某圖書館空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計過程及風口選型

高曉林

北京城建設(shè)計發(fā)展集團股份有限公司，北京，100045

0 引言

全空氣系統(tǒng)由于空氣處理過程相對簡單，末端布置靈活，且舒適性好，被廣泛應用于各類公共建筑中。對于異形建筑，從負荷計算到空氣處理過程，再到末端風口選型的合理與否，是滿足空調(diào)區(qū)內(nèi)人員舒適性的關(guān)鍵因素。以具體項目為例，針對性地進行介紹。

1 工程概況

中國石油大學（華東）圖書館（二期）項目用地位于中國石油大學（華東）青島校區(qū)，現(xiàn)已建成并投入使用，且成為該校區(qū)標桿性建筑體。圖書館位于山東省青島市黃島區(qū)中國石油大學（華東）校區(qū)內(nèi)東部的小黃山上，部分建筑依附于山體之中，為山地建筑。規(guī)劃總用地面積：53290㎡，總建筑面積33875m2，其中地上共三層，建筑面積為32392m2，地下共一層，建筑面積為1483m2，總建筑高度22.43m，主要功能包括學習共享空間、石油科教中心、校史展廳、學術(shù)報告會議用房、網(wǎng)絡數(shù)據(jù)中心、地下車庫等，無人防工程。園區(qū)市政條件均集中于地塊西南側(cè)，熱力供回水DN350。建筑效果圖如圖1所示。

2 空調(diào)負荷計算及冷熱源介紹

空調(diào)負荷計算是基礎(chǔ)，也是空調(diào)設(shè)計最重要的環(huán)節(jié)之一，空調(diào)負荷計算的準確性關(guān)系到設(shè)備選型的大小，空調(diào)負荷越準確，在不影響舒適度的前提下，越有利于空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能。

本項目建筑輪廓見圖2，針對這樣一個不規(guī)則圖形，迄今為止沒有一個明確的朝向劃分原則。本工程的建筑朝向劃分按以下原則處理：

1.首先確定建筑的正北朝向，然后把所有朝向作16等分，每等分為22.5°；

2.正北朝向左右兩邊各22.5°一起算作一個正北朝向，以此類推，共劃分為8個朝向，如圖3所示。

現(xiàn)以首層的培訓室為例，見圖4，介紹負荷計算過程。

1.先劃分建筑朝向，按照劃分原則，培訓室垂直于外立面方向與正南朝向夾角28°，大于22.5°，因此判斷為西南朝向。

2.西南朝向玻璃幕墻的傳熱系數(shù)K值為1.7W/(m2.℃)，玻璃修正系數(shù)Cs為0.43。

該培訓室建筑面積為47m2，層高6m，夏季按非穩(wěn)態(tài)得熱計算冷負荷。根據(jù)公式Q維護=KFΔt，考慮通過透明維護結(jié)構(gòu)進入的非穩(wěn)態(tài)太陽輻射熱量形成的冷負荷，以及人體、照明、設(shè)備散熱形成的冷負荷，得到空調(diào)區(qū)的顯熱冷負荷Q1；另外，由房間的人數(shù)確定的人員散濕量，根據(jù)公式W=GΔd計算出空調(diào)區(qū)夏季濕負荷Q2。最終得出該房間的逐時冷負荷的最大值為17.84kW。依此類推，計算出每個房間的逐時冷負荷，然后取逐時冷負荷的最大值 Q。然后根據(jù)室內(nèi)人員數(shù)量以及新風需求量確定新風量，由 Q新風=cGΔt算出新風負荷。本工程最終計算出的空調(diào)總冷負荷為= Q+ Q新風=3606kW。選擇容量為1210kW(350RT)的電動螺桿式冷水機組3臺，COP為5.83，比規(guī)范要求提高6%，放至首層冷凍機房內(nèi)，供回水溫度為6℃/13℃。熱源由市政熱力供給，熱力站設(shè)置于首層，通過板換換出60℃/45℃的空調(diào)熱水。

3 空調(diào)系統(tǒng)形式的確定

空調(diào)系統(tǒng)有多種不同的形式和分類，根據(jù)空氣處理設(shè)備位置的不同分為集中式、半集中式和分散式；根據(jù)負擔負荷的介質(zhì)分為全空氣系統(tǒng)、全水系統(tǒng)、空氣-水系統(tǒng)和制冷劑系統(tǒng)；根據(jù)集中系統(tǒng)處理的空氣來源分為封閉式系統(tǒng)、直流式系統(tǒng)和混合式系統(tǒng)；根據(jù)送風風道的數(shù)量分為單風道系統(tǒng)和雙風道系統(tǒng)。典型空調(diào)系統(tǒng)的特征比較列表如下：

結(jié)合下表分析，在冷熱源充足的條件下，空調(diào)系統(tǒng)形式的選擇，還需要根據(jù)項目特點及具體功能等因素綜合考慮確定。本工程主要特點是，房間功能種類繁多，比如有首層的大報告廳，設(shè)備發(fā)熱量大，且對噪聲有較高要求；有自習室，劃分多間學習隔斷；創(chuàng)意、創(chuàng)新學習區(qū)，空間跨度巨大。還有咖啡、書吧、圖書館辦公室等，空間相對狹小。另一個特點是房間外區(qū)面積大跨度大，分內(nèi)外區(qū)，例如入口空間、自由學習空間；第三個主要特點是建筑形狀很不規(guī)則，整個建筑大部分呈現(xiàn)旋轉(zhuǎn)層疊環(huán)形狀。

表3-1 典型空調(diào)系統(tǒng)特征比較

結(jié)合以上特點，初步考慮的方案有兩種，①集中式變風量系統(tǒng)；②集中式全空氣的一次回風系統(tǒng)，結(jié)合半集中式的風盤加新風系統(tǒng)。

變風量系統(tǒng)適用于空調(diào)區(qū)無溫濕度要求或?qū)貪穸纫蟛桓叩姆块g，且每層設(shè)空調(diào)機房，占用樓層空間小；系統(tǒng)數(shù)量多、設(shè)備和控制系統(tǒng)投資多；增加或移動末端裝置對附近區(qū)域影響大；噪聲與震動較大且不易處理。所以對于本項目中主要功能的報告廳、自習室等房間，對噪聲及震動要求較高，且有多間需要分割成獨單隔間的學習自習室等，采用變風量空調(diào)系統(tǒng)并不合適。而全空氣的一次回風系統(tǒng)適合空間較大、人員較多的房間，并且適用于噪聲標準高的場所，所以適合應用于圖書館空調(diào)系統(tǒng)。另外，培訓室、學習隔間、圖書館辦公室等空間較小、層高較低的房間采用風機盤管加新風的空調(diào)系統(tǒng)，來滿足工藝及功能的需求。

4 空氣處理過程

一般全空氣空調(diào)系統(tǒng)不宜采用冬夏季能耗較大的直流式（全新風）空調(diào)系統(tǒng)，宜采用帶有回風的混合式系統(tǒng)。全空氣定風量系統(tǒng)易于改變新回風比例、可實現(xiàn)全新風送風，以獲得較好的節(jié)能效果。定風量系統(tǒng)對空調(diào)區(qū)溫濕度控制、噪聲處理、空氣過濾和凈化處理以及氣流穩(wěn)定等有利，因此，推薦應用于要求溫濕度允許波動范圍小、噪聲或潔凈度標準高的播音室、圖書館、凈化房間、醫(yī)院手術(shù)室等場所。規(guī)范[1]第7.3.4條也規(guī)定了全空氣定風量空調(diào)系統(tǒng)的特點及適用范圍。

有文章[2]提出采用雙冷源溫濕度獨立控制空調(diào)系統(tǒng)，高溫冷源主要負責夏季全部新風負荷和絕大部分室內(nèi)顯熱負荷，低溫冷源為輔助冷源，通常為常規(guī)的冷水機組，主要承擔室內(nèi)濕負荷，負責室內(nèi)相對濕度的控制。且高溫冷水機組需要采用專門按照高溫供水工況設(shè)計開發(fā)的專用型機組，此種空調(diào)系統(tǒng)控制復雜。這給機組的應用帶來了局限性。

以三層的150人的影視會議室為例，分析冬、夏季的空氣處理過程。會議室室內(nèi)余熱Q為32.84kW，室內(nèi)設(shè)計溫度為25℃，新風量按30m3/（人·h），則新風量LW為4500m3/h。按最大送風溫差，且考慮風機溫升，夏季的處理過程見圖5：

送風狀態(tài)點為過室內(nèi)N點的熱濕比線與相對濕度φ=95%的交點L，考慮風機1℃溫升后，為O點，即15.61℃。那么，室內(nèi)余熱、室內(nèi)焓值及送風狀態(tài)點焓值均為已知，根據(jù)公式求出送風量則根據(jù)公式L·hc=LW·hW+(L－LW)·hn求出hc。則空調(diào)機組處理冷量為：Q機組=1.2·L·(hc－h(huán)L)=69kW。

冬季一次回風混合后的加濕有兩種方式，分別為等溫加濕和等焓加濕，處理過程見圖6。等溫加濕過程：W、N混合至C點，加熱器加熱到E點，然后噴干蒸汽加濕，也就是E-O為的等溫加濕過程，由O點沿熱濕比線送至室內(nèi)狀態(tài)N點。等焓加濕過程為：當采用等焓加濕時，有可能使混合點C的焓值低于L點的焓值，所以需要設(shè)新風預熱裝置。W點加熱至W"點，與N點混合至點C",對C"點噴循環(huán)水進行加濕至L點，L點加熱到送風狀態(tài)點O，沿熱濕比線送至室內(nèi)房間。本工程采用的是等焓加濕過程的濕膜加濕方式。由于冬夏季供回水溫差相差較多，工程按夏季計算的空調(diào)機組處理冷量來選擇全空氣機組。但北方冬季室外空氣較為干燥，往往需要對空氣進行加濕處理，所需的加濕量為室外空氣帶來的欠濕減去室內(nèi)散濕量，用公式表達即為：

5 風口選型

送風口按照安裝位置可分為側(cè)送風風口、上送風風口（向下送）、下送風風口（向上送）；按出口氣流流動狀態(tài)分為擴散型風口、軸向型風口和孔板送風口。擴散型風口具有較大的誘導室內(nèi)空氣的能力，送風溫度衰減快、射程短；軸向型風口送風溫度、速度衰減慢、射程遠；孔板風口是在平板上滿布小孔，送風速度分布均勻、衰減快。

在工程中，由于項目上圖紙完成時間的限制，設(shè)計師為了節(jié)省時間，對風口的選擇往往沒有進行噪聲的校核及射程的選擇計算，造成施工完成后達不到使用要求，要么冬季風送不下來，要么夏季吹風感過強，然后更換，造成了施工材料和人力資源的浪費，不利于節(jié)能。因此，風口的合理設(shè)計也是暖通空調(diào)設(shè)計中非常重要的一個環(huán)節(jié)，不容忽視。

本工程入口大廳、中庭南部、中庭北部等層高13米左右的高大空間需設(shè)置分層空調(diào)的區(qū)域，設(shè)置雙側(cè)對送射流的球形噴口，對于首層層高6米左右的自由學習空間、研習區(qū)等大空間設(shè)旋流風口，其余層高6m左右的科技體驗區(qū)、排練室等區(qū)域，設(shè)可調(diào)條形風口。對于球形風口，既能調(diào)節(jié)氣流方向，又能調(diào)節(jié)送風量，送風口可側(cè)向或垂直向下送風，其射程按相對噴口中間距離的90%計算。相關(guān)規(guī)范[1]第7.4.5條規(guī)定，采用噴口送風時，應符合：1）人員活動區(qū)宜位于回流區(qū)；2）噴口安裝高度，應根據(jù)空調(diào)區(qū)的高度和回流區(qū)分布等確定；3）兼做熱風供暖時，宜具有改變射流出口角度的功能。本次工程空調(diào)系統(tǒng)就采用兼做熱風供暖的方式。旋流送風口的特點是誘導比大、送風速度衰減快且流型可調(diào)，所以能適應不同射程的需求，送風口也是可橫向、斜向或垂直方向送風。旋流風口適用于層高較高的空調(diào)建筑房間，對于本工程的多數(shù)空間都很適合。條縫形風口采用活頁風口，可調(diào)成平面流型，也可調(diào)成垂直下送流型。送風時，氣流可調(diào)成左出風、右出風、左右出風或垂直向下出風等，特別適用于公共建筑的舒適型空調(diào)。

現(xiàn)以旋流風口選型為例，介紹風口選型過程。

旋流風口以單個風口的風量、送風溫差、送風高度為依據(jù)，來控制風口的射程和噪聲等參數(shù)。有相關(guān)論文[3]論述可知，由于夏季供冷，風口送出的冷氣流有一定的自然沉降作用， 而冬季由風口送出的熱氣流密度相對于空氣較小，有隨房間高度增高而上升的趨勢，且有一定的熱量衰減，所以這里只用校核冬季風量是否滿足人員舒適度的要求。另外，在現(xiàn)場無條件側(cè)送風的前提下，選擇旋流風口頂送風。

例如計算出的首層自由學習空間南的總送風量為20350m3/h，面積647m2，結(jié)合空調(diào)區(qū)的空間位置設(shè)28個風口 （風口水平距離4m或4m左右）,則每個風口的風量為730m3/h（對應樣本風量200l/s）。樣本選型參考妥思廠家提供的旋流風口參數(shù)見圖7。

由圖中曲線可以看出，冬季垂直送風時，當選擇規(guī)格為400的風口時，在風量730m3/h時，相當于圖中風量2001/s）,送風溫差15℃情況下，最大射程為2.5m，已知自由學習空間南吊頂下凈高為5.2m，所以不能將空調(diào)熱風送至人員活動區(qū)，冬季供暖效果大打折扣。有論文[4]指出，當冬季工況和夏季工況氣流組織參數(shù)不能匹配時，可采取輔助供暖措施，如設(shè)置地暖，地板送熱風等來保證冬季供暖效果。本工程設(shè)若干混水泵，在冬季不滿足風口射程要求的空間設(shè)置地板采暖，后期運行效果良好。筆者認為，在沒有條件設(shè)輔助采暖的房間或空間，可采用冬夏季空調(diào)機組風機變頻，冬季增大送風量來保證送風射程，具體方案可與風口廠家商討，制定詳細的風口布置方案。此種措施同時也可以增加送風的換氣次數(shù)，從而增強房間空氣的流通。根據(jù)相關(guān)文獻[5]但此種方法并不節(jié)能，因此除非特殊情況下，否則不建議采用。 當風量增至50000m3/h時，即每個風口風量為1800m3/h （5001/s）,送風溫差為15℃,此時風口的射程為5m，噪聲值37dB,壓力損失50Pa。滿足人員舒適要求。

6 結(jié)語

對于異形建筑（多角度旋轉(zhuǎn)）的空調(diào)負荷計算，采用十六等分八個方向的方法，更接近負荷的真實值。另外，對于冬夏季皆用空調(diào)供冷暖的建筑，在進行風口選型的時候，人們經(jīng)常忽略冬季熱氣流向上的流動特性，只是對照樣本進行簡單選型，并沒有結(jié)合建筑層高及風口數(shù)量等具體情況校核。文章針對具體建筑空間的送風口進行選型，分情況給出風口射流不足的解決方案，具有參考價值。