小型辦公室空調系統精細化設計分析

孫志超，苑中源，陸 義（.中國民航大學， 天津 300300；.天津大學建筑設計規劃研究總院有限公司， 天津300073）

現代社會辦公室是人員普遍長期停留的區域。根據有關統計數據，人們在室內停留的時間占比超過 80%，這其中又有超過一半的時間是處于辦公室的。辦公室的環境質量，特別是空氣品質，對人身體健康的影響重要且長久[1-3]。

1 工程簡介

本項目位于華北某高校的校園內，為產學研性質的實驗辦公樓。該單體共 4 層，其中 1 F、2 F 為實驗區，3 F 為開敞辦公區，4 F 為獨立辦公室。本工程為該單體的第三層的空調系統。

該單體的 3 F 為常規的矩形平面，東西向約 60 m，南北向約 23 m，建筑面積約 1 400 m2，其中空調區域面積約1 250 m2，包含一間會議室，其余為開敞區域，功能為開敞辦公區及接待休息區。該層層高 4.2 m，裝修風格為會議室吊頂，接待區做開敞造型吊頂，辦公區不吊頂。本項目冬季有集中熱水作為熱源，夏季無集中冷源。

根據用戶的使用要求，空調系統首先要保證室內空氣品質，其中包括溫度、相對濕度、CO2濃度、PM2.5及氣態有機污染物（TVOC）濃度在內的主要控制參數，要優于國家標準；其次對室內噪聲也有較高的標準要求，在空調系統運行時，室內背景噪聲應低于 40 dB(A)，為辦公科研人員提供一個安靜的環境；此外要求空調系統做到美觀、節能、可靠、操作簡便。

此外，該辦公區域不僅作為辦公室，還作為接待區，用于接待參觀人員。因此，該區域人員變化較大，新風量的需求也有較大的變化。

2 空調系統設計

2.1 方案對比

在前期方案比選時，考慮到若采用傳統的多聯機＋新風換氣機的空調形式，只能實現一般的溫度控制要求，對于其他參數只能以某個設計值為基準進行設計，但并不能實現實時控制。由于本工程沒有封閉的吊頂，屬于開敞環境，多聯機室內機的運行噪聲雖然分貝值不高，但屬于持續性低頻噪聲，實際上對人的感官體驗有著非常負面的影響。此外，根據實際的工程經驗，室內機經過幾個供冷季運行后，往往因積灰、震動造成的風機葉輪偏移等原因，噪聲會明顯增大，而且各個室內的風口的清灰等維護工作，以及冷凝水可能存在漏水的風險等，也使后期使用時不便。基于以上原因，未采用傳統的多聯機空調系統。

本空調系統設計為一次回風全空氣系統，結合項目所在地的冷熱源條件，末端采用雙熱源分體式直膨空調機組，設置在空調機房內，辦公區域不設置任何空調末端設備。室內機為組合式空氣處理機組，其中盤管段采用氟盤管段＋水盤管段的雙盤管形式。氟盤管接至屋頂的室外機，室外機采用直流變頻多聯機，放置在屋頂，用于夏季制冷；水盤管接集中供熱的熱水，用于冬季供暖。

空調系統冷熱源的選擇直接影響其運行時的能耗。隨著直膨空調機組的發展，目前直流變頻多聯機室外機，搭配組合式空調機組的技術已非常成熟，空調設備市場上，對于舒適性空調而言，采用氟盤管的直膨空調機組，在功能段的配置、機組的控制等方面，與傳統的水盤管空調機組相比，幾乎已無差別。對于用戶而言，幾乎不需要任何后期維護，也不存在水管漏水或水系統缺水的風險，只需定期清洗或更換空調機組的過濾器。

此外，為保證室內空氣的潔凈，在空調機組內設置初效G4＋中效 F7 過濾器；在送風的靜壓箱內，再設置一個主動式光電離子凈化器，用于產生過氧化氫離子、羥基離子等，隨送風進入室內空間，用于凈化甲醛、苯等 ，以及殺滅細菌、霉菌及病毒，以保證室內良好的空氣品質。

2.2 空調系統模擬設計

在進行空調系統方案設計時，使用 Fluent（一款常用的流體與熱傳遞模擬計算軟件）軟件對空調系統運行時的室內環境進行模擬，結果用于指導與優化設計。室內溫度場模擬結果如圖1 所示。由圖1 可知，整個區域的溫度較為均勻，且處于人體舒適區，但東西兩側溫度稍高，存在少量渦流區。后調整設計，在東側衛生間內增大衛生間的排風量，作為空調系統的一部分排風，西側的送風調整為大孔口與小孔口結合的送風形式。

圖1 室內溫度場模擬

室內送風速度場模擬結果如圖2 所示。由圖2 可知，送風管直接采用下方正送孔口時，孔口下方的風速略高，后調整為風管側下方雙向送風，在安裝后運行調試期間，實測整個辦公區域無吹風感，1.5 m 高度處，風速均＜0.4 m/s。室內 CO2濃度場模擬結果如圖3 所示。由圖3 可知，室內的CO2濃度遠小于 1 000 mg/L，空氣品質十分清新。

圖2 室內送風速度場模擬

圖3 室內 CO2 濃度場模擬

2.3 柔性風管小孔送風

結合開敞區域不吊頂的室內裝修風格，空調送風管采用柔性織物風管，風管上開設送風小孔，采用孔口送風。空調系統的氣流組織為上送側下回的形式，為了最大可能減少開敞區域的吊頂面積，回風采用消音靜壓箱＋空調機房回風的形式，即辦公區域不設置回風管，保證整體的美觀性。

由于西側的接待區，精裝設計了開敞的造型吊頂，且吊頂已經緊貼梁下，所以沒有安裝風管的條件。該區域采用了在吊頂邊緣側送的形式，送風管南北向設置，小孔側下送與大孔側送相結合，根據送風距離計算開孔的大小與角度，并根據氣流組織模擬結果，對風管的開孔進行優化。

2.4 裝配式隔音空調機房

由于本單體在建造時未設置空調機房，為縮短工期及降低工程造價，所以采用裝配式隔音房作為空調機房，整體效果較好，也比較美觀。空調機房直接采用成品隔音板材（內有吸音棉）在現場拼裝，板材之間固定后，再用密封膠密封。由于是成品板材，只在與墻體、地面、頂面連接處需要根據現場情況對板材進行裁剪等加工，其余部分均是模式化拼裝，機房整體施工很快。

空調機房的設計隔音值為 45±3 dB(A)，但由于機房側墻安裝了空調回風口，故對隔音效果有負面影響。現場實際檢測，在空調機組最大風量送風時，在機房的回風口外 1 m處，實測噪聲值 42 dB(A)，雖略高于設計值，但仍符合國家標準 GB 50118—2010《民用建筑隔聲設計規范》中辦公環境的低限標準。除回風口處外，機房外其他方向，噪聲均＜39 dB(A)，辦公室的聲環境良好。

2.5 空調控制系統

全空氣系統的控制相當于是神經系統，空調系統必須設置合理的控制系統，才能實現舒適性運行與節能運行。一般傳統的舒適性全空氣空調系統，僅根據回風溫度調節冷量，雖然設計時也要求根據回風的 CO2濃度，但往往只是一個要求，沒有具體的控制與調節邏輯，等到實際項目落地時，如無二次深化設計，調試人員并不清楚如何實現 CO2與新風量的聯動調節。

一些項目為了節省造價，機組的新風閥與回風閥選用的是開關型電動風閥，甚至是手動閥，即根本不具備根據CO2濃度自動調節新風量的功能。如果系統的新風量不足，則不利于人員健康，特別在疫情條件下，新風量的保證尤為重要。相反，在目前人們對室內環境關注越來越普遍的情況下，一些項目盲目增大新風比，又會造成能源的浪費，與國家目前的“雙碳”目標背道而馳。因此空調系統的自動控制與聯動控制，其重要性已不言而喻。

本工程在接待區、會議室各設置 1 個室內環境綜合傳感器，在開敞辦公區設置 3 個室內環境綜合傳感器，其中檢測參數包括溫度、相對濕度、CO2、PM2.5、TVOC。本工程采用的是模擬量調節型新風閥與回風閥，根據傳感器的監測數據，空調控制系統綜合判斷新風量的需求，再通過調節新風閥與回風閥的開度，調節新風比與送風量。

對于各個區域出現監測值與設計值不同方向偏離時，則通過調節各支管的電動風閥，實時調整各送風支管的送風量，以實現各區域室內環境相關指標在設計值附近。

監測結果顯示，室內空氣品質良好。雖然 TVOC 濃度較高，但仍滿足國家規范要求的≤0.6 mg/L 的標準。實際上是，現場剛裝修完成，油漆、涂料、家具等散發量較大，等這些污染源初期散發結束后，室內的 TVOC 濃度將還會明顯降低。

3 結 語

雖然對于工程造價而言，空調系統占比較小，但卻是影響人使用體驗的重要部分。辦公室作為人員長期停留的空間，其室內環境，特別是空氣品質對人的身心健康有著重要影響，空調系統需要以人為本，精細設計。對于中小型辦公建筑，直膨式全空氣系統是一個比較理想的空調形式，其舒適、簡單可靠、經濟、節能。對于開敞環境，采用柔性風管孔口送風，可以實現有冷無風的良好體驗，是一種兼具舒適性與經濟性的送風形式。

隨著人們對于生活、工作環境要求的提高，空調系統勢必需要更加精細化的設計。根據國家“碳達峰、碳中和”的“雙碳”目標，空調系統作為傳統的用能大戶，其控制系統也勢必需要切實落地實施，以實現按需供應的目標，既滿足人的使用要求，又不造成能源的浪費。