變風量系統外區進深劃分及對應風量特性

曹 斌

華東建筑設計研究總院

0 引言

房間的熱舒適性直接影響室內人員的工作效率和身心健康。大多數現代化辦公建筑的平面面積大且進深較深，為追求通透性和室內景觀效果，常采用大面積玻璃幕墻，使空調負荷呈現明顯的內、外區特征。外區空調負荷冷熱交替、變化很大，跟蹤并處理好外區空調負荷是空調系統的設計難點之一。除進深特別小的情況外，現代辦公樓的空調系統一般均需要劃分內外區，并對冷熱負荷分別進行計算。空調分區的目的在于使空調系統能有效地跟蹤負荷變化，改善室內熱環境和降低空調能耗。劃分內外區的關鍵是確定外區進深[1][3-4]。

變風量空調系統（簡稱VAV系統）融合了定風量系統與風機盤管系統的優點，形成其獨特的特點，在國內大、中型辦公建筑中逐漸得到越來越多的應用。合理進行空調分區是變風量空調系統設計的重要步驟之一，它直接影響空調負荷計算結果及末端裝置的選型，以及系統的運行[2][5-7]。

變風量系統一般按照溫度控制區逐一設置變風量末端，單個溫控區域的負荷峰值用于選擇末端裝置，多個溫控區域的綜合最大負荷用于確定風管尺寸，系統的綜合最大負荷用于選擇空調箱[8]。溫度控制區設置過小，投資會增大，又使末端裝置一直在小風量工況下運行，調節范圍縮小，溫度控制區域設置過大，則區域內溫差會過大，溫度控制精度差[9，10]。

本文以辦公建筑為研究對象，重點分析外區的負荷特性及外區變風量系統的一次風量變化特點。在劃分變風量空調系統的外區時，設定不同的外區進深值，分析其對一次風最大風量、一次風最小風量及VAV末端設備選型的影響。

1 變風量系統風量計算及設備選型方法

確定變風量系統及末端設備的一次風設計風量：

1）通常先按室內冷負荷計算一次風設計送風量，然后按熱負荷校核供熱送風溫度。因為采用進水溫度為5℃～10℃的冷卻盤管能達到的室內冷風送風溫差遠小于熱水盤管所能達到的熱風送風溫差，而夏季室內空調冷負荷通常大于冬季室內熱負荷；

2）送風溫差與系統風量成反比，在確定系統一次風送風溫度時，應綜合考慮風機輸送能耗、設備投資、冷源設備等因素。對于舒適性空調，送風溫差不宜大于10℃。常規送風系統的送風溫度約為14℃～16℃；

3）為保證室內的清潔度，需維持一定換氣次數，通常在6～7ACH以上[1]；

外區的夏季室內冷負荷包括：①外圍護結構冷負荷，可細分為溫差傳熱、日射得熱、空氣滲透等；②內熱冷負荷-照明、設備和人員散熱；③其他，如內圍護結構冷負荷、再熱冷負荷和蓄熱冷負荷等。在常見的辦公建筑中，主要為第①和第②項。

空調系統的一次風送風量計算通常有兩種方法，即焓差法和溫差法：

其中：QT、QS分別為室內全熱冷負荷、顯熱冷負荷，kW;hN、hS分別為室內設計狀態點的空氣焓值、送風狀態點的空氣焓值，kJ/kg；tN、tS分別為室內空氣設計干球溫度、送風溫度，℃；G為系統送風量，kg/s。

變風量空調系統及末端裝置的一次風設計風量計算通常按照顯熱-溫差法進行計算，即式（1-2）。

2 模型設定

圖1 建筑模型的平面及剖面示意圖

本文采用的某辦公建筑標準層模型如圖1所示，平面尺寸為40m×40m（總面積1 600㎡），核心筒位于平面中間，大空間布局。建筑層高為4．5m，室內凈高為3．0m，外圍護結構為幕墻形式，窗墻比約0．7，窗臺高度0．65m。根據朝向，將外區劃分為：南外區（S）、北外區(N)、西外區(W)、東外區（E）、東北外區（NE）、西北外區（NW）、東南外區（SE）和西南外區（SW）。

選取中間樓層作為典型模型進行分析，圍護結構性能參數取值見表1。

表1 建筑模型的圍護結構性能參數

整層采用全空氣變風量VAV空調系統，內外區分設空調箱。項目所在地：上海。空調系統夏季空調一次風送風溫度設定為15℃。室內設計參數見表2。

表2 空調室內設計參數

對于建筑外區的進深，根據空調區的用途、使用情況、圍護結構熱工性能等情況而有所不同，在實際工程中，通常取值為3m～5m，但實際景深范圍有較大的變化[1，2]。本節設定的外區進深基準值為4m（圖1中的外區進深為4m）。此外，分別將外區進深取值為3m、5m作為對比組，對各朝向外區的空調系統一次風的風量進行計算及分析。

3 不同進深劃分下的各朝向外區風量特性

3.1 外區一次風的風量變化規律

通過采用負荷計算軟件HDY-SMAD V4．0，得出各朝向外區的設計日逐時空調冷負荷值，從中提取室內顯熱冷負荷數值，通過前文所述的式1-2，分別計算出各朝向外區單位面積所需的空調一次風的風量逐時值，并進一步將其換算為單位面積一次風換氣次數。

圖2為當外區進深取4m時，北向、南向、西向及東向外區單位面積一次風換氣次數的逐時（8:00～18:00）變化情況。通過對比發現，各朝向外區在設計日條件下的逐時風量變化規律均呈開口向下的拋物線變化，但波峰出現的時間不同。東向外區在上午10:00達到最大值，然后不斷下降；西向外區在下午17:00達到最大值，在此之前一直呈穩步上升趨勢；南向外區和北向外區的變化趨勢基本一致，出現峰值的時間分別在下午14:00和17:00。

圖2 各朝向外區單位面積逐時空調一次風換氣次數（外區進深=4m）

其次，從單位面積一次風換氣次數的總量角度看，在四個朝向的外區中，西外區的單位面積一次風換氣次數峰值最大，達到13．6ACH，其次是東外區，為11．5ACH，北向和南向的峰值比較接近，分別為7．6ACH和8ACH。通過分析得知，在進行各溫控區域的VAVbox末端選型時，對于相同面積的外區，西向的VAVbox的一次風最大設計風量大于南向和北向；如果各朝向外區都選用相同規格型號的VAVbox，則西向外區的溫控區域要劃分的更小一些。

圖3為在夏季設計日條件下，各朝向外區單位面積空調一次風量變化幅度。將各朝向的單位面積一次風最大風量（即為VAVbox末端選型時的最大設計風量）設定為100%，一次風最小風量與最大風量的比值表示其變化幅度，也可以近似理解是VAVbox末端選型時的最小一次風量調節比例。通過對比可以發現，在北向、南向、西向和東向外區中，西向的變化幅度較大，一次風最小風量約為最大設計風量的36%，除此以外，其它三個朝向的變化幅度均在50%以上。圖3包含了四個角部外區（即東北外區、西北外區、東南外區、西南外區）的空調一次風量變化幅度，結果呈現兩極分化的趨勢，西北外區和西南外區的風量比值約為40%，而東北外區、東南外區的比值均超過70%，這表明后面兩個角部區域的負荷變化較為穩定，末端VAVbox的調節幅度也較為平穩。綜合比較后發現，由于受到西向的熱變化幅度劇烈的影響，包含靠西面外圍護結構的外區負荷變化幅度較大，進而導致配置的末端VAVbox的一次風量調節范圍也較大。在實際工程中，通常選用的VAVbox末端的一次風量可調節比例約為30%～100%，可基本上滿足各朝向的調節要求。

圖3 設計日各朝向外區單位面積空調一次風量變化幅度（外區進深=4m）

3.2 不同外區進深取值產生的影響

在前文分析基礎上，為了進一步分析進深劃分對各朝向外區的VAV系統及末端風量特性產生的影響，本節對外區進深取值分別為3m、5m的情況進行分析，其余參數設置不變。

當進深取值調整之后，空調外區的整體面積也會發生相應的變化。當外區進深取值減少時（由4m減小為3m），通過相同朝向的外圍護結構所獲得熱量維持不變，但由于外區面積縮小，導致將這部分外圍護的熱量平攤之后的單位面積負荷密度增大。對于單位面積區域而言，在室內設計參數及空調一次風送風參數維持不變的情況下，需要提供更多的一次風量以消除該部分負荷，如圖4所示。反之，當外區進深取值增大時（由4m增大為5m），通過外圍護結構獲得的熱量維持不變，由于外區面積擴大，導致將這部分外圍護的熱量平攤之后的負荷密度減小。對于單位面積區域而言，在室內設計參數及空調一次風送風參數維持不變的情況下，提供較少的一次風量即可消除室內負荷，如圖5所示。

圖4 各朝向外區單位面積逐時空調一次風換氣次數（外區進深=3m）

圖5各朝向外區單位面積逐時空調一次風換氣次數（外區進深=5m）

圖6 列舉了選用不同進深值時各朝向外區的單位面積空調一次風最大風量，包含南外區（S）、北外區(N)、西外區(W)、東外區（E）、東北外區（NE）、西北外區（NW）、東南外區（SE）、西南外區（SW），單位為ACH/m2。從圖6中可以看到，在外區進深取值由3m-4m-5m不斷增大的過程中，單位面積的一次風最大需求風量逐漸降低，且降幅明顯。以西向外區為例：當外區進深取3m時，單位面積一次風最大風量需求為16．8ACH；當外區進深劃分增大到5m時，單位面積需求風量降低為11．7ACH，這也表明，在調整外區進深劃分后，處于該外區環境下的室內人員的吹風感會明顯減弱。

圖6不同外區進深條件下各朝向外區單位面積空調一次風最大風量

圖7 比較了選用不同外區進深值時設計日各朝向外區單位面積空調一次風量變化幅度，即一次風最小風量與最大風量的比值。隨著外區進深劃分取值的增大，各朝向的最小風量比值呈增大的趨勢，但從整體角度而言，數值差異并不大，即表明在選型時需要VAVbox末端可實現的調節范圍不產生明顯的影響。

圖7 不同外區進深條件下設計日各朝向外區單位面積空調一次風最小風量比值

4 結語

通過對比分析，得出以下結論：

（1）各朝向外區在設計日條件下的逐時風量變化規律均呈開口向下的拋物線變化，但波峰出現的時間不同。東向外區在上午10:00達到最大值，西向外區在下午17:00達到最大值，南向和北向外區的峰值出現時間分別在下午14:00和17:00。西向外區的單位面積空調一次風最大，設計風量值較其它三個朝向大，對于相同面積的外區，為西向外區服務的VAVbox的一次風設計風量選型值需要相對大些。

（2）由于受到西向的熱變化幅度劇烈的影響，包含有靠西面外圍護結構的外區負荷變化幅度較大，從而導致配置的末端VAVbox的一次風量調節范圍也較大。

（3）外區進深取值不同不會影響各朝向外區在設計日條件下的逐時風量變化規律及波峰出現的時間。在外區進深取值由3m-4m-5m不斷增大的過程中，單位面積的一次風最大需求風量逐漸降低，表明室內人員的吹風感會明顯減弱。

（4）隨著外區進深取值的增大，各朝向外區的一次風最小風量與最大風量比值呈增大的趨勢，但整體幅度較緩，對VAVbox末端調節范圍選擇不產生明顯的影響。