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[2018-05-24]照明、暖通空调与冷凝:效能升级如何引发现有系统的连锁反应


照明、暖通空调与冷凝:效能升级如何引发现有系统的连锁反应

/玛丽·欧布伦·阿齐亚妮

 

更换建筑中陈旧的照明设备能减少能耗成本与企业的碳排放量,从而促进利润增长而为股东谋取利益。更换照明设备除了能够减少照明所需的电力之外,还能侧面降低暖通空调系统(HVAC)的工作负荷。更小的工作负荷又减少了一定空间内制冷所需的能源耗用。

虽然整体上来看这是件好事,但是当照明系统能耗下降的时候,某些暖通空调系统却会因此受到负面影响。由于照明系统能耗降低造成暖通空调系统的功率间接被“过度提高”,没有湿度控制系统的暖通空调设备可能无法移除预定量的水分,这会导致空气湿度高于预期值,并引发一系列诸如不必要的冷凝过程以及霉菌生长等情形,使得设施经理们好奇:为什么之前湿度从未出现过问题而现在麻烦却接踵而至?

上述湿度问题多出现在恒风量空调系统中,但变风量(VAV)空调系统也可能受到影响。安装变风量空调系统的建筑多使用再加热盘管,此时照明系统的更新换代并不一定能达到预期的节能效果。即使处在最低功耗下,由于空调终端单元(送风风口)的功率也会被间接“过度提高”,再加热系统将被频繁使用,导致能源消耗增加。而变风量空调如果不使用再加热系统则会导致空间的制冷效果过强,从而引起设施使用者的不满。暖通空调系统和变风量系统的这种矛盾虽然可能有效解决,但需要在计划升级照明系统的最初就加以考虑和规划。

冷气系统的功率与运行

若想深入了解为何功率过大的冷气系统反而会造成麻烦,首先要了解冷气系统是如何设计与运行的。要想达到室温恒定且舒适的效果,任何从外界传递而来的或在室内产生的热量要被有效移除,同时外界传递或室内产生的湿气也要随之转移。这样温度才会随温度的降低而降低,保持在一个让人体舒适的范围内。

用一个开放的办公空间来做个简要说明:天气炎热时,外界热量通过诸如门窗、墙体以及屋顶传导入屋内。而屋内的使用人和电脑、打印机、复印机和照明设备等也自行产生热量。湿气则随着空气流通和开放的门窗及缝隙处进入室内。某些建筑结构如果没有防潮层,湿气还有可能从墙壁或地板直接渗入。

空间内的设施使用者以及任何产生蒸汽或者存在水汽蒸发的构成都会产生湿气,像茶水间水槽流动的自来水、咖啡壶甚至是鱼缸都是湿气来源。对于多数办公空间来说,空间内产生的湿气量相当少,而大部分湿气来自空气对流以及自然渗入。在其他像餐厅或有跑步机椭圆健身机的健身房空间中,空间内产生的湿气才会占主导。

为了维持特定空间内适宜的温度与相对湿度,空调系统会引入被冷却及除湿后的空气。这些空气在进入室内后会“吸收”足量的热量与湿气,最终使室内保持适宜的温度和湿度。(虽然在热传导过程中“吸收”这个词汇并不确切,但可以使读者更易理解)。

空调系统到底需要引入多少冷却及除湿后的空气,需要视空间内预定吸收热量的多少而定;而空间内被吸收湿气的量则由上述引入空气的量所决定。暖通空调系统就是这样将室内所需引入空气的量计算出来的。

恒风量空调系统

一栋建筑的分区通常具有相似的热吸收特性。仍以前述的单层办公楼举例,这层办公楼至少有五个分区——每个分区对应一个方向——北、南、东和西,还有一个在中央的内部区域。这种多区域的环境可以选用多个暖通空调系统分别进行调温。

单式空调系统由一个加装了直接蒸发式(DX)盘管的吊顶暖通空调单元、压缩机和冷凝器组成,这些结构单元拥有一个共同热源。上述恒风量单元在小型建筑中较为常见,且通常只用来调控单一建筑区域的温度。传统上,当室内空间温度高于恒温器预设的温度时,单式空调系统会由一个连接至制冷系统(蒸发器、压缩机和冷凝器)的独立恒温装置所控制。

每当制冷系统运行且各结构单元处于制冷模式时,室内的湿气随着空气流动而被带往室外。暖通空调系统中的制冷蒸发盘管则将空气流中带走的湿气冷凝成水滴排出,从而使室内的湿度降低。不巧的是当室内温度低于预设温度时,制冷系统停止运作,室内的湿气因而不能继续被移出室外。如果室内空间本向产生的湿气较多的话,由于积累的湿气不能持续排出,将会导致室内湿度过高。越是功率强劲的暖通空调系统所需的制冷时间就越短,而湿气累积的时间则会相对延长。这种现象有时被称作“短期循环”。

与单式空调系统类似,恒风量风机盘管系统在功率过于强劲的情况下也会出现类似问题。与单式空调单元不同的是,风机盘管单元并不依赖制冷系统来制冷,而是利用盘管中循环的过冷水制冷。因此恒风量风机盘管系统没有控制制冷系统的恒温器,只有一个可以调节过冷水进入盘管的阀门。单式与恒风量风机盘管系统的相似点是:只有在盘管处于制冷状态下,室内湿气才会随气流排出。

室内空间照明系统的放热量对于空调系统功率的影响不容忽视。在20世纪中期,照明系统的平均放热功率为每平方英尺3瓦。当现代高能效照明系统如LED设备替代了老式照明设备时,平均放热功率可以降至每平方英尺1瓦甚至更低。如果出现了照明系统的更新系统,一个原本适合每平方英尺3瓦放热功率的恒风量暖通空调设备将会突然变得“功率过高”而出现“短期循环”。在许多室内空间中“短期循环”也许不会造成很大麻烦。设施使用者也可能无法察觉异样,但在某些(自己产生湿气的)其他空间,湿度问题可能会逐渐显露并变得愈发严重。

公共餐厅便是一个很有可能出现湿度问题的地方。热食产生的蒸气、大量往来的食客、厨房区域不完全蒸发出的水汽都加剧了湿气的聚集。这里的暖通空调系统功率大多匹配配满座时的情况;在上座率未满的情况下暖通空调设备其实一直处于“功率过高”的状态。加之使用了新型的能效较高的照明系统取代老旧照明系统,放热功率的降低进一步使暖通空调设备的功率“提升”。这种状态下空调单元会迅速降低室温到预定温度并进入短期循环,湿气无法排出而造成空间内相对湿度和露点持续升高。

这些湿气的堆积经常造成金属送风口以及散热器上冷凝液滴的生成。这是由于暖通空调设备单元仍处于制冷模式,制冷系统仍在持续运转并持续输送约55华氏度(约12.8摄氏度)的风力。当一个密闭空间温度为75华氏度(约23.8摄氏度)而相对湿度为50%的时候,露点仅比55华氏度低一点。如果同样条件下相对湿度提升至60%,那么露点会略高于60华氏度(约15.6摄氏度)。这意味着任何温度低于60华氏度(露点)的表面都会造成水汽凝结。某些情况下送风口/散热器上的冷凝水会滴落,而有时散热器传递的冷气会间接降温其所在的屋顶区域,造成该区域也出现水汽凝结,进而滋生霉菌。如果室内的管道裸露而又未进行必要的热绝缘,温度较低的管道也会出现冷凝水滴落的现象。

变风量空调系统

虽然恒风量暖通空调系统更容易因照明系统更新换代而出现上述的隐性问题,变风量空调(VAV)系统也不能独善其身。变风量系统基于恒温器能够调节向特定空间的送风量。如果恒温器感受到温度需要继续降低,变风量箱或者终端单元将向空间内输送更多的冷空气,反之则输送更少的冷空气。因为变风量箱始终需要输送最小量的空气以做通风用,因此它始终不会完全封闭。这些终端单元或根据空间内需要吸收的热量总值来提供最大送风量。如果照明功率大幅下降的话,变风量空调系统所提供的最小送风量也可能导致空间内制冷过强,引起设施使用者的不适。

某些变风量空调系统含有再加热盘管。这些盘管通过再加热空气来有效防止上文所述的制冷过强问题。这种情况实际上就是以再加热盘管所提供的热量去弥补照明系统更新所节约的热量:一方面新的照明系统通过省电高效的方式节约了能源,另一方面在加热盘管时为了加热空气防止制冷过强又消耗了能源。这种潜在的浪费因素也许是最难以发现的,因为表面上不会有什么迹象发生,设施使用者也不会因此提出诉求。

结论与建议

在很短的时间里节能照明系统已经得到了长足发展。在20世纪80年代末,凹槽式白炽灯箱加T12型荧光灯成为建筑照明的标配。这些老式照明灯具产生的热量通常在空调应移除总热量中占很大比重。当建筑中有进行照明系统更新换代的计划时,应当仔细考察计划内区域的暖通空调系统是否会因此产生负面影响。对于许多建筑区域,考察后的结果可以论证原有的暖通空调系统是否依然适合。如若发现某些区域的暖通空调系统因照明系统升级而出现可能的负面影响,应当及时校调该系统以防止文中所述的后果出现。

 


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