大風量空調機組應用于小空間的策略研究

(浙江工業大學 工程設計集團有限公司，浙江 杭州 310014)

考慮到大空間場所空調負荷變化規律性比較明顯、溫濕度要求比較統一，為保證整個空間場所空氣氣流的合理分布，空調設計一般采用全空氣系統比較合理，空調設備采用大風量空調機組更能適用于大空間場所對空調的要求。全空氣系統是指使用場所為了達到空調效果，其所需的冷源、熱源介質不進入大空間場所而只是接送至為其服務的空調機房，使用場所內的冷量和熱量全部由布置在空調機房內的空調機組處理后的冷、熱空氣承擔，使用場所內只有空調風管布置，為了便于空調送風管和回風管的布置，空調機房一般布置在使用場所內部位置。對于大空間場所，采用大風量空調機組進行空氣處理的全空氣空調系統是經濟、合理、適用的空調形式。

隨著時間的推移，歷史的變更，房間的使用功能也會隨之改變。原來是大空間場所使用功能，使用一段時間后會作為增加許多分隔墻的小房間使用。在設計過程中，投資單位往往會提出許多要求，包括不改變原來的空調設備，通過對空調系統的管路進行改造設計，增加相應技術措施，以達到實際使用要求。用同一臺大風量空調機組對各種不同功能的房間進行送風回風，組織合理的空調氣流，解決空調送風量分配不均勻、各房間空調使用要求溫濕度不一致、空調使用時間不一致、各房間空調冷熱負荷差異性等一系列技術問題，從而實現不同使用功能房間的空調需求[1]，對研究者來說是一個新的課題。

1 大風量空調機組應用于小空間場所時存在問題

為了更好地研究大空間場所與有分隔墻的小房間兩種空調工作條件下的空調情況，找出兩種條件下存在的問題，特意把兩種情況設定為邊界條件一和邊界條件二。

邊界條件一：大空間場所、房間使用功能單一、空調使用時間穩定、空調負荷和風量恒定，采用一臺大風量空調機組對整個大空間場所實施空調送風回風，平時使用時能夠滿足該場所空調溫濕度使用要求，運行情況穩定。

邊界條件二：把大空間場所分隔成許多小面積房間，各房間使用功能不同，空調使用時間不同，各房間一天中出現空調最大冷熱負荷和風量的時間段是不一致的，在這種前提下，采用原來一臺大風量空調機組對眾多小面積房間送風回風，如何能滿足各房間空調使用要求。

邊界條件一的空調系統經過多年運行，一直運行穩定，能夠滿足客戶期待的使用要求。邊界條件二采用同樣的一臺大風量空調機組對眾多小面積房間送風回風，是否能夠滿足各房間的空調使用要求，或者說空調使用過程中會發生什么樣的問題。通過鴻業空調負荷軟件計算分析表明：盡管總建筑面積沒有發生變化，由于劃分為眾多功能不同的小房間，邊界條件二情況下的空調冷熱負荷與空調總送風量值要比邊界條件一減少15%～20%，如果還是采用一臺大風量空調機組運行，會產生以下問題[1-6]：

1) 大風量空調機組運行成本會增加20%～30%，不利于建筑節能要求。

2) 邊界條件二中各房間空調系統的送風會非常不均勻，直接結果是各房間的溫濕度難以達到期望目標值要求。

3) 大風量空調機組長期在大風量狀態下運行，不僅風量難以消耗，還會產生較大的運行噪聲，不利于各房間舒適性空調對房間噪聲環境的要求。

4) 眾多小房間的吊頂空間中有大尺寸風管、大截面風管的存在，不利于房間吊頂造型的布置，不利于建筑空間的有效利用。

綜上因素，邊界條件二大風量空調機組運行時，如果不采取相應安全可靠的技術措施，空調系統的運行達不到舒適性空調要求的經濟、適用、安全、環境等目標期望值。

2 設計策略

在邊界條件二設定條件情況下，如何使空調運行工況能夠達到目標期望值，針對這一問題筆者分別從以下幾個方面進行策略研究，并采取相應的技術措施以達到設定的目標。

2.1 空調負荷及風量計算

空調負荷及風量的正確計算是分析邊界條件二空調系統情況的基礎，本研究采用的軟件是“鴻業空調負荷計算軟件”(9.0版)。邊界條件二與邊界條件一相比，建筑圍護結構條件是一樣的，不同條件是邊界條件二情況下，房間人員數量、燈光照明指標、空調系統新風指標不同。計算結果是邊界條件二情況下的總冷熱負荷和空調送風量要比邊界條件一少15%～20%，以此空調負荷及風量計算確定設定目標數據。

2.2 空調系統設計策略

筆者從空調負荷和風量匹配、采用風機變頻技術、定風量閥的應用等幾個方面分析，考慮空調系統的設計策略。

2.2.1 空調負荷和風量匹配

通過對邊界條件二中各房間進行分析、計算和研究，邊界條件二整個區域空調的逐時冷熱負荷及與之相適應的風量是一個確定值，在對各房間實施空調設計時，需要送入的空調冷熱負荷和風量也是一個確定值，這兩者之間只需考慮管路損耗和熱效率就能確定空調設備的負荷及風量要求，在空調設備的選配時應盡量避免產生“大馬拉小車”的情況。邊界條件二要求的空調設備參數要求比邊界條件一要小15%～20%。

2.2.2 風機變頻技術

風機變頻是空調行業中應用于大風量空調機組不太常見的技術措施，主要原理是根據空調場所所需實際風量的要求改變風機轉速，從而可以改變空調機組中風機的運行曲線，隨著風機轉速的變化，風機的風量、風壓和電機耗功率值都會有明顯的變化。圖1為風機特性曲線。圖1中：Q為風機風量；p為風機風壓；Q—p風機特性曲線是風機在不同速度條件下運行時的風壓—風量特性曲線；管網特性曲線是管網在不同風量條件下運行時的管網風管阻力特性曲線。

圖1 風機特性曲線Fig.1 Fan characteristic curve

工作點A是滿足邊界條件一前提下空調機組的運行工作點，此時空調機組風機轉速為n1，風量為Q1，風壓為p1。工作點B是滿足邊界條件一前提下空調機組的運行工作點，此時空調機組風機轉速為n2，風量為Q2，風壓為p2。當空調機組風機工作點由A變至B時，風機風量、風壓在風機轉速變動下作相應變化，此時風管管網阻力也隨著風機風量、風壓的改變而變化[7-13]。

為了達到邊界條件二的運行條件，通過對空調機組設置風機變頻器，采取改變風機運行轉速的技術措施，改變風機電機運轉頻率來實現空調機組風量、風壓的最優化運行，在滿足空調場所風量、風壓要求前提下同時滿足風管管路阻力要求。通過對空調場所的風量和風管系統的水力進行分析計算，空調機組的工作點從A改變為B時，工作點B狀態下空調機組風機的風量Q2能夠滿足邊界條件二情況下各小空間房間空調風量要求，風機的風壓p2也可以克服空調風管系統阻力，達到每個送風口對送風量和送風風速的要求，從而滿足各個房間設定空調的目標。

流體力學公式表明風機風量Q與轉速n成線性關系，風機風壓p與轉速n成二次方正比，風機軸功率Nz與轉速n成三次方正比[7-13]，即

(1)

式中：Q1為轉速n1時的風機流量，m3/h；Q2為轉速n2時的風機流量，m3/h；p1為轉速n1時的風機風壓，Pa；p2為轉速n2時的風機風壓，Pa；Nz1為轉速n1時的風機軸功率，kW；Nz2為轉速n2時的風機軸功率，kW。

采取風機變頻技術后，風機在轉速變化情況下，空調機組本身的節能效率變化也是比較明顯的。在空調機組風機工作點B狀態下，空調機組風量為Q2，風壓為p2，Q2和p2均能滿足房間空調風量、風壓要求，根據式(1)，風機軸功率Nz與轉速n成三次方正比，從理論上可以很容易計算出空調機組風機轉速降低20%，其節能效率能夠達到40%以上。

2.2.3 定風量閥的應用

定風量閥是一種因特定的空調場所風量恒定所需而設置的風管閥門，它可以確保該場所空調效果，本研究采用的是機械式自力定風量閥，主要是根據定風量閥前后的壓差來確定閥門的開啟度，從而保證送入房間的風量值。定風量閥的優點是安裝位置不受限制，風量精度可以根據需要自動平衡調節，不會受水力計算不平衡導致風量不平衡的影響，區域回風口設置在房間門或墻體的底部。其缺點是空調房間對空調的使用時間不能隨意，溫濕度控制只能服從于空調機組服務的整個區域[14-17]。

邊界條件一是大空間場所，邊界條件二是劃分為許多使用功能的小空間場所。為了保證邊界條件二前提下各小空間場所的空調使用效果，在送入各小房間空調風管支管上設置定風量閥，根據風量計算結果選定相應規格尺寸的定風量閥，各小房間空調所需的風量值基本恒定，能夠保證應該要送入空調房間的風量，從而能夠保證各小房間的空調使用效果。

2.3 平時通風設計策略

空調場所注重的是該場所空調冷熱負荷的平衡，空調送風、排風、新風的平衡，只要送入房間空調風量的負荷能夠消除房間的熱濕負荷，就能達到房間空調的效果?？照{房間相對來說是一個密閉空間，房間內的空氣質量是由空調設備送入房間的空調風量、排出的空氣量及送入房間的空調新風來保證的，空調場所的排風措施對房間的空調效果及空氣質量都會有明顯的影響[1]。

2.3.1 單獨設置排風系統

在邊界條件二條件下，根據房間面積確定房間換氣次數，可以設置單獨的排風系統，系統比較簡單，不作太多論述，主要一點是應注意排風量與送入該房間的新風量之間的平衡，否則會影響房間空調效果。

2.3.2 與消防排煙系統兼用

任何工程消防排煙系統僅當需要消防排煙時才會被使用，平時除消防檢查外不會開啟使用，如何在平時也能利用該系統，對暖通工程師來說，也是一種技術上的挑戰。通過計算分析，邊界條件二空調場所平時排風的風量一般只有消防排煙風量的50%以下，因此，排煙風管的管路應用于平時通風系統時風量是完全滿足要求的。通過對排風風機、排風口和防火閥的系統控制，以及對排煙風機、排煙閥和排煙口的系統控制，通風時運行排風風機、防火閥，排煙時運行排煙風機、排煙閥、排煙口，平時排風系統和消防排煙系統可以合用風管管路[18-20]。

2.4 防排煙設計策略

防排煙系統的設計應遵循現行規范要求。對于不滿足自然排煙的場所均應設置消防排煙系統，并根據要求決定是否設置排煙時的補風系統。邊界條件二情況下，各小空間場所是不滿足自然通風和自然排煙條件的，在設置消防排煙系統時，采用通風系統與消防排煙系統合用的技術措施，既能滿足消防時的排煙，又能滿足平時通風的要求，節省了一套風管管路系統[18-20]。

3 案例研究

某科技服務中心項目位于浙江省杭州市，屬于高層建筑，地上共24 層，總建筑面積為362 445.88 m2，其中地上建筑面積為231 666.39 m2，本次裝修改造僅對1～5 層進行設計，裝修改造部分建筑面積為27 410 m2，1～5 層原設計主要功能為大空間場所，按人員密集場所考慮，空調系統均采用全空氣系統，裝修改造后主要使用功能改變為市民服務中心，主要有辦公、會議、檔案、資料、銀行、招投標中心、網絡中心、指揮中心等使用功能，大部分均為小隔間分隔，對于空調使用時溫濕度要求、使用時間、空調冷熱負荷與原來的設計布置大相徑庭。1～5 層空調系統的總冷負荷為3 719 kW，熱負荷為2 603 kW[1-3]。

3.1 空調負荷計算

3.1.1 室內設計參數

各功能場所房間內的溫濕度按《實用供熱空調設計手冊》(2008)[1]中負荷計算要求和《公共建筑節能設計標準》(DB 33/1036—2007)[3]中相關要求設置，新風量按最小標準確定，并確定各場所噪聲指標值，按要求選擇室內通風空調設備并采取相應的降噪措施(表1)[1-3]。

表1 室內設計參數Table 1 Indoor design parameters

3.1.2 空調負荷計算

根據裝修改造后確定的平面使用功能圖紙，采用鴻業空調負荷軟件進行冷負荷和風量計算，列出了裝修改造由大空間改為具有各種功能小房間前后，各樓層、各防火分區內風量和冷量的技術參數對照表，如表2所示[1-3]。

表2 裝修改造前后空調機組參數對比Table 2 Comparison of air conditioning unit parameters before and after renovation

3.2 空調設計

通過空調負荷和風量計算，從表2中可以看出：大空間改為具有各種功能小房間后，各樓層、各功能使用房間對空調風量和負荷的需求，與原來安裝就位的空調機組相比，風量、冷量需求要比原來小15%～20%左右。由于風量需求的變化，如果不改變空調設備，直接采用原來的空調設備，空調系統運行時一定會產生“大馬拉小車”的狀況；空調送風量偏大造成空調房間內噪聲大，影響空調使用環境。為滿足空調主送風管送風風速<10 m/s要求，風量不變條件下，空調主送風管尺寸大會影響裝修空間尺寸，更主要是會造成空調能效浪費而不利于建筑節能。本工程改造設計中應采取相應的技術措施，才能達到設計要求和實際使用目的，根據空調設計研究策略的結論，決定采取以下技術措施[4-6]。

3.2.1 風機變頻技術

本次采取的措施是設置了空調變頻器來改變風機轉速，根據設定的空調回風溫度，由變頻器程序計算出空調場所實際使用過程中所需的風量、風壓、冷熱負荷，從而計算出空調設備的實際轉速需求，最終確定空調機組送入空調場所相應的風量、冷熱量，以達到使用要求和設計目標。圖2為空調機組變頻控制原理圖[7-13]。

根據式(1)，以表2中3層防火分區二80 000 m3/h空調機組的運行情況為例進行分析，可以分析出風機在額定風量100%，80%，50%條件下，風機的風壓分別是額定風壓的100%，64%，25%，風機的軸功率分別是額定風壓的100%，51.2%，12.5%，見表3。

表3 不同轉速下空調機組風量、風壓、軸功率變化

Table 3 Changes of air volume, wind pressure and shaft power of air conditioning units at different speeds

風機轉速/(r·min-1)風機風量/(m3·h-1)風機風壓/Pa風機軸功率/kW節能效率/%2 90080 0001 10040.0002 32064 00070420.4848.81 45040 0002755.0087.5

從以上分析計算中可以看出：對原有空調機組采用風機變頻技術，在滿足空調場所實際使用要求的風量、風壓前提下，空調系統節能效果也是非常明顯的。根據空調負荷軟件計算，3層防火分區二空調系統正常運行時需要的風量是額定風量的50%～80%；通過空調水力計算，空調機組在額定風量50%～80%風量運行時，該系統風管管路需要的風壓為250～280 Pa。因此3層防火分區二區域在由大空間劃分為具有各種功能的小房間后，采用風機變頻技術，風機轉速即使降低至50%時空調機組的風量、風壓也是能夠滿足實際需要的。

空調機組風機轉速降低至50%，考慮風機效率為52%，可以計算出該防火分區內空調系統的節能效果基本在25%～40%，就空調機組本身來看，在滿足空調場所風量、風壓、冷熱負荷需求的前提下，節能效果明顯，因此，其經濟性也是比較可觀的[7-13]。

圖2 空調機組變頻控制原理圖Fig.2 Frequency conversion control schematic diagram of air conditioning unit

3.2.2 定風量閥的應用

本工程采用定風量閥是為了使空調機組能夠服務于不同使用功能的房間空調，圖3是3層防火分區一的空調設計，為了不改變該防火分區內的空調設備，不動產的幾個獨立房間空調主送風管上設置了定風量閥，設計時明確了服務房間的風量指標要求，空調系統的回風采用在房間門的下部設置百葉回風口，以保證該區域空調系統運行時氣流的循環。根據計算，圖3中不動產的幾個房間風量需求分別是1 728，1 152，810 m3/h。實際運行中不動產的幾個獨立房間采用了定風量閥，保證送入各房間的空調風量，且有良好的空氣循環運行，空調效果及舒適度完全達到了設定的要求。

圖3 三層防火分區一空調設計Fig.3 Three level fire compartment design

4 平時通風設計

圖4 二層防火分區一排風與排煙合用系統設計Fig.4 Design of a two level fire compartment system for combination of exhaust and smoke

圖5 屋頂消防排煙風機、排風機設計Fig.5 Design of roof fire and smoke exhausting fan and exhaust fan

本工程1～3 層服務大廳屬于人員密集場所，根據規范和使用要求，服務大廳應設置非空調季節的排風系統。改造設計過程中遵循節省投資的原則，考慮盡量利用原設計管路，所以采取排風系統與消防排煙系統合用風管管路，同一風管管路上設置平時通風需要的排風口、排風風機，并設置消防排煙時的排煙口、排煙風機，既滿足規范要求也能符合實際使用要求，如圖4，5所示。圖4中70 ℃電動防火閥平時常開，與單層百葉風口連通，鋼制排煙風口平時常閉，滿足平時通風要求；消防排煙時由消控中心控制聯動關閉70 ℃電動防火閥，同時消控中心聯動開啟鋼制排煙風口進行該區域的排煙。圖5中PF-4風機是平時排風系統的排風風機，PY-4風機是該防火分區的排煙風機，平時正常運行時PF-4風機常開，滿足服務大廳排風要求，排風時PY-4風機是停止運行的；消防排煙時由消控中心控制關閉PF-4風機和與之相連的70 ℃電動防火閥，同時消控中心聯動開啟PY-4風機的運行，280 ℃防火閥的作用是排煙系統排煙溫度超過280 ℃時自動關閉PY-4系統排煙口、排煙風機，并聯動消控中心關閉PY-4系統的運行[18-20]。

該大廳的通風系統和排煙系統合用風管管路，只要在系統控制措施設計到位的情況下是完全能滿足實際使用要求的，可以節省通風系統的一套風管，并且由于風管管路的減少，建筑物內部的使用空間也可以得到極大的利用。

5 排煙系統設計

本工程裝修改造時，將部分大空間場所分隔為不同使用功能的小房間，小房間是否需要設置排煙系統需根據規范確定，且房間布局的改變，防煙分區應根據規范要求重新劃分設計。本工程1～5 層大于50 m2的無外窗房間、大于100 m2且不滿足自然排煙條件的房間、超過20 m長的內走道及劃分防煙分區的區域均采用機械排煙系統，且每個防煙分區面積小于500 m2，其排煙量應按不小于60 m3/(h·m2)計算，排煙風機的排煙量按最大防煙分區面積的120 m3/(h·m2)計算確定，排煙風機統一設于裙房屋頂[18-20]。

6 結 論

將大空間劃分為不同使用功能小房間的空調設計時，可能會遇到原有空調機組風量過大、原設計空調系統不滿足重新劃分后房間空調使用要求、排風及排煙系統需根據現房間布置另行設計等情況。針對以上問題，筆者提出一系列的設計策略，包括風機變頻、定風量閥、排風與消防排煙系統合用等一些技術措施。以杭州市某科技服務中心裝修改造時空調通風防排煙實際工程設計為例，將筆者提出的各項設計策略應用于該工程實際，有效解決了整個空調系統使用過程中可能會出現的問題，從而滿足各功能場所空調使用的舒適性和節能性。本工程目前已竣工完畢，經過夏季和冬季供冷供熱兩個空調季節的使用，目前該工程空調系統整體運行正常，設計過程中采取的各項技術措施是可行的，特別是采取對空調機組風機的變頻措施，就空調機組本身而言，根據實測的運行數據可知節能效率已達25%～40%，從整個空調系統的一次投入的經濟性看也比同類項目更節省投資，完全達到了設計預期的目標，也得到了用戶的好評，系統運行達到了節能、舒適、經濟合理的目的。本研究成果能為大風量空調機組應用于小空間的設計、改造和運行提供重要參考[16]。