公共建筑過渡季通風(fēng)需求與空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)對(duì)策分析*

綠色建筑與人居環(huán)境營(yíng)造教育部國(guó)際合作聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室 國(guó)家級(jí)低碳綠色建筑

國(guó)際聯(lián)合研究中心 重慶大學(xué) 丁 勇☆ 徐浩森 劉洋伶 劉凰君

0 引言

良好的室內(nèi)空氣環(huán)境需要滿足室內(nèi)人員對(duì)新鮮空氣的需要、保證室內(nèi)人員的熱舒適、保證室內(nèi)污染物濃度不超標(biāo)，而通風(fēng)可以直接對(duì)室內(nèi)空氣質(zhì)量產(chǎn)生影響，為室內(nèi)人員營(yíng)造健康環(huán)境。通風(fēng)的溫度和通風(fēng)量會(huì)對(duì)室內(nèi)氣流形態(tài)和污染物濃度產(chǎn)生較大影響[1-3]，因此，營(yíng)造良好的室內(nèi)空氣環(huán)境，通常需要合理的通風(fēng)氣流組織。

常見的室內(nèi)空氣環(huán)境營(yíng)造方法主要包括利用自然手段來(lái)促使空氣流動(dòng)而進(jìn)行的自然通風(fēng)，以及利用機(jī)械手段產(chǎn)生壓力差來(lái)實(shí)現(xiàn)空氣流動(dòng)的機(jī)械通風(fēng)[4]。機(jī)械通風(fēng)與自然通風(fēng)相比可控性更強(qiáng)，因此公共建筑均設(shè)計(jì)有新風(fēng)系統(tǒng)，通過機(jī)械通風(fēng)的方式引入室外新風(fēng)以保障室內(nèi)空氣質(zhì)量。在過渡季，空調(diào)系統(tǒng)還可以采用全新風(fēng)通風(fēng)模式替代空調(diào)模式，為室內(nèi)創(chuàng)造舒適的熱環(huán)境[5-6]，且能有效減少建筑能耗[7-10]。

由于空調(diào)期的新風(fēng)供應(yīng)量與過渡季消除室內(nèi)余熱的通風(fēng)量存在基本原則的不同，因此，二者可能存在較大的差異。這就給公共建筑中2種情況下的通風(fēng)系統(tǒng)需求與匹配提出了問題。而對(duì)于二者之間關(guān)系的研究目前相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道較少，相關(guān)研究主要集中在：由于氣象條件及建筑類型等原因，過渡季通風(fēng)量不易計(jì)算，給出了過渡季設(shè)計(jì)通風(fēng)量的計(jì)算指標(biāo)[11]；指出在目前公共建筑通風(fēng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)不足的基礎(chǔ)上，通風(fēng)設(shè)計(jì)可以采取自然通風(fēng)為主體、機(jī)械通風(fēng)為補(bǔ)充的設(shè)計(jì)原則，來(lái)滿足建筑室內(nèi)需求[12]。但均未就系統(tǒng)對(duì)2種通風(fēng)需求的響應(yīng)存在的差異進(jìn)行明確分析。

本文通過對(duì)實(shí)際項(xiàng)目的空調(diào)通風(fēng)設(shè)計(jì)情況進(jìn)行調(diào)研，整理分析了當(dāng)前公共建筑主要的通風(fēng)設(shè)計(jì)狀況；在此基礎(chǔ)上，采用數(shù)值分析的方法，分析了基于過渡季余熱消除的通風(fēng)需求。依托調(diào)研和分析結(jié)果，針對(duì)現(xiàn)行設(shè)計(jì)要求下的通風(fēng)系統(tǒng)，分析了過渡季實(shí)施全新風(fēng)通風(fēng)存在的問題，探索空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中改善室內(nèi)空氣環(huán)境的解決方案。

1 公共建筑通風(fēng)設(shè)計(jì)情況

1.1 公共建筑室內(nèi)通風(fēng)要求

目前公共建筑常采用半集中式空調(diào)系統(tǒng)與集中式空調(diào)系統(tǒng)。半集中式空調(diào)系統(tǒng)形式為室內(nèi)熱濕處理系統(tǒng)加新風(fēng)系統(tǒng)，新風(fēng)通道斷面較?。患惺娇照{(diào)系統(tǒng)是指常用的低速單風(fēng)道全空氣系統(tǒng)，將空氣集中處理后送入房間，其風(fēng)道斷面大[13]。相較于半集中式空調(diào)系統(tǒng)僅考慮新風(fēng)量進(jìn)行新風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，集中式空調(diào)系統(tǒng)按照送風(fēng)量進(jìn)行送風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。鑒于兩者設(shè)計(jì)風(fēng)量不同帶來(lái)的過渡季風(fēng)管適應(yīng)性差異，在現(xiàn)有系統(tǒng)與過渡季消除余熱需求間的匹配性上對(duì)兩者分別進(jìn)行分析。

現(xiàn)有公共建筑新風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，出于建筑空間需求、建造經(jīng)濟(jì)成本等的考慮，往往按照最小新風(fēng)量進(jìn)行新風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。新風(fēng)即引入室內(nèi)的室外空氣，建筑室內(nèi)新風(fēng)量取值的考慮因素主要包括污染物的散發(fā)量、室內(nèi)污染物允許濃度、污染物入室濃度和通風(fēng)效率等[14]；最小新風(fēng)量是為滿足衛(wèi)生方面的最低需要，單位時(shí)間引入房間或系統(tǒng)的新鮮空氣量[15]。參照相關(guān)資料及規(guī)范規(guī)定，總結(jié)得到公共建筑人員所需最小新風(fēng)量，如表1所示。

表1 公共建筑人員所需最小新風(fēng)量 m3/(人·h)

1.2 公共建筑現(xiàn)有空調(diào)系統(tǒng)通風(fēng)換氣情況

針對(duì)重慶市18個(gè)公共建筑的通風(fēng)換氣情況進(jìn)行調(diào)研，得到不同性質(zhì)房間新風(fēng)換氣次數(shù)范圍，如表2所示，房間換氣次數(shù)分布情況如圖1、2所示。

表2 公共建筑新風(fēng)換氣次數(shù)調(diào)研結(jié)果 h-1

圖1 半集中式空調(diào)系統(tǒng)典型房間新風(fēng)換氣次數(shù)分布

圖2 集中式空調(diào)系統(tǒng)典型房間新風(fēng)換氣次數(shù)分布

2 公共建筑過渡季所需通風(fēng)量

2.1 半集中式空調(diào)系統(tǒng)通風(fēng)量模擬計(jì)算

通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有別于空調(diào)新風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，確定室內(nèi)全面換氣量時(shí)，需要考慮消除室內(nèi)余熱所需換氣量、消除室內(nèi)余濕所需換氣量、稀釋室內(nèi)污染物所需換氣量；對(duì)于同時(shí)存在余熱、余濕且有污染物散發(fā)的建筑，取三者的最大值。對(duì)公共建筑通風(fēng)季降溫通風(fēng)而言，消除室內(nèi)余濕和稀釋公共建筑室內(nèi)污染物散發(fā)量所需換氣量較小，因此主要考慮消除余熱的要求[12]。

以重慶地區(qū)通風(fēng)季(4月1日至6月15日、9月15日至11月15日)的室外逐時(shí)溫度來(lái)考慮，結(jié)合適用于重慶地區(qū)非供暖空調(diào)建筑的室內(nèi)熱環(huán)境可接受溫度范圍[16]，重慶市通風(fēng)季室內(nèi)通風(fēng)設(shè)計(jì)溫度范圍為24～28 ℃，通過DeST軟件進(jìn)行某辦公樓過渡季最不利時(shí)段5月和9月的余熱量計(jì)算，室內(nèi)溫度設(shè)定為26 ℃。

選擇18個(gè)辦公房間作為樣本，各房間的實(shí)際設(shè)計(jì)情況如表3所示。

表3 某辦公樓半集中式空調(diào)系統(tǒng)不同房間基本情況

計(jì)算結(jié)果如圖3所示，所選18個(gè)樣本房間單位面積余熱量在20～60 W/m2之間。

圖3 樣本房間過渡季單位面積余熱量

根據(jù)計(jì)算得到的房間余熱量，采用去除房間余熱的全面通風(fēng)換氣公式[17]計(jì)算室內(nèi)需求總風(fēng)量：

(1)

式中G為需求通風(fēng)量，m3/s；Q為室內(nèi)余熱量，kW；cp為空氣比定壓熱容，kJ/(kg·℃)，取1.01 kJ/(kg·℃)；ρ為空氣密度，kg/m3，取1.2 kg/m3；tp、tj分別為排風(fēng)、進(jìn)風(fēng)溫度，℃，tj取室外月平均溫度，tp取體感溫度。

按照式(1)計(jì)算最不利時(shí)段9月18個(gè)樣本房間的過渡季需求風(fēng)量，結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同單位面積余熱量下的通風(fēng)換氣次數(shù)

對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行整理，發(fā)現(xiàn)各類型房間的通風(fēng)換氣次數(shù)有一定規(guī)律性：?jiǎn)挝幻娣e余熱量小于等于40 W/m2的房間，通風(fēng)換氣次數(shù)在12～15 h-1之間；單位面積余熱量為40～60 W/m2的房間，通風(fēng)換氣次數(shù)在15～22 h-1之間。14號(hào)與15號(hào)房間分別為會(huì)議室和辦公室，同類型房間數(shù)量最多，具有代表性，分析表明，會(huì)議室機(jī)械通風(fēng)最大換氣次數(shù)為21 h-1，辦公室為13 h-1。

2.2 集中式空調(diào)系統(tǒng)通風(fēng)量模擬計(jì)算

對(duì)另一商業(yè)樓集中式空調(diào)系統(tǒng)采用同樣方法進(jìn)行分析計(jì)算，其原有空調(diào)系統(tǒng)新風(fēng)設(shè)計(jì)參數(shù)如表4所示。

表4 某商業(yè)樓集中式空調(diào)系統(tǒng)不同功能房間的新風(fēng)設(shè)計(jì)參數(shù)

室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)范圍為24～28 ℃，以1 ℃為間隔，分別計(jì)算室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度為24、25、26、27、28 ℃時(shí)各個(gè)房間的余熱量指標(biāo)與通風(fēng)換氣次數(shù)。余熱量指標(biāo)計(jì)算結(jié)果如表5所示，通風(fēng)換氣次數(shù)計(jì)算結(jié)果如表6所示。整體而言，消除室內(nèi)余熱的需求通風(fēng)量與室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度呈明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系，室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度越高，需求風(fēng)量越小。室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度在26～28 ℃范圍內(nèi)時(shí)，5個(gè)房間的需求通風(fēng)換氣次數(shù)均小于15 h-1；室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度為25 ℃時(shí)，咖啡廳需求換氣次數(shù)突破15 h-1，影視廳達(dá)到20 h-1以上；如果按照當(dāng)前多數(shù)房間的室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度24 ℃考慮，需求通風(fēng)換氣次數(shù)將普遍高于20 h-1。

表5 房間余熱量指標(biāo) W/m2

表6 全面通風(fēng)需求換氣次數(shù)計(jì)算結(jié)果 h-1

2.3 現(xiàn)行通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)滿足性判斷

從空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)可提供的新風(fēng)量角度來(lái)看，根據(jù)上述調(diào)研結(jié)果與通風(fēng)量需求計(jì)算結(jié)果可知，公共建筑在過渡季為消除房間余熱所需的通風(fēng)量遠(yuǎn)大于現(xiàn)有新風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)新風(fēng)量，這使得公共建筑現(xiàn)有新風(fēng)系統(tǒng)無(wú)法滿足過渡季消除房間余熱的需求。

以現(xiàn)行系統(tǒng)風(fēng)管設(shè)計(jì)來(lái)看，對(duì)于半集中式系統(tǒng)，以某辦公樓半集中式空調(diào)系統(tǒng)中新風(fēng)系統(tǒng)為例，根據(jù)計(jì)算，該系統(tǒng)過渡季總換氣量為13 172 m3/h，單個(gè)辦公室換氣量為2 371 m3/h，結(jié)合表7中推薦流速計(jì)算得到干管尺寸為1 250 mm×500 mm，對(duì)應(yīng)風(fēng)速為5.85 m/s，支管尺寸為630 mm×250 mm，對(duì)應(yīng)風(fēng)速為4.18 m/s，管道尺寸變化較大，原有建筑空間較難滿足。建筑通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)選用高、低風(fēng)量分別為1 000 m3/h和800 m3/h的風(fēng)機(jī)，主管尺寸為200 mm×160 mm，支管尺寸為160 mm×120 mm，若采用現(xiàn)有管道，此時(shí)干管風(fēng)速將達(dá)到114.34 m/s，支管風(fēng)速為34.3 m/s，顯然不能正常運(yùn)行。因此現(xiàn)行通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)無(wú)法滿足過渡季機(jī)械通風(fēng)需求。

對(duì)于集中式系統(tǒng)，由于本身的空調(diào)風(fēng)量較大，其所呈現(xiàn)出的情況又有所不同。以某商業(yè)樓集中式空調(diào)系統(tǒng)為例，針對(duì)建筑中采用全空氣系統(tǒng)的健身房，干管尺寸在400 mm×320 mm至800 mm×400 mm之間，支管尺寸為400 mm×320 mm，風(fēng)口尺寸為400 mm×400 mm。結(jié)合風(fēng)管及風(fēng)口尺寸，根據(jù)不同溫度下的需求風(fēng)量計(jì)算得到的風(fēng)速見表8?？梢钥闯觯涸谑覂?nèi)設(shè)計(jì)溫度為25 ℃時(shí)，原有通風(fēng)管道管內(nèi)風(fēng)速與推薦風(fēng)速較為接近，能夠滿足系統(tǒng)需求，現(xiàn)有系統(tǒng)與過渡季消除余熱需求間具有較好的匹配性；室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度上升為26 ℃時(shí)接近程度次之；室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度為24 ℃時(shí)，由于此時(shí)通風(fēng)需求風(fēng)量過大，導(dǎo)致管內(nèi)風(fēng)速過大而超過規(guī)范限值，帶來(lái)系統(tǒng)運(yùn)行能耗增加及管道噪聲問題；室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度為27 ℃與28 ℃時(shí)則與之相反，雖然風(fēng)速在規(guī)范限值范圍內(nèi)，但需求風(fēng)量較小，管內(nèi)風(fēng)速較小，帶來(lái)系統(tǒng)送風(fēng)動(dòng)力不足無(wú)法有效通風(fēng)的問題。

表7 風(fēng)管空氣流速[18]

表8 健身房既有管道系統(tǒng)承載需求風(fēng)量時(shí)的風(fēng)速計(jì)算結(jié)果

3 空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要素分析

3.1 通風(fēng)量設(shè)計(jì)計(jì)算

根據(jù)上述分析可見，在空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，針對(duì)系統(tǒng)的通風(fēng)量，如果僅僅以新風(fēng)量來(lái)考慮，將難以滿足過渡季消除室內(nèi)余熱的需要。因此，空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)過渡季的通風(fēng)量，應(yīng)從消除建筑室內(nèi)余熱的角度考慮。分析表明，在不同室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度下，房間需求通風(fēng)量存在明顯不同，室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度為24 ℃與28 ℃時(shí)的需求風(fēng)量相差可以達(dá)到5倍左右，因此在通風(fēng)量設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)需選取合適的室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度，確保系統(tǒng)能夠有效運(yùn)行。

3.2 空調(diào)系統(tǒng)形式

在空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，由半集中式空調(diào)系統(tǒng)與集中式空調(diào)系統(tǒng)的分析可知：對(duì)于半集中式空調(diào)系統(tǒng)，由于新風(fēng)系統(tǒng)主要承擔(dān)室內(nèi)人員換氣、稀釋污染物的功能，新風(fēng)量往往較房間整體送風(fēng)量小，新風(fēng)管道尺寸較小，難以實(shí)現(xiàn)在過渡季采用全新風(fēng)的形式消除室內(nèi)余熱；此時(shí)，設(shè)計(jì)時(shí)需要兼顧通風(fēng)需求，進(jìn)行合理的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。對(duì)于集中式空調(diào)系統(tǒng)，由于系統(tǒng)本身是采用全空氣的形式消除室內(nèi)余熱，因此在原有送風(fēng)管道的設(shè)計(jì)上已有條件實(shí)現(xiàn)過渡季全新風(fēng)運(yùn)行，設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮兼顧空調(diào)和通風(fēng)2種狀態(tài)下的風(fēng)機(jī)風(fēng)量問題，其中，重點(diǎn)應(yīng)針對(duì)過渡季室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度進(jìn)行考慮，以確定能夠與現(xiàn)行系統(tǒng)相適合的通風(fēng)換氣量。

4 結(jié)論

1) 根據(jù)實(shí)際工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)資料調(diào)研和計(jì)算分析，現(xiàn)有公共建筑中的空調(diào)系統(tǒng)，其新風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)新風(fēng)量主要是從滿足室內(nèi)衛(wèi)生需求來(lái)考慮，使得系統(tǒng)可提供的通風(fēng)量較小，房間換氣次數(shù)在0.1～3.5 h-1之間；過渡季全新風(fēng)通風(fēng)的主要目的在于消除室內(nèi)余熱，所需通風(fēng)量較大，合適的房間換氣次數(shù)在7～22 h-1之間?？梢妰烧卟町愝^大。

2) 對(duì)于公共建筑中半集中式空調(diào)系統(tǒng)，由于設(shè)計(jì)新風(fēng)量較小，使得新風(fēng)系統(tǒng)管道較小，而過渡季為消除室內(nèi)余熱所需通風(fēng)量較大，現(xiàn)行設(shè)計(jì)下的系統(tǒng)難以滿足過渡季全新風(fēng)通風(fēng)以消除室內(nèi)余熱的需求，這是過渡季利用新風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行有效通風(fēng)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮的問題。半集中式空調(diào)系統(tǒng)可考慮利用建筑條件，采用機(jī)械通風(fēng)加自然通風(fēng)的復(fù)合通風(fēng)形式，在過渡季改善室內(nèi)環(huán)境。對(duì)于集中式空調(diào)系統(tǒng)，由于設(shè)計(jì)時(shí)系統(tǒng)送風(fēng)量較大，系統(tǒng)管道較大，因此系統(tǒng)能否滿足過渡季消除室內(nèi)余熱需求取決于過渡季室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度的選取及新風(fēng)機(jī)風(fēng)量，在允許范圍內(nèi)選擇合適的室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度、采取適當(dāng)?shù)娘L(fēng)機(jī)策略，系統(tǒng)將具有兼容性。

對(duì)于其他地區(qū)，可參照本文思路在公共建筑過渡季通風(fēng)需求與空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)對(duì)策上，結(jié)合當(dāng)?shù)毓步ㄖ?xiàng)目設(shè)計(jì)情況及過渡季消除余熱的需求進(jìn)行分析。