變風(fēng)量系統(tǒng)外區(qū)進(jìn)深劃分及對應(yīng)風(fēng)量特性

曹 斌

華東建筑設(shè)計(jì)研究總院

0 引言

房間的熱舒適性直接影響室內(nèi)人員的工作效率和身心健康。大多數(shù)現(xiàn)代化辦公建筑的平面面積大且進(jìn)深較深，為追求通透性和室內(nèi)景觀效果，常采用大面積玻璃幕墻，使空調(diào)負(fù)荷呈現(xiàn)明顯的內(nèi)、外區(qū)特征。外區(qū)空調(diào)負(fù)荷冷熱交替、變化很大，跟蹤并處理好外區(qū)空調(diào)負(fù)荷是空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難點(diǎn)之一。除進(jìn)深特別小的情況外，現(xiàn)代辦公樓的空調(diào)系統(tǒng)一般均需要?jiǎng)澐謨?nèi)外區(qū)，并對冷熱負(fù)荷分別進(jìn)行計(jì)算。空調(diào)分區(qū)的目的在于使空調(diào)系統(tǒng)能有效地跟蹤負(fù)荷變化，改善室內(nèi)熱環(huán)境和降低空調(diào)能耗。劃分內(nèi)外區(qū)的關(guān)鍵是確定外區(qū)進(jìn)深[1][3-4]。

變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)（簡稱VAV系統(tǒng)）融合了定風(fēng)量系統(tǒng)與風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，形成其獨(dú)特的特點(diǎn)，在國內(nèi)大、中型辦公建筑中逐漸得到越來越多的應(yīng)用。合理進(jìn)行空調(diào)分區(qū)是變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要步驟之一，它直接影響空調(diào)負(fù)荷計(jì)算結(jié)果及末端裝置的選型，以及系統(tǒng)的運(yùn)行[2][5-7]。

變風(fēng)量系統(tǒng)一般按照溫度控制區(qū)逐一設(shè)置變風(fēng)量末端，單個(gè)溫控區(qū)域的負(fù)荷峰值用于選擇末端裝置，多個(gè)溫控區(qū)域的綜合最大負(fù)荷用于確定風(fēng)管尺寸，系統(tǒng)的綜合最大負(fù)荷用于選擇空調(diào)箱[8]。溫度控制區(qū)設(shè)置過小，投資會(huì)增大，又使末端裝置一直在小風(fēng)量工況下運(yùn)行，調(diào)節(jié)范圍縮小，溫度控制區(qū)域設(shè)置過大，則區(qū)域內(nèi)溫差會(huì)過大，溫度控制精度差[9，10]。

本文以辦公建筑為研究對象，重點(diǎn)分析外區(qū)的負(fù)荷特性及外區(qū)變風(fēng)量系統(tǒng)的一次風(fēng)量變化特點(diǎn)。在劃分變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的外區(qū)時(shí)，設(shè)定不同的外區(qū)進(jìn)深值，分析其對一次風(fēng)最大風(fēng)量、一次風(fēng)最小風(fēng)量及VAV末端設(shè)備選型的影響。

1 變風(fēng)量系統(tǒng)風(fēng)量計(jì)算及設(shè)備選型方法

確定變風(fēng)量系統(tǒng)及末端設(shè)備的一次風(fēng)設(shè)計(jì)風(fēng)量：

1）通常先按室內(nèi)冷負(fù)荷計(jì)算一次風(fēng)設(shè)計(jì)送風(fēng)量，然后按熱負(fù)荷校核供熱送風(fēng)溫度。因?yàn)椴捎眠M(jìn)水溫度為5℃～10℃的冷卻盤管能達(dá)到的室內(nèi)冷風(fēng)送風(fēng)溫差遠(yuǎn)小于熱水盤管所能達(dá)到的熱風(fēng)送風(fēng)溫差，而夏季室內(nèi)空調(diào)冷負(fù)荷通常大于冬季室內(nèi)熱負(fù)荷；

2）送風(fēng)溫差與系統(tǒng)風(fēng)量成反比，在確定系統(tǒng)一次風(fēng)送風(fēng)溫度時(shí)，應(yīng)綜合考慮風(fēng)機(jī)輸送能耗、設(shè)備投資、冷源設(shè)備等因素。對于舒適性空調(diào)，送風(fēng)溫差不宜大于10℃。常規(guī)送風(fēng)系統(tǒng)的送風(fēng)溫度約為14℃～16℃；

3）為保證室內(nèi)的清潔度，需維持一定換氣次數(shù)，通常在6～7ACH以上[1]；

外區(qū)的夏季室內(nèi)冷負(fù)荷包括：①外圍護(hù)結(jié)構(gòu)冷負(fù)荷，可細(xì)分為溫差傳熱、日射得熱、空氣滲透等；②內(nèi)熱冷負(fù)荷-照明、設(shè)備和人員散熱；③其他，如內(nèi)圍護(hù)結(jié)構(gòu)冷負(fù)荷、再熱冷負(fù)荷和蓄熱冷負(fù)荷等。在常見的辦公建筑中，主要為第①和第②項(xiàng)。

空調(diào)系統(tǒng)的一次風(fēng)送風(fēng)量計(jì)算通常有兩種方法，即焓差法和溫差法：

其中：QT、QS分別為室內(nèi)全熱冷負(fù)荷、顯熱冷負(fù)荷，kW;hN、hS分別為室內(nèi)設(shè)計(jì)狀態(tài)點(diǎn)的空氣焓值、送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)的空氣焓值，kJ/kg；tN、tS分別為室內(nèi)空氣設(shè)計(jì)干球溫度、送風(fēng)溫度，℃；G為系統(tǒng)送風(fēng)量，kg/s。

變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)及末端裝置的一次風(fēng)設(shè)計(jì)風(fēng)量計(jì)算通常按照顯熱-溫差法進(jìn)行計(jì)算，即式（1-2）。

2 模型設(shè)定

圖1 建筑模型的平面及剖面示意圖

本文采用的某辦公建筑標(biāo)準(zhǔn)層模型如圖1所示，平面尺寸為40m×40m（總面積1 600㎡），核心筒位于平面中間，大空間布局。建筑層高為4．5m，室內(nèi)凈高為3．0m，外圍護(hù)結(jié)構(gòu)為幕墻形式，窗墻比約0．7，窗臺(tái)高度0．65m。根據(jù)朝向，將外區(qū)劃分為：南外區(qū)（S）、北外區(qū)(N)、西外區(qū)(W)、東外區(qū)（E）、東北外區(qū)（NE）、西北外區(qū)（NW）、東南外區(qū)（SE）和西南外區(qū)（SW）。

選取中間樓層作為典型模型進(jìn)行分析，圍護(hù)結(jié)構(gòu)性能參數(shù)取值見表1。

表1 建筑模型的圍護(hù)結(jié)構(gòu)性能參數(shù)

整層采用全空氣變風(fēng)量VAV空調(diào)系統(tǒng)，內(nèi)外區(qū)分設(shè)空調(diào)箱。項(xiàng)目所在地：上海。空調(diào)系統(tǒng)夏季空調(diào)一次風(fēng)送風(fēng)溫度設(shè)定為15℃。室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)見表2。

表2 空調(diào)室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)

對于建筑外區(qū)的進(jìn)深，根據(jù)空調(diào)區(qū)的用途、使用情況、圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能等情況而有所不同，在實(shí)際工程中，通常取值為3m～5m，但實(shí)際景深范圍有較大的變化[1，2]。本節(jié)設(shè)定的外區(qū)進(jìn)深基準(zhǔn)值為4m（圖1中的外區(qū)進(jìn)深為4m）。此外，分別將外區(qū)進(jìn)深取值為3m、5m作為對比組，對各朝向外區(qū)的空調(diào)系統(tǒng)一次風(fēng)的風(fēng)量進(jìn)行計(jì)算及分析。

3 不同進(jìn)深劃分下的各朝向外區(qū)風(fēng)量特性

3.1 外區(qū)一次風(fēng)的風(fēng)量變化規(guī)律

通過采用負(fù)荷計(jì)算軟件HDY-SMAD V4．0，得出各朝向外區(qū)的設(shè)計(jì)日逐時(shí)空調(diào)冷負(fù)荷值，從中提取室內(nèi)顯熱冷負(fù)荷數(shù)值，通過前文所述的式1-2，分別計(jì)算出各朝向外區(qū)單位面積所需的空調(diào)一次風(fēng)的風(fēng)量逐時(shí)值，并進(jìn)一步將其換算為單位面積一次風(fēng)換氣次數(shù)。

圖2為當(dāng)外區(qū)進(jìn)深取4m時(shí)，北向、南向、西向及東向外區(qū)單位面積一次風(fēng)換氣次數(shù)的逐時(shí)（8:00～18:00）變化情況。通過對比發(fā)現(xiàn)，各朝向外區(qū)在設(shè)計(jì)日條件下的逐時(shí)風(fēng)量變化規(guī)律均呈開口向下的拋物線變化，但波峰出現(xiàn)的時(shí)間不同。東向外區(qū)在上午10:00達(dá)到最大值，然后不斷下降；西向外區(qū)在下午17:00達(dá)到最大值，在此之前一直呈穩(wěn)步上升趨勢；南向外區(qū)和北向外區(qū)的變化趨勢基本一致，出現(xiàn)峰值的時(shí)間分別在下午14:00和17:00。

圖2 各朝向外區(qū)單位面積逐時(shí)空調(diào)一次風(fēng)換氣次數(shù)（外區(qū)進(jìn)深=4m）

其次，從單位面積一次風(fēng)換氣次數(shù)的總量角度看，在四個(gè)朝向的外區(qū)中，西外區(qū)的單位面積一次風(fēng)換氣次數(shù)峰值最大，達(dá)到13．6ACH，其次是東外區(qū)，為11．5ACH，北向和南向的峰值比較接近，分別為7．6ACH和8ACH。通過分析得知，在進(jìn)行各溫控區(qū)域的VAVbox末端選型時(shí)，對于相同面積的外區(qū)，西向的VAVbox的一次風(fēng)最大設(shè)計(jì)風(fēng)量大于南向和北向；如果各朝向外區(qū)都選用相同規(guī)格型號的VAVbox，則西向外區(qū)的溫控區(qū)域要?jiǎng)澐值母∫恍?/p>

圖3為在夏季設(shè)計(jì)日條件下，各朝向外區(qū)單位面積空調(diào)一次風(fēng)量變化幅度。將各朝向的單位面積一次風(fēng)最大風(fēng)量（即為VAVbox末端選型時(shí)的最大設(shè)計(jì)風(fēng)量）設(shè)定為100%，一次風(fēng)最小風(fēng)量與最大風(fēng)量的比值表示其變化幅度，也可以近似理解是VAVbox末端選型時(shí)的最小一次風(fēng)量調(diào)節(jié)比例。通過對比可以發(fā)現(xiàn)，在北向、南向、西向和東向外區(qū)中，西向的變化幅度較大，一次風(fēng)最小風(fēng)量約為最大設(shè)計(jì)風(fēng)量的36%，除此以外，其它三個(gè)朝向的變化幅度均在50%以上。圖3包含了四個(gè)角部外區(qū)（即東北外區(qū)、西北外區(qū)、東南外區(qū)、西南外區(qū)）的空調(diào)一次風(fēng)量變化幅度，結(jié)果呈現(xiàn)兩極分化的趨勢，西北外區(qū)和西南外區(qū)的風(fēng)量比值約為40%，而東北外區(qū)、東南外區(qū)的比值均超過70%，這表明后面兩個(gè)角部區(qū)域的負(fù)荷變化較為穩(wěn)定，末端VAVbox的調(diào)節(jié)幅度也較為平穩(wěn)。綜合比較后發(fā)現(xiàn)，由于受到西向的熱變化幅度劇烈的影響，包含靠西面外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的外區(qū)負(fù)荷變化幅度較大，進(jìn)而導(dǎo)致配置的末端VAVbox的一次風(fēng)量調(diào)節(jié)范圍也較大。在實(shí)際工程中，通常選用的VAVbox末端的一次風(fēng)量可調(diào)節(jié)比例約為30%～100%，可基本上滿足各朝向的調(diào)節(jié)要求。

圖3 設(shè)計(jì)日各朝向外區(qū)單位面積空調(diào)一次風(fēng)量變化幅度（外區(qū)進(jìn)深=4m）

3.2 不同外區(qū)進(jìn)深取值產(chǎn)生的影響

在前文分析基礎(chǔ)上，為了進(jìn)一步分析進(jìn)深劃分對各朝向外區(qū)的VAV系統(tǒng)及末端風(fēng)量特性產(chǎn)生的影響，本節(jié)對外區(qū)進(jìn)深取值分別為3m、5m的情況進(jìn)行分析，其余參數(shù)設(shè)置不變。

當(dāng)進(jìn)深取值調(diào)整之后，空調(diào)外區(qū)的整體面積也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。當(dāng)外區(qū)進(jìn)深取值減少時(shí)（由4m減小為3m），通過相同朝向的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)所獲得熱量維持不變，但由于外區(qū)面積縮小，導(dǎo)致將這部分外圍護(hù)的熱量平攤之后的單位面積負(fù)荷密度增大。對于單位面積區(qū)域而言，在室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)及空調(diào)一次風(fēng)送風(fēng)參數(shù)維持不變的情況下，需要提供更多的一次風(fēng)量以消除該部分負(fù)荷，如圖4所示。反之，當(dāng)外區(qū)進(jìn)深取值增大時(shí)（由4m增大為5m），通過外圍護(hù)結(jié)構(gòu)獲得的熱量維持不變，由于外區(qū)面積擴(kuò)大，導(dǎo)致將這部分外圍護(hù)的熱量平攤之后的負(fù)荷密度減小。對于單位面積區(qū)域而言，在室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)及空調(diào)一次風(fēng)送風(fēng)參數(shù)維持不變的情況下，提供較少的一次風(fēng)量即可消除室內(nèi)負(fù)荷，如圖5所示。

圖4 各朝向外區(qū)單位面積逐時(shí)空調(diào)一次風(fēng)換氣次數(shù)（外區(qū)進(jìn)深=3m）

圖5各朝向外區(qū)單位面積逐時(shí)空調(diào)一次風(fēng)換氣次數(shù)（外區(qū)進(jìn)深=5m）

圖6 列舉了選用不同進(jìn)深值時(shí)各朝向外區(qū)的單位面積空調(diào)一次風(fēng)最大風(fēng)量，包含南外區(qū)（S）、北外區(qū)(N)、西外區(qū)(W)、東外區(qū)（E）、東北外區(qū)（NE）、西北外區(qū)（NW）、東南外區(qū)（SE）、西南外區(qū)（SW），單位為ACH/m2。從圖6中可以看到，在外區(qū)進(jìn)深取值由3m-4m-5m不斷增大的過程中，單位面積的一次風(fēng)最大需求風(fēng)量逐漸降低，且降幅明顯。以西向外區(qū)為例：當(dāng)外區(qū)進(jìn)深取3m時(shí)，單位面積一次風(fēng)最大風(fēng)量需求為16．8ACH；當(dāng)外區(qū)進(jìn)深劃分增大到5m時(shí)，單位面積需求風(fēng)量降低為11．7ACH，這也表明，在調(diào)整外區(qū)進(jìn)深劃分后，處于該外區(qū)環(huán)境下的室內(nèi)人員的吹風(fēng)感會(huì)明顯減弱。

圖6不同外區(qū)進(jìn)深條件下各朝向外區(qū)單位面積空調(diào)一次風(fēng)最大風(fēng)量

圖7 比較了選用不同外區(qū)進(jìn)深值時(shí)設(shè)計(jì)日各朝向外區(qū)單位面積空調(diào)一次風(fēng)量變化幅度，即一次風(fēng)最小風(fēng)量與最大風(fēng)量的比值。隨著外區(qū)進(jìn)深劃分取值的增大，各朝向的最小風(fēng)量比值呈增大的趨勢，但從整體角度而言，數(shù)值差異并不大，即表明在選型時(shí)需要VAVbox末端可實(shí)現(xiàn)的調(diào)節(jié)范圍不產(chǎn)生明顯的影響。

圖7 不同外區(qū)進(jìn)深條件下設(shè)計(jì)日各朝向外區(qū)單位面積空調(diào)一次風(fēng)最小風(fēng)量比值

4 結(jié)語

通過對比分析，得出以下結(jié)論：

（1）各朝向外區(qū)在設(shè)計(jì)日條件下的逐時(shí)風(fēng)量變化規(guī)律均呈開口向下的拋物線變化，但波峰出現(xiàn)的時(shí)間不同。東向外區(qū)在上午10:00達(dá)到最大值，西向外區(qū)在下午17:00達(dá)到最大值，南向和北向外區(qū)的峰值出現(xiàn)時(shí)間分別在下午14:00和17:00。西向外區(qū)的單位面積空調(diào)一次風(fēng)最大，設(shè)計(jì)風(fēng)量值較其它三個(gè)朝向大，對于相同面積的外區(qū)，為西向外區(qū)服務(wù)的VAVbox的一次風(fēng)設(shè)計(jì)風(fēng)量選型值需要相對大些。

（2）由于受到西向的熱變化幅度劇烈的影響，包含有靠西面外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的外區(qū)負(fù)荷變化幅度較大，從而導(dǎo)致配置的末端VAVbox的一次風(fēng)量調(diào)節(jié)范圍也較大。

（3）外區(qū)進(jìn)深取值不同不會(huì)影響各朝向外區(qū)在設(shè)計(jì)日條件下的逐時(shí)風(fēng)量變化規(guī)律及波峰出現(xiàn)的時(shí)間。在外區(qū)進(jìn)深取值由3m-4m-5m不斷增大的過程中，單位面積的一次風(fēng)最大需求風(fēng)量逐漸降低，表明室內(nèi)人員的吹風(fēng)感會(huì)明顯減弱。

（4）隨著外區(qū)進(jìn)深取值的增大，各朝向外區(qū)的一次風(fēng)最小風(fēng)量與最大風(fēng)量比值呈增大的趨勢，但整體幅度較緩，對VAVbox末端調(diào)節(jié)范圍選擇不產(chǎn)生明顯的影響。