福建地區內區房間冬季新風供冷設計研究

陳建勝

(廈門合立道工程設計集團股份有限公司 福建廈門 361000)

0 引言

地下建筑或者一些體量較大的地上建筑內區房間，在過渡季甚至冬季都存在供冷需求。我國地域遼闊，各地域四季溫差較大，為了節約能源，對于此類建筑，在冬季或過渡季應充分利用室外新風降溫；當技術經濟分析合理時，也可利用冷卻塔進行供冷[1]。

南方地區過渡季節室外濕球溫度較高，冷卻塔出水溫度高，一般不適合利用冷卻塔供冷；冬季室外干球溫度和濕球溫度低的地區，室外新風作為冷源或利用冷卻塔供冷均有可能滿足供冷需求。基于此，本文擬通過理論分析，探討福建省各地區空調通風系統在冬季適當加大新風量，以滿足內區房間供冷需求的可行性。

1 冬季新風供冷室外計算參數的確定

冬季利用室外新風消除室內余熱余濕時，應采用冬季通風室外計算溫度而非空調室外計算溫度。冬季通風室外計算相對濕度的取值，規范并無相關規定，筆者認為，可采用冬季空調室外計算相對濕度(累年最冷月平均相對濕度)。

2 內區房間冬季供冷室內計算溫度范圍的確定

現有規范未明確冬季供冷時室內計算溫度的取值。

《北京地區冷卻塔供冷設計指南》提出：內區辦公可取24～25 ℃，內區商場可取22～23 ℃。

冬季熱舒適度(-1≤PMV≤1)對應的溫度范圍為18～28.4 ℃，基于節能的原則，冬季供暖溫度選擇偏冷(-1≤PMV≤0)取18～24℃[2]。筆者認為：同理，冬季供冷時，基于節能的原則，室內溫度宜盡量選擇偏熱(0≤PMV≤1),可取22～26℃。

3 送風溫度的確定

舒適性空調系統的送風溫差不宜大于10 ℃；有低溫冷媒可利用時，宜采用低溫送風空調系統；送風口表面溫度應高于室內露點溫度[2]。可見，可采用低溫送風，考慮安全因素，送風溫度宜高于室內露點溫度1 ℃。

為了充分利用新風冷源，減少送風量，節約能源，送風溫度應盡量采用通風室外計算溫度并應高于室內空氣露點溫度1℃。

4 室內熱濕負荷計算

內區房間一般無外圍護結構，其熱負荷包括人體顯熱及潛熱、燈光及電器設備散熱，在沒有加濕或其它散濕時，室內的濕負荷即人體散濕量。

Qx=ql+a×qp+qe

(1)

Qx為單位面積顯熱冷負荷， W/m2;

ql為單位面積燈光顯熱冷負荷，W/m2;

qp為一名成年男子的顯熱冷負荷，W/pe；

a為人員密度，pe/m2，普通辦公室可取0.17pe/m2,商場可取0.25pe/m2;

qe為單位面積設備散熱冷負荷，W/m2；辦公室的設備散熱主要為電腦散熱，每臺計算機及其屏幕的散熱量可分別按75W、80W計算。商場的設備散熱可按《公共建筑節能設計標準》取值。

ε為室內空氣熱濕比，kJ/kg;

Q為室內余熱，kW；W為室內濕負荷，kg/s。

表1列出了辦公及商場在各種室內溫度下的熱濕負荷。

表1 辦公及商場在各種室內溫度下的熱濕負荷表

由表1可見：室內溫度降低時，人體顯熱增大，人體潛熱及散濕量減少，室內余熱基本保持不變，室內熱濕比增大；商場設備散熱較小，室內顯熱略小于辦公室內顯熱，室內余熱比辦公大5%～25%，人體潛熱及散濕量比辦公大1.5倍，室內熱濕比值大約是辦公的40%～50%。

5 室內空氣露點溫度及室內計算溫度的確定

如圖1所示，室外狀態點W即送風狀態點，經過W點畫出各室內計算溫度下的熱濕比線ε交于其對應的溫度線，可得到室內狀態點N，經過點N沿等濕線畫直線交于100%的相對濕度線即可得露點L。

圖1 新風供冷焓濕圖

當送風狀態點W一定時，室內溫度越低，ε越大，室內空氣相對濕度越小，其露點溫度越低，室內空氣更不易結露。當tW-tL<1時，可在熱舒適度(-1≤PMV≤1)對應的溫度范圍內適當降低室內溫度，減小室內空氣露點溫度，以使tW-tL≥1，達到利用室外新風降溫的目的，但降低室內溫度取值將造成送風量變大，因此室內溫度不宜低于下限值22 ℃。

如圖2所示，粗虛線為辦公的熱濕比線，粗實線為商場的熱濕比線。商場的熱濕比小于辦公熱濕比，熱濕比線向右傾斜，在送風狀態點及室內溫度一定時，商場的室內空氣相對濕度及露點溫度更高，更易產生結露。因此，當新風直接送入室內供冷，且未對室內空氣加濕或減濕處理的情況下，商場室內溫度取值應比辦公室內溫度更低。

圖2 辦公及商場新風供冷焓濕圖

以廈門為例：冬季室外通風計算溫度tW=12.5℃，當辦公室內計算溫度取26℃時，室內空氣露點溫度tL=11.9℃，送風溫度高于室內露點溫度但不滿足tW-tL≥1；室內溫度取值為24℃時，tL1=11.1℃，滿足tW-tL1≥1，即冬季辦公室內溫度取24℃時，可直接利用室外新風供冷。

同樣以廈門為例：當商場室內溫度取值降至19℃時，tL4=11.3℃，才滿足tW-tL4≥1，此時送風溫差為19-12.5=6.5℃。可見利用新風直接供冷時，商場室內計算溫度應低于辦公室內計算溫度。

各地區室內空氣露點溫度計算結果見表2。

表2 各地區各種室內計算溫度下露點溫度

6 風量計算

L為消除室內顯熱，單位面積所需的新風量m3/(h·m2)；

c為空氣比熱容，取1010J/(kg·℃) ；

ρ為空氣密度，取1.2kg/m3；

tn為室內計算溫度，ts為新風送風溫度，℃。

把c及ρ值代入式2，得:

表3列出了福建各地區利用室外新風供冷的送風量。

表3 各地區利用室外新風供冷送風量

由表2～表3可見，漳州、廈門、龍巖、福州、南平內區辦公用房冬季室內溫度在22～26℃時，室內空氣露點溫度低于室外通風計算溫度1℃，可直接利用室外新風供冷，送風量為空調新風量的1.8～2.4倍；三明、寧德由于室外新風溫度低，室溫降至18℃仍不滿足室內空氣露點溫度低于室外通風計算溫度1℃，室外新風不能直接送入辦公室內。

漳州、廈門、龍巖、福州內區商場冬季如直接利用室外新風供冷，室內溫度在19～20℃之間，送風量大，為空調新風量的3.4～4.6倍；南平、三明、寧德如直接利用室外新風送入內區商場，室溫降至18℃仍不滿足室內空氣露點溫度低于室外通風計算溫度1℃。

當室內溫度低于熱舒適度0≤PMV≤1的下限值，將造成人員不適，且送風溫差小，送風量大，風管尺寸偏大，輸送能耗增加。

為避免結露及上述問題，可適當提高送風溫度，對新風進行預熱或新風與部分室內空氣混合。

7 新風預熱及新風與部分室內空氣混合

如圖3所示，室外新風點W沿等濕線加熱至W1點，經W1點畫各室內計算溫度下的熱濕比線與相應的溫度線相交即得到室內狀態點。當tw1=15℃時，室內溫度tN3=24℃對應的露點溫度tL3=13.8℃，tW1-tL3>1，送風不結露，此時送風溫差為24-15=9℃。預熱新風需額外增加能耗，而送風溫差變大，送風量及風機能耗減小。此方法需增加熱源，系統較復雜，是否節能需綜合比較加熱能耗及風機能耗后確定。

圖3 新風預熱焓濕圖

如圖4所示，新風W與部分室內空氣N混合至點C，使其高于室內露點溫度1℃。繪出干球溫度線tC=tL+1，與相應的室內溫度下的熱濕比線相交于點C，即為混合狀態點。當tN=26℃時，tC=17.8℃；tN1=24℃時，tC1=15.9℃；tN2=22℃時，tC2=14.3℃；送風溫差均約為8℃。此方法送風溫差比直接送風時的6.5℃更大，風量更小；而且不需任何熱源，簡便可行，僅需把原有的新排風管路進行局部連接即可實現(圖5)，但應注意將新排風機房臨近設置以便新排風旁通管連接。

圖4 新回風混合焓濕圖

圖5 新回風混合平面圖

也有文獻提出將新風接入風機盤管出風管，冬季開啟風機盤管，新風與回風混合后送入室內。但風機盤管的運行與否及風速檔位對空調新風量有較大影響。因此，筆者不建議此種做法。

根據能量守恒原理，不同狀態的空氣混合時：

GW×hW+(G-GW)×hN=G×hC

(5)

如圖6，△CNA與△WNB相似，依三角形相似原理:

圖6 新回風混合計算圖

聯合式(6)、(7)可得：

GW、G分別為新風量、總送風量；hC、hN、hW分別為混合點C、室內點N、室外點W的焓值；CN、WN為焓濕圖上線段的長度。

根據式(8)和焓濕圖， 可求得混合過程的新風量與總送風量，見表4。

表4 新風與部分室內空氣混合的風量計算

但應特別注意：當新風溫度較低時，混合的新風量較小，可能不滿足最小新風量要求，此時只能利用額外熱源進行預熱。當混合線穿過100%相對濕度線(即穿過結霧區)時，也應將室外新風預熱后再送入室內。

8 結論

(1)冬季新風供冷室外計算溫度應按通風室外計算溫度，室外計算相對濕度可按冬季空調室外計算相對濕度。

(2)冬季供冷室內計算溫度宜取22～26℃，具體溫度取值應根據各室內溫度下的熱濕負荷及利用焓濕圖進行計算比較，以室內空氣露點溫度低于送風溫度1℃及盡量按計算溫度范圍的上限取值，以盡量節能為原則。

(3)商場內散濕量大，濕度大，室內空氣露點比辦公室低，更易結露，因此，當不對新風進行任何處理而直接送風時，商場室內計算溫度應低于辦公室內計算溫度。

(4)福建省除三明、寧德地區外，內區辦公用房冬季均可直接利用室外新風供冷，室內溫度為22～26℃，送風量為空調新風量的1.8～2.4倍。三明、寧德地區室外新風需與部分室內空氣混合后或預熱后方可送入，混合后總送風量為空調新風量的1.6～2.1倍。

(5)福建省內各地區內區商場冬季均不宜利用室外新風直接供冷，應與部分室內空氣混合后送入室內，混合后總送風量為空調新風量的2.6～3.5倍，新風量為空調新風量的1.2～3.1倍。