北京地區辦公類建筑內區新風供冷實例分析

薛懷坤，王哲毅，王小繁

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目前，現代綜合體建筑越來越多，尤其是辦公室綜合體。由于辦公區域進深比較大，靠外圍護結構的周邊區域與內區空調負荷存在較大差異。《辦公建筑設計規范》（JGJ 67—2006）及《公共建筑節能設計標準》（GB 50189—2015）等設計規范中均有要求，內、外區宜分別設置空氣調節系統。風機盤管加新風系統是我國較為普遍采用的一種空調系統，文章將結合實際工程，重點論述該系統在冬季內區進行供冷的節能設計思路。

1 空調內外區簡介

1.1 內外區負荷特征

外區是受外圍護結構日射得熱、溫差傳熱和空氣滲透影響的區域；內區是與建筑外圍護結構有一定距離，不受圍護結構日射得熱、溫差傳熱和空氣滲透的影響，具有相對穩定的邊界溫度條件的區域[1]。由上述定義可知，辦公建筑外區的空調負荷是由于室內外溫差和太陽輻射作用，通過圍護結構傳熱形成，夏季存在冷負荷，冬季存在熱負荷，且負荷波動較大。內區負荷則是由人員、燈光照明及設備散熱形成冷負荷。由于人員與設備散熱量的變化較小，內區的冷負荷波動較小，且全年為冷負荷，因此在1月、2月、11月、12月內區房間需要供冷，可見內、外區的合理劃分十分重要。

1.2 內外分區常規劃分方法

辦公室內外區的劃分標準與許多因素有關，其中房間分隔是一個重要的因素，設計中需要靈活處理。例如在進深方向有明確分隔，且分隔處一般為內外區的分界線；房間開窗的大小、房間朝向等因素也對劃分有一定影響，在設計沒有明確分隔的大開間辦公室時，根據國外有關資料介紹，通常可將距外圍護結構3～5m的區域劃分為外區，其所包圍的區域為內區。為了滿足不同人員的使用需求，也可以將上述3～5m作為過渡區。在計算空調負荷時，內外區都應計算此部分負荷，這樣只要分隔線在3～5m變動，都能滿足要求。上述方法直接給出了經驗數據，當遇到具體工程時，不同朝向的外區進深應有所區別，從內外分區空調負荷特性進行具體計算，確定外區進深。

2 空調系統設計

從負荷特性方面分析，在冬季外區有熱負荷，即通過圍護結構與室外的傳熱負荷，同時外區自身有人員、燈光照明及設備散熱量形成的冷負荷，故外區存在一個合適的進深，使外區在冬季空調室外設計溫度條件下的圍護結構熱負荷與室內冷負荷相等。

2.1 工程實例

豐臺區麗澤路E-05地塊C2商業金融用地項目位于北京豐臺區麗澤商務區E區，東臨麗澤一路，西至金中都中路，北至豐臺北路西延，南至鳳凰嘴北路，項目為金融寫字樓，建筑高度為172.9m。取其標準層為研究對象，標準層層高為4.3m，對其進行合理的內外分區設計計算。鑒于四個朝向分析過程一致，取南向為研究對象。建筑標準層平面如圖1所示。

圖1 建筑標準層平面

以南向A區為例，A區長度為53.5m，維護結構只有南側，東西側均無維護結構。標準層辦公室人員、燈光照明及設備散熱量參照北京市《公共建筑節能設計規范》（DB11/ 687—2015），建筑體型系數≤0.3，屬于乙類建筑，外墻傳熱系數為0.45W/(m?K)，窗戶傳熱系數為1.8W/(m?K)，上下層均為空調區，室內燈光照明密度為9W/m2，房間人均占有的使用面積為8m2，電氣設備功率密度為15W/m2，人員顯熱為61W/人，潛熱為73W/人，散濕量為109g/(h?人)。辦公建筑的工作時間表為工作日8：00—18：00。照明開啟率時間[2]如表1所示，房間人員在室率時間如表2所示，電氣設備使用率時間如表3所示，該辦公室室內溫度設計濕度如表4所示。

表1 照明開啟率時間表 單位：%

表2 房間人員在室率時間表 單位：%

表3 電氣設備使用率時間表 單位：%

表4 房間空調設計溫濕度

2.2 外區進深計算

根據《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》（GB 50736—2012）對空調負荷計算規定，以外區為研究對象，分別計算外區冬季空調熱負荷，冬季外區人員、燈光照明及設備的冷負荷。設計人員以外區維護結構熱負荷與外區內擾冷負荷相等為依據進行外區進深的計算。其中外區熱負荷值為維護機構熱負荷，采用規范規定的穩態計算方法，而內擾產生的冷負荷采用逐時計算方法，內擾冷負荷取值為冬季空調設計日逐時最大值。不同朝向計算結果如表5所示。外區進深取值為使外區熱負荷值等于外區內擾冷負荷值，以此為內外分區界限。

表5 房間內外分區計算結果表

根據計算結果與相關資料，推薦外區進深為3～5m，不同朝向略有不同，結合實際工程，為計算方便，各朝向進深取值如表6所示。

表6 房間內外分區規整取值表 單位：m

2.3 內區空調系統設計

根據已確定的外區進深，可以設計各個朝向內區區域尺寸。由于內區不受外界影響，故各個內區負荷特性相同。下文以南向內區為研究對象，對內擾進行逐時計算，考慮最不利工況，同時計算人員、燈光及設備散熱量，得出逐時內區冷負荷最大值為12.44kW，濕負荷為2.89kg/h。

繪制焓濕圖需由冷負荷與濕負荷求得熱濕比如下式：

式中：Q為冷負荷，kW；W為濕負荷，kg/h。代入具體數值求得ε=15496kW/(kg·h-1)。

冬季內區雖然需要供冷，但是在北方地區，室外新風溫度較低，仍然需要加熱加濕后送入室內，由于內區送風溫度較低，因此對加濕系統的選取有一定的要求。空氣的加濕按加濕原理分為等溫加濕和等焓加濕兩種，等溫加濕主要有直接噴蒸汽加濕、加熱蒸發加濕（包括電熱式加濕、電機式加濕）等；等焓加濕主要有循環水噴水室，離心式、超聲波式、濕膜式、高壓噴霧式等。通常選用加濕效率η和加濕飽和效率ηb來評價加濕系統的好壞[3]。

加濕效率η的計算公式如下：

加濕飽和效率ηb的計算公式如下：

式中：d1為加濕前空氣含濕量，g/kg；d2為加濕后空氣含濕量，g/kg；d3為飽和空氣含濕量，g/kg；t1為加濕前空氣干球溫度，℃；t2為加濕后空氣干球溫度，℃；t3為飽和空氣干球溫度，℃。

在上述幾種加濕方式中，由于蒸汽加濕的飽和效率可以達到100%，因此在有蒸汽源時，應優先采用蒸汽加濕，該工程無蒸汽使用條件，因此采用等焓加濕的方式，加濕飽和效率取70%。

通過上述計算公式，可求得空氣處理數值如表7、表8所示，焓濕圖如圖2所示。

圖2 冬季內區新風供冷焓濕圖

表7 北京室內新風計算表

表8 室內新風狀態點計算表

由圖2可知，在冬季，南向內區冬季送新風量為3583m3/h，經過處理后送入內區，可消除內區冷負荷。內區人員數量為50人，如新風供冷，人均新風量為72m3/h，大于規范規定的人均30m3/h；外區人員數量為35人，如果只有內區供新風，人員新風量為43m3/h，同樣滿足人員最小新風量要求。因此該工程新風夏季均勻送風，冬季只送內區，由電動閥進行季節轉換[4-5]。

由于冬季內區新風供冷所需新風量大于30m3/h，故該工程方案設計階段提議新風機組為變頻機組。在冬季，所送新風由內區升溫后，流向具有排風口的外區，同時滿足外區人員對新風的要求。

3 結束語

對于進深比較大的辦公建筑，設計人員可以通過合理的內外分區劃分，針對內外分區不同的負荷特性進行空調系統的配置。在冬季，由新風直接供冷消除內區冷負荷。文章通過計算，選取所需新風量，既滿足人員對新風的需求，又滿足冷負荷的需求，一舉多得，而且充分利用了自然冷源，節約能耗，可為類似工程提供參考。