建筑环境设计模拟分析软件DeST
空气处理设备方案模拟分析74
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空气处理设备方案模拟分析74
专题讲座；建筑环境设计模拟；分析软件DeST；第7讲空气处理设备方案模拟分析；清华大学燕达☆张野江亿；摘要空气处理过程受到气候条件、建筑使用特点、房间；等条件的影响,只靠经验或者单点的设计计算,无法预；关键词空气处理设备方案全年工况分析模拟；Buildingenvironmentdesig；simulationandanalysisofa；ByYanDa★,
专题讲座建筑环境设计模拟分析软件DeST第7讲　空气处理设备方案模拟分析清华大学　燕　达☆　张　野　江　亿摘要　空气处理过程受到气候条件、建筑使用特点、房间控制参数以及空气处理设备性能等条件的影响,只靠经验或者单点的设计计算,无法预测设计方案的全年运行效果和需要的能耗。介绍了空气处理设备方案的全工况模拟方法,此方法能逐时详细模拟表冷器以及其他空气处理设备,能模拟多种控制调节方式下系统的运行状况,最终获得设计方案的满意状况和能耗情况。以实例说明了通过模拟辅助设计的方法。关键词　空气处理　设备方案　全年工况分析　模拟BuildingenvironmentdesignsimulationsoftwareDeST(7):simulationandanalysisofairhandlingprocessByYanDa★,ZhangYeandJiangYiAbstract　Astheoperationandperformanceoftheairhandlingprocessareaffectedbyclimateconditions,buildingusage,roomcontrolparameters,performanceofairhandlingequipmentitself,itisdifficulttoanalysetheprocessperformanceandenergyconsumptionbywholeyearsimulationbysinglenode(designday)orexperience2basedcalculationindesigningtheairhandlingprocessforanHVACsystem.Describesanewlydevelopedwholeyearsimulationmethodforestimatingtheoperationperformance,thepercentageofsatisfactionandenergyconsumptionofairhandlingprocesses,withwhichadesignercansimulatealargerangeofairhandlingprocessequipmentsuchascoolingandheatingcoils,underdifferentcontrolstrategiesandschemesindetail.Givesacasestudytodemonstratethepracticaluseofthismethod.Keywords　airhandling,equipmentscheme,all2operating2modeanalysis,simulation★TsinghuaUniversity,Beijing,China0　引言空气处理设备是为了满足室内热湿环境的需要,对送入室内的空气进行冷却、加热、除湿、加湿等处理的主要设备。空气处理设备的组成和运行方式决定了是否能够处理出室内需要的送风状态,从而直接影响系统所负责房间的室内热湿状况,同时空气处理过程会消耗大量的能量。因此空气处理设备的方案设计是空调系统设计过程中非常重要的一个环节,空气处理设备方案的选择直接决定了系统的运行效果和能耗。在进行空气处理设备的方案设计时,设计者需要解决以下问题:a)常见的空气处理设备包括混风室、表冷器、加湿器、加热器、喷淋室、带旁通的表冷器、二次混风室、显热回收器、全热回收器等,对于一个空调系☆燕达,男,1978年1月生,大学,在读博士研究生100084北京清华大学建筑学院建筑技术科学系(010)E2mail:yanda00@mails.收稿日期:20041128统,不可能需要上述全部设备,所以需要确定选用哪些设备;b)对选定的设备确定其相关参数,如选用几排的表冷器、供水温度多少、水量变化范围等等;c)采用什么样的运行方式,例如是固定新风量运行,还是可变新风量运行。在目前的空气处理设备方案设计中,一般依据工程经验选择需要的设备,然后选取冬夏两季各一个最不利工况点,在这两个工况下对空气处理设备进行选型并确定运行方式。这种单点设计方法存在着以下局限性:a)无法获知空气处理设备在全年各种工况下是否均能满足需要。按单点设计的方案只保证了设计工况满足要求,实际运行时,由于室外参数等因素随时间变化,空气处理设备绝大部分时间不是运行在设计工况下,因此不经过全工况的校核,无法获知也无法保证设计方案能否满足系统全年的需要。b)无法获知空气处理设备设计方案的能耗情况。由于空气处理设备在全年运行中将消耗大量的能源,因此设计者有可能采用新风热回收、可变新风等技术来降低能耗,为了评估节能措施的合理性和经济性,就需要对节能措施所能减少的全年累计能量消耗进行分析,而单点设计选取的最不利工况点的能耗无法代表全年空气处理设备的运行能耗,因此单点设计方法无法进行全年能耗分析。由于能否满足系统送风的温湿度要求和能耗情况如何是对一个空气处理设备的设计方案进行评价的两个主要考察点,而单点设计因存在上述的局限性,对选择的设备方案无法给出其全年运行状况和能耗情况,从而缺少选择方案的依据,无法保证设计方案的质量。为了保证设计质量,设计时应该考虑设备的全年运行状况及能耗,综合考察各设备在全年不同工况下的运行效果,这就需要对空气处理设备方案进行全年逐时的模拟分析。对空气处理设备方案进行模拟分析,即是对给定的方案进行全工况的逐时模拟分析,获得设计方案的运行效果(能否满足系统要求的送风温度、湿度,即满意率情况)和运行能耗。模拟的已知条件包括:空调系统的逐时送风量、送风状态点、回风状态点和新风状态点;空调系统的输入能源参数,如水温、水量变化范围,蒸汽量等;具体的空气处理设备的组合,如显热回收器+混风室+表冷器+加湿器+再热器;已选处理设备的相关参数,如表冷器型号、排数等;空气处理设备运行方式,如变新风量运行,新风量变化范围为从最小新风量到全新风。在上述已知条件基础上,空气处理方案的模拟需要解决的问题是:在已知的风量、水量、水温输入情况下,空气将被处理到什么状态,消耗的能量是多少。模拟工作具体可以分解为以下两个问题:a)建立各种空气处理设备的模型,模拟空气在经过该设备时的状态变化过程;b)在全年各个运行工况下,确定各个可以调节的空气处理设备参数,使得空气处理设备能够满足设计需要且能耗最小;例如对于选用了热回收设备的方案,模拟时需要确定各个时刻热回收设备是否开启;对新风量可变的方案,需要确定系统逐时运行新风量;对水量可调的系统,需要确定表冷器逐时所供的水量等等。本文首先简要介绍目前空气处理设备模拟的研究现状,然后详细阐述DeST在空气处理设备方案模拟中选用的模型与模拟方法,并结合实例进行说明。1　空气处理设备方案模拟的研究现状由于空气处理设备方案对能耗和系统运行产生重要影响,目前有不少与空气处理设备模拟相关的研究成果发表,而且大部分能耗模拟软件,例如美国的DOE22[1],EnergyPlus[2]和日本的HASP等,都支持空气处理设备的全年模拟计算。下面对DOE22中空气处理设备的模拟方法进行简要介绍。DOE22是美国能源部资助开发的建筑能耗模拟软件,该软件对空气处理设备进行模拟的主要思路如下:a)首先根据回风和新风的状况,确定可变新风系统的新风比令P=ttr,其中ts为送风温度,ta-a为室外干球温度,tr为回风温度。当新风控制原则选择为温度控制时,P大于最大新风比则系统的新风比取为系统最大新风比,P小于最小新风比则取最小新风比,其余情况系统新风比取为P。如果新风控制原则选择为焓值控制,根据回风温度tr和上一时刻的回风湿度计算出的回风焓值高于室外焓值时,系统新风比取为P。b)判断是否开启热回收装置当混风温度tm低于送风温度ts,且回风温度tr比室外干球温度ta高10℃时,开启热回收装置,其他情况下停止运行热回收装置。c)根据混风状态点和要求的送风状态点计算表冷器等设备的运行状况和能耗为了简化计算,DOE22中通过引入旁通风量比Cbf的方法来简化表冷器在部分负荷下工作的特性,Cbf代表了未通过表冷器处理的风量与总风量之比,在部分负荷工况下,Cbf可通过一个与入口空气的湿球温度、干球温度和送风量百分比相关的经验曲线计算得到。首先,由要求处理到的送风温度tex和计算得到的混风状态点(ten,den),以及旁通风量比Cbf=(ten-tex)/(ten-tsu),如图1所示,可以计算得到h2d图饱和线上盘管表面状态点(tsu,dsu)和送风含湿量dex。如果计算得到的送风含湿量dex无法满足室内湿度设定要求,则重新根据需图1　送风状态计算一要处理到的送风含湿量dex和混风状态点(ten,den),以及盘管的旁通风量比Cbf,如图2所示,得到h2d图的饱和线上对应的盘管表面状态点(tsu,dsu)和出口温度tout,并二次加热到送风状态点(tex,dex)。通过以上空气处理设备的处理过程和各空气图2　送风状态计算二状态点,可以确定设备的运行状况和能耗情况。由于采用了简化的处理方法和固定的系统组合方式,DOE22对空气处理设备进行全工况模拟存在着以下不足之处:a)在计算表冷器旁通风量比Cbf的经验曲线中,没有包括表冷器的特性参数,不考虑进水温度、水流速以及盘管排数等因素对空气处理过程的影响,无法正确反映盘管的空气处理过程。b)热回收器实际上只在冬季加热的工况下才使用,而没有考虑夏季热回收的工况。c)无法灵活地增加和模拟新的设备和新的设备组合。2　DeST空气处理设备模型及模拟方法为了建立一个通用的空气处理设备全工况模拟的模型,使之可以灵活适用于不同的设备组合,给出设计方案的满意状况和能耗情况,需要解决以下两个问题:一是建立各种空气处理设备的模型,模拟空气在经过该设备时的状态变化过程;二是确定在全年各个工况下的各个可以调节的空气处理设备参数,使得空气处理设备能够满足设计需要,且能耗最小。2.1　空气处理设备模型整个空气处理室作为一个整体进行模拟时,系统回风、新风的参数为已知,排风、送风的参数为待计算参数[3]。如空气处理设备的组合方式已确定,那么其中某一个具体设备的输入即为其前一个设备的出口空气参数,输出又作为下一个处理设备的输入。每一个设备的模型需要解决的问题即由其本身的结构参数、热工性能以及空气、水等热媒输入参数,计算出空气、水等热媒的输出参数以及设备消耗的冷热量。2.1.1　混风室　　混风室空气处理过程见图3,其中W点为新风点,R点为回风点。当混风阀连续可调,新风比可以在0～1范围变化时,混风点B在h2d图图3　混风室空气处理过程上沿着直线RW移动。混风室的进出口关系可以描述如下:tout=tWc+tR(1-c)dout=dWc+dR(1-c)式中　c为新风量和回风量的比例。在有热回收器时,新风的参数为热回收器的出口参数。2.1.2　表冷器表冷器的功能是冷却和除湿,其空气处理过程分干工况、湿工况两种,干工况只降温不除湿,如图4中14过程线;湿工况既降温又除湿,如图4中12的处理过程线。　　对确定的计算工况和选定的表冷器,已知条件如下:水量W、入口水温tw1、风量G、空气进口温图4　表冷器空气处理过程度t1、含湿量d1;迎风面积Fy、每排散热面积Fd、通水断面积fw,肋通系数a(每排肋管外表面积与迎风面积之比),肋管排数N。表冷器模拟即根据上述已知条件,计算表冷器的空气出口状态参数t2,d2,同时给出出水温度、表冷器消耗的冷量。因此表冷器模拟的实质是校核。表冷器进出口流体的状态变化可以用表冷器的全热交换效率和通用热交换效率表征[4]:全热交换效率定义:Eg=t1-tw1(1)通用热交换效率定义:E′=t1-t3,根据图4,△131′和△232′相似,有E′=t(1-t3=1-t1-t1s2)　　从定义式上可以看到,全热交换效率反映表冷器的热湿交换程度,在理想换热条件下,空气的出口温度能够达到水温,全热交换效率为1,而实际上,空气温度不会达到水温,全热交换效率均小于1。经过表冷器盘管的空气只有直接接触的部分会被除湿降温,达到饱和线状态,而其余部分的空气未被处理,降温除湿到饱和状态的空气与未被处理的空气混合,就使得表冷器出口空气状态点离开了饱和线。通用热交换效率反映表冷器对经过盘管的空气处理的比例,即在湿工况时,通用热交换效率反映空气出口状态点离饱和线的远近。对同种型式的表冷器,一般当排数较多时,空气与盘管接触较为完全,通用热交换效率较高,而排数少时,通用热交换效率较低。结合表冷器的设备特性参数和输入流体的参数,对表冷器的全热交换效率和通用热交换效率可作如下计算:全热交换效率Eg=1-γexp[-β(1-γ)](3)式中　β=ξGcp,Gcp是风量和空气比定压热容的乘积,F为表冷器总传热面积;γ=ξGcWcw,Wcw是水量和水的比热容的乘积;ξ为析湿因数,ξ=cp(t1-t2);Ks为表冷器传热系数,计算式为-1Ks=Av)ymξP+Bwn　(湿工况-1K=Av+n　　　(干工况)ymBw其中A,B,m,P,n均为已知系数(根据选择的具体表冷器型号获得),vy为表冷器迎面风速,vy=F,F为迎风面积;w为表冷器水流速,w=yρyf,fW为通水断面积。w×103通用热交换效率计算式:E′=1-exp()(vyρcp)(4)式中　αw为表冷器外表面传热系数,与表冷器迎面风速vy有关;a为肋通系数;N为表冷器排数。从空气处理过程来看,表冷器能够达到的全热交换效率、通用热交换效率和由进出口流体状态变化表征的的全热交换效率、通用热交换效率必然相等;而空气放出的热量必然等于冷水吸收的热量,由此综合式(1)～(4),可得方程组:Eg=1-γexp[-β(1-γ)]=t1-tw1E′=1-exp(α)(vyρcp)=1-t1-t1sG(h1-h2)=Wcw(tw2-tw1)　　此方程组未知数为t2,t2s,tw2,与方程个数相同,通过试算(假定t2)可以求得方程组的解,从而得到空气出口温度、含湿量以及出口水温、表冷器消耗冷量等。2.1.3　加热器常用的加热器有热水加热器和电加热器,它们的共同特点是与空气只有显热交换而没有湿交换,因此在h2d图上的处理过程线为等湿线,即dout=din。加热器的计算同样是校核问题,已知水量W、水温tw1、风量G、输入空气温度t1、含湿量d1,需求出空气出口温度和加热量。加热器所能达到的干球温度效率的计算式与表冷器计算中式(1)类似[4],但其β=Gcp,γ=GcWc,Kg为加热器的传热系数,可由具体加热器型w号拟合公式计算。对于热水盘管加热器,以进出口流体状态变化表征的干球温度效率如下:E=gt1-t()w15　　t1,t2分别为加热器进出口空气干球温度;tw1为热水供水温度。由式(5)和Eg的计算式相等,可计算空气出口温度t2和加热量Q=Gcp(t1-t2)。2.1.4　蒸汽加湿器蒸汽加湿器将蒸汽直接喷入空气中以达到增加空气含湿量的目的,其空气处理过程可近似看作沿等温线加湿,即tout=tin,dout可以根据加湿器的输出量计算得到,最大可以到100%的相对湿度。见图5,图中1点为输入空气状态点,2点为空气含湿量最大可达到的点(相对湿度100%),当蒸汽加湿器的输出可调且容量足图5　蒸汽加湿器空气处理过程够大时,空气可以处理到12过程线的任意点。2.1.5二次回风室二次回风室将经表冷器处理过的一次风和回风混合以调整送风点的状态参数。图6中S点为已由空气处理设备处理过的一次风状态点,R点为回风点,一次风和回风按比例c混合到B点,输入输出的关系描述为tout=tSc+tR(1-c)dout=dSc+dR(1-c)2.1.6显热回收器显热回收器的作用是回收排风中的显热量。显热回收器的换热效果由其温度换图6　二次回风室空气处理过程热效率ηt决定,其值与新风量、排风量大小有关,可以由所选设备参数获得,排风温度记为tE,进出口参数关系描述如下[5]:dout=dintout=tin-ηt(tin-tE)2.1.7　全热回收器全热回收器同时回收排风中的热量和湿量。其进出口关系可以由温度效率ηt和湿度效率ηd表达,效率值与新风量、排风量大小有关,可以由所选设备参数获得,描述为[5]:tout=tin-ηt(tin-tE)dout=din-ηd(din-dE)　　其中dE为排风含湿量。2.1.8　带旁通的表冷器如图7,带旁通的表冷器可将经过表冷器处理的空气与未处理的空气混合,从而达到提高送风相对湿度并减少二次再热的目的。表冷器把部分空气由M点处理到O点,然后与未处理的M状态点空气混合,处理过程线如图8,B点为最图7　旁通表冷器示意终的输出点。混风阀可以调节经过表冷器与不经过表冷器的风量比例,因此设备的输出点可以沿着直线MO变化。根据空图8　带旁通的表冷器空气处理过程气输入状态的参数tin,din,通过表冷器计算,可以包含各类专业文献、高等教育、行业资料、幼儿教育、小学教育、应用写作文书、各类资格考试、建筑环境设计模拟分析软件DeST
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详细说明Explain
空气处理机组（基本型）&&风系统&&空气处理设备
思科国祥空气处理机组采用我公司新研制开发的一种新型铝合金框架结构，机组主要由过滤器、热交换器、风机、电机等部分组成，可满足多种余压、多种冷热量多种出风形式的要求，机组结构紧凑，重量轻，制冷制热性能优越。
空气处理机组根据功能段组合及结构形式不同，可分为如下四种形式:立式机组、卧式A型、卧式B型、卧式C型，机组风量从m 3/h。机组运行稳定，噪音低，整体性能优越，可以广泛应用于宾馆、商场、办公楼、体育场馆、地铁等需要对空气进行处理的场合。
机组型号表示方法
SKW T-150C 4L-3. 5H-C
表示SKW T卧式空气处理机组，机组风量为15000m 3/h，表冷器排数为4排，机组接管方向为左接，机外余压350Pa，回风工况，机组形式为卧式C型(混合+初、中效过滤+盘管十风机)。
机组左右式判断
面对盘管进风侧，盘管进出水管位于左侧的为左接管，盘管进出水管位于右侧的为右接管。
下图机组为右接管。
机组箱体采用铝合金边框及无冷桥概念设计，双层面板通过特制铝合金边框发泡而成，箱体内表面光滑平整，不易积灰滋菌，有利于提高处理空气的品质，适用于具有净化要求的使用场合。
面板采用无冷桥设计，双层三明治夹心结构，标准配置双面彩钢板(内、外层钢板均为彩钢板)。发泡面板厚度达25m m，可有效防止冷量传递。面板内部采用聚氨脂发泡材料，发泡密度为48kg/m3。
面板与面板直接拼装，面板接触处采用双层密封材料进行密封，密封材料良好的弹性和双层密封设计可确保箱体无论在正压或负压条件下均具有良好的密封效果。
表冷盘管采用无缝紫铜管及纯铝翅片经12M Pa水压胀管使铜管与翅片紧密结合而成，确保最小的接触热阻以发挥最大的传热效率。
盘管标准备有4排、6排、8排可供选择，铝翅片标准为2.5mm，亦可提供其他片距规格。
思科国祥拥有独立开发的专业盘管电脑选型软件，盘管电脑选型计算程式可根据客户不同需求工况对盘管的排数、片距、回路数等参数进行最优化设计，以确保满足实际使用需求。
表冷盘管下设有水盘，采用干式设计，保证冷凝水顺利排放。水盘外部敷有PE保温以阻止冷凝水生成。
机组外部通风截面上最大限度地布置过滤器，有效降低过滤器的迎面风速，提高过滤器的使用寿命以降低运行费用。
采用DIDW双进风，双宽距高效低噪离心风机，风机轴承选用名牌产品，具备自调心及自锁紧功能。风机动平衡精度达到G4.0，大幅延长轴承的使用寿命。
风机选型软件可依据实际运行条件选择高效率风机，确保风机在高效节能的“工况”点下运行。风机整组置于减震支架上，并通过高强度阻燃型挠性接头与箱体连接。
标准采用V型皮带传动结构，并使用Taper& Lock紧箍衬套的皮带轮及进口窄V带，窄、
V带的宽斜面结构使其比普通V带具有更高的传动效率和使用寿命。
采用三相鼠笼式交流电机，IP54防护等级，F级绝缘。电机置于风机段内部，并与风机通过专用防震垫共同置于减震支架上。电机底部设有调整装置，可轻易调整皮带松紧程度。
制冷性能参数表
1、制冷工况:进水温度7℃，出水温度12℃;进风干球温度27℃,湿球温度19.5℃。
2、制热工况:进水温度60℃;进风干球温度21℃。
3、以上参数供参考，若进风工况、进出水温度等参数变化导致冷热量不同，具体数据请与思科国祥联系。
4、卧式B型、卧式C型机组含新、回风混合段，混合工况冷量需根据项目实际需求计算，具体参数请与思科国祥联系。
1、制冷工况:进水温度7℃，出水温度12℃;进风干球温度35℃,湿球温度28℃。
2、制热工况:进水温度60℃;进风干球温度21℃。
3、以上参数供参考，若进风工况、进出水温度等参数变化导致冷热量不同，具体数据请与思科国祥联系。
4、卧式B型、卧式C型机组含新、回风混合段，混合工况冷量需根据项目实际需求计算，具体参数请与思科国祥联系。
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