綠色建筑與人居環(huán)境營造教育部國際合作聯(lián)合實驗室 國家級低碳綠色建筑

國際聯(lián)合研究中心 重慶大學 丁 勇☆ 徐浩森 劉洋伶 劉凰君

0 引言

良好的室內空氣環(huán)境需要滿足室內人員對新鮮空氣的需要、保證室內人員的熱舒適、保證室內污染物濃度不超標，而通風可以直接對室內空氣質量產生影響，為室內人員營造健康環(huán)境。通風的溫度和通風量會對室內氣流形態(tài)和污染物濃度產生較大影響[1-3]，因此，營造良好的室內空氣環(huán)境，通常需要合理的通風氣流組織。

常見的室內空氣環(huán)境營造方法主要包括利用自然手段來促使空氣流動而進行的自然通風，以及利用機械手段產生壓力差來實現(xiàn)空氣流動的機械通風[4]。機械通風與自然通風相比可控性更強，因此公共建筑均設計有新風系統(tǒng)，通過機械通風的方式引入室外新風以保障室內空氣質量。在過渡季，空調系統(tǒng)還可以采用全新風通風模式替代空調模式，為室內創(chuàng)造舒適的熱環(huán)境[5-6]，且能有效減少建筑能耗[7-10]。

由于空調期的新風供應量與過渡季消除室內余熱的通風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種情況下的通風系統(tǒng)需求與匹配提出了問題。而對于二者之間關系的研究目前相關文獻報道較少，相關研究主要集中在：由于氣象條件及建筑類型等原因，過渡季通風量不易計算，給出了過渡季設計通風量的計算指標[11]；指出在目前公共建筑通風設計標準不足的基礎上，通風設計可以采取自然通風為主體、機械通風為補充的設計原則，來滿足建筑室內需求[12]。但均未就系統(tǒng)對2種通風需求的響應存在的差異進行明確分析。

本文通過對實際項目的空調通風設計情況進行調研，整理分析了當前公共建筑主要的通風設計狀況；在此基礎上，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需求。依托調研和分析結果，針對現(xiàn)行設計要求下的通風系統(tǒng)，分析了過渡季實施全新風通風存在的問題，探索空調通風系統(tǒng)設計中改善室內空氣環(huán)境的解決方案。

1 公共建筑通風設計情況

1.1 公共建筑室內通風要求

目前公共建筑常采用半集中式空調系統(tǒng)與集中式空調系統(tǒng)。半集中式空調系統(tǒng)形式為室內熱濕處理系統(tǒng)加新風系統(tǒng)，新風通道斷面較小；集中式空調系統(tǒng)是指常用的低速單風道全空氣系統(tǒng)，將空氣集中處理后送入房間，其風道斷面大[13]。相較于半集中式空調系統(tǒng)僅考慮新風量進行新風系統(tǒng)設計，集中式空調系統(tǒng)按照送風量進行送風系統(tǒng)設計。鑒于兩者設計風量不同帶來的過渡季風管適應性差異，在現(xiàn)有系統(tǒng)與過渡季消除余熱需求間的匹配性上對兩者分別進行分析。

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

表1 公共建筑人員所需最小新風量 m3/(人·h)

1.2 公共建筑現(xiàn)有空調系統(tǒng)通風換氣情況

針對重慶市18個公共建筑的通風換氣情況進行調研，得到不同性質房間新風換氣次數(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 公共建筑新風換氣次數(shù)調研結果 h-1

圖1 半集中式空調系統(tǒng)典型房間新風換氣次數(shù)分布

圖2 集中式空調系統(tǒng)典型房間新風換氣次數(shù)分布

2 公共建筑過渡季所需通風量

2.1 半集中式空調系統(tǒng)通風量模擬計算

通風系統(tǒng)的設計有別于空調新風系統(tǒng)設計，確定室內全面換氣量時，需要考慮消除室內余熱所需換氣量、消除室內余濕所需換氣量、稀釋室內污染物所需換氣量；對于同時存在余熱、余濕且有污染物散發(fā)的建筑，取三者的最大值。對公共建筑通風季降溫通風而言，消除室內余濕和稀釋公共建筑室內污染物散發(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)通風季(4月1日至6月15日、9月15日至11月15日)的室外逐時溫度來考慮，結合適用于重慶地區(qū)非供暖空調建筑的室內熱環(huán)境可接受溫度范圍[16]，重慶市通風季室內通風設計溫度范圍為24～28 ℃，通過DeST軟件進行某辦公樓過渡季最不利時段5月和9月的余熱量計算，室內溫度設定為26 ℃。

選擇18個辦公房間作為樣本，各房間的實際設計情況如表3所示。

表3 某辦公樓半集中式空調系統(tǒng)不同房間基本情況

計算結果如圖3所示，所選18個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)計算得到的房間余熱量，采用去除房間余熱的全面通風換氣公式[17]計算室內需求總風量：

(1)

式中G為需求通風量，m3/s；Q為室內余熱量，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、進風溫度，℃，tj取室外月平均溫度，tp取體感溫度。

按照式(1)計算最不利時段9月18個樣本房間的過渡季需求風量，結果如圖4所示。

圖4 不同單位面積余熱量下的通風換氣次數(shù)

對計算結果進行整理，發(fā)現(xiàn)各類型房間的通風換氣次數(shù)有一定規(guī)律性：單位面積余熱量小于等于40 W/m2的房間，通風換氣次數(shù)在12～15 h-1之間；單位面積余熱量為40～60 W/m2的房間，通風換氣次數(shù)在15～22 h-1之間。14號與15號房間分別為會議室和辦公室，同類型房間數(shù)量最多，具有代表性，分析表明，會議室機械通風最大換氣次數(shù)為21 h-1，辦公室為13 h-1。

2.2 集中式空調系統(tǒng)通風量模擬計算

對另一商業(yè)樓集中式空調系統(tǒng)采用同樣方法進行分析計算，其原有空調系統(tǒng)新風設計參數(shù)如表4所示。

表4 某商業(yè)樓集中式空調系統(tǒng)不同功能房間的新風設計參數(shù)

室內設計參數(shù)范圍為24～28 ℃，以1 ℃為間隔，分別計算室內設計溫度為24、25、26、27、28 ℃時各個房間的余熱量指標與通風換氣次數(shù)。余熱量指標計算結果如表5所示，通風換氣次數(shù)計算結果如表6所示。整體而言，消除室內余熱的需求通風量與室內設計溫度呈明顯的負相關關系，室內設計溫度越高，需求風量越小。室內設計溫度在26～28 ℃范圍內時，5個房間的需求通風換氣次數(shù)均小于15 h-1；室內設計溫度為25 ℃時，咖啡廳需求換氣次數(shù)突破15 h-1，影視廳達到20 h-1以上；如果按照當前多數(shù)房間的室內設計溫度24 ℃考慮，需求通風換氣次數(shù)將普遍高于20 h-1。

表5 房間余熱量指標 W/m2

表6 全面通風需求換氣次數(shù)計算結果 h-1

2.3 現(xiàn)行通風系統(tǒng)設計滿足性判斷

從空調通風系統(tǒng)可提供的新風量角度來看，根據(jù)上述調研結果與通風量需求計算結果可知，公共建筑在過渡季為消除房間余熱所需的通風量遠大于現(xiàn)有新風系統(tǒng)設計新風量，這使得公共建筑現(xiàn)有新風系統(tǒng)無法滿足過渡季消除房間余熱的需求。

以現(xiàn)行系統(tǒng)風管設計來看，對于半集中式系統(tǒng)，以某辦公樓半集中式空調系統(tǒng)中新風系統(tǒng)為例，根據(jù)計算，該系統(tǒng)過渡季總換氣量為13 172 m3/h，單個辦公室換氣量為2 371 m3/h，結合表7中推薦流速計算得到干管尺寸為1 250 mm×500 mm，對應風速為5.85 m/s，支管尺寸為630 mm×250 mm，對應風速為4.18 m/s，管道尺寸變化較大，原有建筑空間較難滿足。建筑通風系統(tǒng)設計選用高、低風量分別為1 000 m3/h和800 m3/h的風機，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，此時干管風速將達到114.34 m/s，支管風速為34.3 m/s，顯然不能正常運行。因此現(xiàn)行通風系統(tǒng)設計無法滿足過渡季機械通風需求。

對于集中式系統(tǒng)，由于本身的空調風量較大，其所呈現(xiàn)出的情況又有所不同。以某商業(yè)樓集中式空調系統(tǒng)為例，針對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，風口尺寸為400 mm×400 mm。結合風管及風口尺寸，根據(jù)不同溫度下的需求風量計算得到的風速見表8?？梢钥闯觯涸谑覂仍O計溫度為25 ℃時，原有通風管道管內風速與推薦風速較為接近，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；室內設計溫度上升為26 ℃時接近程度次之；室內設計溫度為24 ℃時，由于此時通風需求風量過大，導致管內風速過大而超過規(guī)范限值，帶來系統(tǒng)運行能耗增加及管道噪聲問題；室內設計溫度為27 ℃與28 ℃時則與之相反，雖然風速在規(guī)范限值范圍內，但需求風量較小，管內風速較小，帶來系統(tǒng)送風動力不足無法有效通風的問題。

表7 風管空氣流速[18]

表8 健身房既有管道系統(tǒng)承載需求風量時的風速計算結果

3 空調通風系統(tǒng)設計要素分析

3.1 通風量設計計算

根據(jù)上述分析可見，在空調通風系統(tǒng)設計時，針對系統(tǒng)的通風量，如果僅僅以新風量來考慮，將難以滿足過渡季消除室內余熱的需要。因此，空調通風系統(tǒng)過渡季的通風量，應從消除建筑室內余熱的角度考慮。分析表明，在不同室內設計溫度下，房間需求通風量存在明顯不同，室內設計溫度為24 ℃與28 ℃時的需求風量相差可以達到5倍左右，因此在通風量設計計算時需選取合適的室內設計溫度，確保系統(tǒng)能夠有效運行。

3.2 空調系統(tǒng)形式

在空調系統(tǒng)設計時，由半集中式空調系統(tǒng)與集中式空調系統(tǒng)的分析可知：對于半集中式空調系統(tǒng)，由于新風系統(tǒng)主要承擔室內人員換氣、稀釋污染物的功能，新風量往往較房間整體送風量小，新風管道尺寸較小，難以實現(xiàn)在過渡季采用全新風的形式消除室內余熱；此時，設計時需要兼顧通風需求，進行合理的系統(tǒng)設計。對于集中式空調系統(tǒng)，由于系統(tǒng)本身是采用全空氣的形式消除室內余熱，因此在原有送風管道的設計上已有條件實現(xiàn)過渡季全新風運行，設計時主要考慮兼顧空調和通風2種狀態(tài)下的風機風量問題，其中，重點應針對過渡季室內設計溫度進行考慮，以確定能夠與現(xiàn)行系統(tǒng)相適合的通風換氣量。

4 結論

1) 根據(jù)實際工程項目的設計資料調研和計算分析，現(xiàn)有公共建筑中的空調系統(tǒng)，其新風系統(tǒng)設計時新風量主要是從滿足室內衛(wèi)生需求來考慮，使得系統(tǒng)可提供的通風量較小，房間換氣次數(shù)在0.1～3.5 h-1之間；過渡季全新風通風的主要目的在于消除室內余熱，所需通風量較大，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) 對于公共建筑中半集中式空調系統(tǒng)，由于設計新風量較小，使得新風系統(tǒng)管道較小，而過渡季為消除室內余熱所需通風量較大，現(xiàn)行設計下的系統(tǒng)難以滿足過渡季全新風通風以消除室內余熱的需求，這是過渡季利用新風系統(tǒng)進行有效通風時應重點考慮的問題。半集中式空調系統(tǒng)可考慮利用建筑條件，采用機械通風加自然通風的復合通風形式，在過渡季改善室內環(huán)境。對于集中式空調系統(tǒng)，由于設計時系統(tǒng)送風量較大，系統(tǒng)管道較大，因此系統(tǒng)能否滿足過渡季消除室內余熱需求取決于過渡季室內設計溫度的選取及新風機風量，在允許范圍內選擇合適的室內設計溫度、采取適當?shù)娘L機策略，系統(tǒng)將具有兼容性。

對于其他地區(qū)，可參照本文思路在公共建筑過渡季通風需求與空調通風系統(tǒng)對策上，結合當?shù)毓步ㄖ椖吭O計情況及過渡季消除余熱的需求進行分析。