水置换通风系统及其控制方法。

背景技术

在现代生活中，室内空调环境变得越来越重要。传统的混合送风已经很难满足人们对热舒适和对室内空气品质的需求。最有效的办法就是快速的排出室内污染物及负荷，尽可能的将新鲜空气直接送给人。置换通风与混合送风相比，具有更高的通风效率，在工作区具有更好的空气品质，能有效满足人体热舒适。因此，在目前的空调系统中，置换通风得到了广泛的应用。

现有的置换通风系统中，经过空调机组处理后的风是由动力设备提供动力，经由送风管道送入室内末端，产生了很大的风机能耗，在管路较长的时候，动力设备消耗的电能往往非常巨大，无论是初投资还是运行费用都比较高。另一方面，风机往往会带来一定的噪声，这一点在风机靠近人体时显现的特别明显。同时，已有的置换通风送风方式一直伴随着送风温差和送风量难以设计的问题，若送风温差小，则需增大送风量，从而增加了散流器的数量和大小，设备投资加大，散流器难以布置；若送风温差大，送风温度必然降低，头足温差过大不利于人体热舒适。

发明内容

本发明的目的在于提供一种室内建筑冷水置换通风系统及其控制方法，无需吊顶，节省房间上部空间，可有效保证通风效率、房间内工作区的空气品质和人体热舒适。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种室内建筑冷水置换通风系统，该室内建筑沿室内墙体四周预设有相互贯通的气流通道，在气流通道的下方开有气流出口，气流出口处设有可移动挡板；该系统包括通风组件和用于制备冷冻水的冷水机组，通风组件包括在气流通道顶部盘旋安装的冷水盘管，以及在室内设置的温度传感器、速度传感器和控制器；速度传感器设置在气流出口处；

冷水盘管一端通过冷冻水阀门与冷水机组的排水口连接，另一端与冷水机组的进水口连接；

温度传感器、速度传感器和冷冻水阀门均与控制器连接，可移动挡板通过驱动机构与控制器连接，控制器用于控制冷冻水阀门和可移动挡板的开口大小。

进一步，冷水机组设置在机房内，冷水机组与水源连接。

进一步，气流通道由墙体和垂直于地面设置的隔板形成，隔板围绕墙体内侧设置，隔板与墙体存在间距。

进一步，驱动机构包括电机和丝杠螺母机构，在隔板与地面接触的一侧设有供可移动挡板滑动的导轨，可移动挡板一侧通过丝杠螺母机构连接电机，电机与控制器连接；

当导轨横向设置时，可移动挡板横向位移，气流出口处高度不变，宽度变化，气体出流面积改变。

进一步，当某一侧隔板开有窗户时，该隔板下方不设置气流出口。

进一步，在隔板与墙体相对的内侧设有保温层。

进一步，气流通道宽度为10cm；

温度传感器设置在气流出口处和距离地面0.6m处。

进一步，在墙体与隔板的上部设有若干个水管吊架，水管吊架用于放置冷水盘管。

本发明还公开了所述室内建筑冷水置换通风系统的控制方法，包括以下步骤：

步骤一、在控制器上设定初始温度T

步骤二：控制器通过ΔT、冷水初始流量Q

进一步，步骤二具体为：

若ΔT＞0，控制器发出信号，调节冷冻水阀门，增大冷冻水流量，此时冷冻水流量由Q

式中，c

其中气流开口宽度变化量由下式确定：

式中，ΔL为气流开口宽度变化量，T

若ΔT＜0，控制器发出信号，调节冷冻水阀门，减小冷却水流量，此时冷却水流量由Q

式中，c

其中气流开口宽度变化量由下式确定：

式中，ΔL为气流开口宽度变化量，T

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明提供了一种室内建筑冷水置换通风系统，冷水盘管环绕布置在房间上部且靠近四面墙体，直接暴露于空气中，与上部热空气对流换热，不需要吊顶。在房间内和气流通道内的压差作用下，热空气不断地向冷水盘管处汇集，热空气被冷却后密度增大，在气流通道内由于重力作用下沉，最后从下部气流开口处流出，在地面形成空气湖，冷空气随人体及其他热源产生的热羽流上升，温度升高后再次被房间上部的冷水盘管冷却，完成一个重力循环。此送风方式能保证人体呼吸区的空气品质，减少了新鲜冷空气在到达地面前与室内热空气的混合，与管路较长的全空气系统相比，避免了管路温升引起的能源浪费，同时下部气流开口大小可根据房间负荷变化自由调节。安装时，在室内设有温度传感器、速度传感器和控制器，温度传感器、速度传感器、阀门和可移动挡板均与控制器连接，控制器控制阀门调整冷却水的流量，同时控制可移动挡板的位移调整气流开口处的开口大小，可以做到实时调节室内的温度，满足用户的需求。

进一步，当某一侧隔板开有窗户时，该隔板下方不设置气流出口，是为了避免冷空气直接被外窗引入的太阳辐射照热从而造成不必要的能源浪费，靠近外窗侧的隔板环绕外窗布置，在外窗侧被冷却的空气下沉至其余开口处流出。

进一步，在隔板与墙体相对的内侧设有保温层，避免与被冷却后的空气直接接触时温度太低而结露，同时减小冷空气在隔板通道内的温升。

进一步，气流通道宽度设计为10cm，这是为了避免宽度太小不能使冷气流有效流入通道内；宽度太大占用房间空间且易在隔板通道内形成速度非常低的死区。

附图说明

图1为本发明的室内建筑冷水置换通风系统的结构示意图；

图2为本发明的置换通风原理示意图；

图3为本发明的外墙侧隔板布置示意图；

图4为水管吊架的结构示意图；

图5为本发明的实验一Z＝1.5m处截面温度分布云图；

图6为本发明的实验一Z＝1.5m处截面速度分布云图；

图7为本发明的实验二Z＝1.5m处截面温度分布云图；

图8为本发明的实验二Z＝1.5m处截面速度分布云图；

图9为本发明的实验三Z＝1.5m处截面温度分布云图；

图10为本发明的实验三Z＝1.5m处截面速度分布云图。

其中，1为第一隔板，2为第二隔板，3为第三隔板，4为第四隔板，5为第一气流通道，6为第二气流通道，7为第三气流通道，8为第四气流通道，9为冷水盘管，10为气流出口，11为入水口，12为出水口，13为门，14为窗户，15为凝水盘，16为水管吊架，17为支撑垫。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

如图1所示，本发明的一种室内建筑冷水置换通风系统，该室内建筑沿室内墙体四周预设有相互贯通的气流通道，在气流通道的下方开有气流出口10，气流出口处设有可移动挡板；该系统包括通风组件和用于制备冷冻水的冷水机组，通风组件包括在气流通道顶部盘旋安装的冷水盘管9，以及在室内设置的温度传感器、速度传感器和控制器；速度传感器设置在气流出口10处；冷水盘管9一端通过冷冻水阀门与冷水机组的排水口连接，另一端与冷水机组的进水口连接；温度传感器和速度传感器的输出端均与控制器的输入端连接，冷冻水阀门的输入端和与控制器的控制端连接，可移动挡板通过驱动机构与控制器连接，控制器用于控制冷冻水阀门和可移动挡板的开口大小。

冷水机组设置在机房内，冷水机组与水源连接。冷水机组又称为：冷冻机、制冷机组、冰水机组、冷却设备等。冷水机组包括四个主要组成部分：压缩机、蒸发器、冷凝器和膨胀阀，从而实现了机组制冷制热效果。

控制器的型号为SEMEN-BFA，冷水机组可采用Bitzer的螺杆式冷水机。

具体地，在室内，围绕墙体内侧预设有隔板，隔板垂直于地面，隔板与墙体存在间距，隔板与墙体形成连通的气流通道；在气流通道顶部盘旋设置冷水盘管9，冷水盘管9的入水口11通过冷冻水阀门与冷水机组的排水口连接，冷水盘管9的出水口12与冷水机组的进水口连接，将回水送回冷水机组中继续冷却，循环使用；在隔板的下方设有气流出口10，气流出口10处设有可移动挡板；在室内设有温度传感器、速度传感器、开关、控制器，温度传感器、速度传感器、冷冻水阀门和可移动挡板均与控制器连接，开关通过线路与冷水机组、冷冻水阀门和控制器连接。

冷水盘管9具3‰的坡度，在盘管最低位置安装有凝水盘15。因为冷盘管是直接暴露在室内空气中的，盘管里面的冷冻水供水温度一般为7℃，室内空气温度低于它的露点温度时，与冷盘管接触后会产生凝结水，凝水盘15用于接凝结水，盘管设置3‰的坡度也是为了使管道外部的凝结水沿着管道壁面流入凝水盘15。

如图1所示，以四面墙体的屋间为例来说明，其中一面墙体带有门13，四面墙体内各设置一隔板，包括第一隔板1、第二隔板2、第三隔板3和第四隔板4，四个隔板与四面墙体形成了四个气流通道，具体包括第一气流通道5、第二气流通道6、第三气流通道7和第四气流通道8，第一气流通道5、第二气流通道6、第三气流通道7和第四气流通道8相通，形成一个气流相通的气流通道。

若房间有外窗，比如图1中的第四隔板4上开有窗户14，在第一隔板1、第二隔板2和第三隔板3下部靠近地面处设有气流开口，气流开口处设有温度传感器和速度传感器。一般地，在第四隔板4下部不设置气流开口，是为了避免冷空气直接被外窗引入的太阳辐射照热从而造成不必要的能源浪费，靠近外窗侧的隔板环绕外窗布置，在外窗侧被冷却的空气下沉至其余开口处流出。

在房间0.6m高处(具体位置根据房间实际情况来定)还设有温度传感器，用于观测房间温度的变化，将此温度变化的信号传给控制器；气流开口处的温度、速度、0.6m高处的温度、初始气流开口宽度用于计算挡板所需位移。计算温差是用房间负荷变化前后两个0.6m高处的温度来计算的。若温差大于0，就增大冷冻水流量，增大气流开口宽度；若温差小于0，则减小冷冻水流量，减小气流开口宽度。同理，温差大于0，计算出来的挡板位移为正，可理解为增大开口，温差小于0，计算出来的挡板位移为负，可理解为减小开口。

若房间无外窗，四面墙侧的隔板布置与有外窗情况下的布置一样，且在四面隔板下部均设置气流开口，气流开口处均设有温度传感器。

机房内设有制冷机组，制冷机组用于制备系统所需冷冻水，冷冻水经由输配管网泵送入冷水盘管9的入水口11，从而进入冷水盘管9，冷水盘管9与在压差作用下汇集过来的周围热空气换热后，热空气温度降低，密度增大，在气流通道内下沉，冷空气在气流通道内下沉至下部气流开口流出。

具体地，冷水盘管9采用镀锌铜管，厚度为1.5mm。

控制器与阀门采用WAP无线通讯协议。

更优地，气流通道宽度设计为10cm，这是为了避免宽度太小不能使冷气流有效流入通道内；宽度太大占用房间空间且易在隔板通道内形成速度非常低的死区。

更优地，隔板材料为彩钢板内夹岩棉，厚度2cm，内表面设有保温棉，避免与被冷却后的空气直接接触时温度太低而结露，同时减小冷空气在隔板通道内的温升。

更优地，在墙体与隔板的上部设有若干个水管吊架16，水管吊架16用于放置冷水盘管9。水管吊架16可采用槽钢制成，在放置冷水盘管9一侧的的槽钢内壁上设有支撑垫17。

具体地，冷水盘管9最高处与隔板上部齐平，隔板最上部距离上方楼板10cm。

具体地，墙体与四面隔板形成的气流通道宽度为10cm，冷水盘管9中心线距离墙体5cm。

在隔板与地面接触的一侧设有供可移动挡板滑动的导轨，可移动挡板一侧通过丝杠螺母机构连接电机，电机与控制器连接，控制器控制电机的正反转及每次的转动的角度，进而控制丝杠的伸缩，以实现可移动挡板的位移。

当导轨横向设置时，可移动挡板横向位移，气流出口10处高度不变，宽度变化，气体出流面积改变；当导轨纵向设置时，可移动挡板纵向位移，气流出口10处宽度不变，高度变化，气体出流面积改变。

气流开口的大小根据房间负荷和具体要求来确定，气流开口出流速度的大小可参考《全国民用建筑工程设计技术措施-暖通空调·动力》，2009版中工作区允许风速与温度关系表来确定。

以下以固定气流开口高度，调节气流开口宽度的方式来说明，具体可根据下式进行：

Q＝V×A (1)

式(1)中，Q为单个气流开口空气的体积流量，m

在本发明中，气流出口(10)宽度和体积流量的关系可表示为：

式(2)中，L为气流开口处的设计宽度，m；H为气流开口高度，m；V为出流速度，m/s。

冷水盘管9大小和长度的确定可参考下式：

冷水盘管9外表面与房间内空气及围护结构外表面总换热量：

其中n→∞，式(3)中

W/(m

t

σ为斯蒂芬-玻尔兹曼常数，5.6×10

A

t

冷水盘管9外表面和内表面之间的总导热量，通过公式(4)来计算：

其中n→∞，式(4)中

λ为导热率，W/(m·K)；

r为冷水盘管9外径，m；

d为厚度，m；

l

冷却水与冷水盘管9内表面的总对流换热量，通过公式(5)来计算：

其中n→∞，式中

其中冷却水与冷水盘管9内表面的换热量，在本发明中可认为导热量很小，可以忽略，仅有对流换热，采用牛顿冷却公式计算即可。

房间总冷负荷Q与上述三式有以下关系：

具体选择步骤如下：

1，根据暖通空调系统设计规范，根据房间类型，面积，初步估算房间总冷负荷大小。

2，根据房间周长，计算房间内所需管道长度。

3，参考式(3)/(4)/(5)中的所需换热面积A，再根据市场上现有的管径类型初步确定管径。

冷水盘管9大小和长度可按上述公式(3)，公式(4)，公式(5)作初步估算，具体布置方式视实际房间情况而定。

冷水质量流量计算式：

Q

式中Q

当有外窗，在外墙侧不设置送风口时，若气流开口尺寸一样，则可根据式(2)可得房间总冷负荷与每个气流开口宽度关系：

其中L′为每个气流开口的初始宽度，m；ρ为被冷却后的空气的密度，Kg/m

当房间无外窗，即在四面均有气流开口时，

本发明的所述室内建筑冷水置换通风系统的控制方法，具体包括以下步骤：

步骤一：给定一个房间初始温度T

步骤二：控制器计算温差ΔT,ΔT＝T

以下具体的控制方式：

若ΔT＞0，则表示房间负荷增大，控制器发出信号，调节冷冻水阀门，增大冷冻水流量，此时冷冻水流量由Q

式中，c

其中，c

其中气流开口宽度变化量由下式确定：

式中，ΔL为气流开口宽度变化量，T

若ΔT＜0，则表示房间负荷减小，控制器发出信号，调节冷冻水阀门，减小冷却水流量，此时冷却水流量由Q

式中，c

其中气流开口宽度变化量由下式确定：

式中，ΔL为气流开口宽度变化量，T

取0.6m高度进行温度测量，是因为经过试验研究得出在0.6m处的温度合适的话，人体会感觉比较舒服。

实验分析

实验1

根据实际情况建立房间尺寸为3000(X)×2600(Y)×3000(Z)(mm

为了验证本发明的气流组织扩散情况和室内降温效果，选用平均湍流能量模型，即标准k-ε两方程模型(standard k-εmodel)求解方程组。

采用有限体积法对上述控制方程进行离散，离散格式选用二阶迎风格式，引入边界条件后选用SIMPLE算法对离散方程求解，当速度项和压力项残差值均小于10

图4为本发明的送风方式在Z＝1.5m处截面的温度分布云图，由图可以明显看出，本发明的送风方式在室内纯自然对流，无外加送风动力设备时可以将室内空气有效冷却，房间上部热空气在被冷水盘管9冷却后沿着气流通道下沉至下部气流开口处流出，在地面形成冷空气湖，房间内垂直方向上出现温度分层，在此工况下，房间0.1m高处和1.1m高处的温差小于3℃，满足设计要求。

图5为本发明的送风方式在Z＝1.5m处截面的速度分布云图，由图可以看出，速度相对较大的地方位于房间下部，其中整个房间内的最大风速为0.55m/s，根据《全国民用建筑工程设计技术措施-暖通空调·动力》，2009版中工作区允许风速与温度关系表可得，房间温度为27℃时，工作区允许最大流速为0.5m/s。本实施例中，工作区最大流速位于X＝0.5,Y＝0.1,Z＝1.5(m)处，该点处的速度为V＝0.49m/s,同时，经计算得知脚踝处吹风感小于20％，满足规范要求。

5,Y＝0.1,Z＝1.5(m)处，该点处的速度为V＝0.49m/s,满足规范要求。

实验2

本实验与实验1作对比

将实验1中的气流开口宽度设置为1.2m，高度维持0.1m不变，其余条件与实验1保持一致。

图6为本实验中在Z＝1.5m处截面的温度分布云图，由图可以看出，当仅改变气流开口大小，其余条件保持不变时，能形成与实施例1类似的温度分层，室内热空气可被冷却2.5℃，房间0.1m高处和1.1m高处的温差小于3℃，满足规范要求。

图7为本实验中在Z＝1.5m处截面的速度分布云图，由图可以看出，房间内最大风速为0.3m/s，X＝0.5,Y＝0.1,Z＝1.5(m)处风速为0.23m/s，满足设计要求。

实验3

本实验与实验1、实验2作对比

将实验1中的气流开口宽度设置为2.8m(隔板下部全部截断)，高度维持0.1m不变，其余条件与实施例1保持一致。

图8为本实验中在Z＝1.5m处截面的温度分布云图，由图可以看出，当仅改变气流开口大小，其余条件保持不变时，能形成与实验1、实验2类似的温度分层，室内热空气可被冷却1.5℃，房间0.1m高处和1.1m高处的温差小于3℃，满足规范要求。

图9为本实验中在Z＝1.5m处截面的速度分布云图，由图可以看出，房间内最大风速为0.2m/s，X＝0.5,Y＝0.1,Z＝1.5(m)处风速为0.14m/s，满足设计要求。通过三个实施例的对比，可以看出当隔板下部气流开口面积增大时，房间热空气可被冷却的温度范围降低，被冷却的空气流量增加，但是仍然满足热平衡方程

在传统的置换通风系统中，送入房间内的新鲜空气是由空气处理机组处理后由动力设备输运到房间内，本发明提供的无动力置换通风送入房间内的为冷冻水，水的比热大，储能能力远大于空气，因此处理相同的房间负荷，冷冻水管管径远小于风管，节约房间上部空间。传统的置换通风不能处理大负荷的房间，一方面，散流器面积有限，且需要放置于地面，布置困难，限制了送风温差小、送风流量大的使用情况；另一方面，置换通风会在地面形成冷空气湖，房间内出现垂直温度梯度，ASHRAE规范中规定头足温差不能超过3℃，大头足温差会影响人体热舒适，因此限制了传统置换通风系统中小送风流量、大送风温差的使用情况。本发明提供的无动力置换通风送风方式可用于夏季大负荷的房间，隔板下部的气流开口大小可调，在大负荷房间内，增加冷冻水流量，冷盘管与空气换热量增加，产生更多的冷空气进入隔板通道内，此时可增大出流面积，控制出流速度，避免脚部吹风感问题，出流面积的变化也能改变房间内的垂直温度梯度，同时能有效解决传统置换通风系统中散流器难以布置的问题。