高校圖書館室內熱環境分析

韓善韜

摘要：室內熱環境質量的高低對人們的身體健康、生活水平、工作學習效率將產生重大影響。而對于高校圖書館來說，控制室內熱環境，

提高高校師生的學習和辦公效率就變得尤為重要。本文通過對高校圖書館空調機組的選型及冷熱負荷的分析、循環水系統的運行分析對室內熱環境進行初步分析。再使用revit軟件，以圖書館一層為例對圖書館中庭風管系統進行建模，并使用phoenics對實際空調系統運行狀態進行流體模擬。最終對高校圖書館室內熱環境進行相關評價并對一些不足給予部分改進建議。

關鍵詞：圖書館、熱舒適、冷熱負荷、水系統、氣流組織

中圖分類號： G258.6;TU111???? 文獻標志碼：A

1 概述

隨著現代經濟與科技的發展，人們對建筑綜合環境的重視程度也越來越高，其中，室內熱環境對建筑綜合環境的影響占有主導地位。而圖書館作為重要的公共建筑，室內熱環境是否舒適便格外重要。除此之外，世界能源與環境問題方面日益突出，而建筑能耗目前占總能耗的三分之一，許多系統都存在“大馬拉小車”的現象，造成能源的大量浪費。因此，平衡室內熱環境與建筑能耗顯得十分重要。本文旨在以同濟大學嘉定校區圖書館為例，從圖書館冷熱負荷、水系統運行和氣流組織三方面對圖書館室內熱環境以及其中存在的問題進行分析評價。

2 冷熱負荷分析

嘉定校區圖書館選配機組的制冷量為3420kW，由專業計算軟件計算本建筑物的冷熱負荷，得出圖書館全年最大冷負荷值是3378.31kW，數據表明在所設條件下，機組的運行情況存在問題。經統計得，嘉定圖書館的冷負荷在900～2400kW區間的小時數最多，冷負荷值超過3000kW的時間僅為40h。

因此圖書館的3臺額定冷量為1140kW的機組，大部分時候運行在低負荷的工作狀況中，這使得機組產生的冷量不能被充分利用，進而造成了能源的嚴重浪費。若機組的數目及功率無法進行改變，那么建議僅運行3臺機組中的1-2臺，另外的機組留作備用。

再分析圖書館的熱負荷值，機組的制熱量為3600kW，計算得圖書館全年最大熱負荷值為269.80kW，故圖書館只需要一臺風冷式熱泵制熱，即可滿足整體的熱量需求，且部分負荷率只要25%即可。在冬天往往同學們在圖書館外被凍得瑟瑟發抖，但進入圖書館后卻會熱的出汗。室內外的巨大溫差造成了能源的巨大浪費。這是由于圖書館的空調機組的設計時，是按照內部人員處于飽和狀態計算的。然而并非所有時間段圖書館都為滿員狀態，這就導致了熱量的浪費。因此要改進圖書館冬季體感過熱的現狀，就是要根據實際情況，制定合理的機組使用方案和負荷率，在提供足夠的熱量同時，盡可能的減少能源浪費。

3 水系統運行分析

城市自來水以大于0.2MP的壓力進入圖書館水循環系統，進入膨脹水箱。各AHU的冷、熱水回水通過管井一路向下，和旁流循環水處理器凈化后的冷、熱水回水一起，經過水泵送至頂層的風冷熱泵。冷、熱水回水（水泵進水）首先經過蝶閥、Y型過濾器、橡膠軟接管等等，然后才進入水泵。值得注意的是水泵進水端底部多設一截帶有閘閥的管道，經求證，其有著儲存、排出雜質的作用。冷、熱水回水（水泵出水）則經過一個調節止回關斷閥和一個蝶閥，不僅可以調整出水流量，還可以防止出水倒流，損傷水泵。當然，水泵進、出水側都裝有壓力計。

冷、熱水回水（熱泵進水）在天臺通過蝶閥、Y型過濾器進入風冷熱泵。同樣地，熱泵進水側底部留有一截存儲、排出雜質的管道。經過熱泵后，冷、熱水供水（熱泵出水）就供給到各末端和AHU以進行換熱，同時熱泵出水側有單獨水管通過管井與壓差旁通裝置和膨脹水箱相連，以穩定冷、熱水供水的壓力，控制供水流量。

不難發現，圖書館采用了全集中、半集中混合式空調系統。其末端形式主要有兩種——方形散流、百葉等風口、風機盤管。每層一般設有兩臺AHU送風。不同的是，一、三、十四層采用風機盤管，四層計算機房和音響儲藏室采用VRV。此外，某些樓層具有與公共空間相隔離的辦公室、會議室，這些樓層都加裝了新風空調器，保證充足的新風量。

風機盤管供水側裝有閘閥、Y型過濾器，回水側裝有閘閥、電動雙位閥。我們知道，風機盤管一定連著三根水管，還有一根就是冷凝水管。有趣的是，一層的冷凝水管接到室外花壇供澆灌，是一項別出心裁的綠色設計。其余冷凝水則統一接至地下室積水井。

AHU的分布也十分講究。一至四層中庭內，二、三層AHU風量大于一、四層。五六層中庭與七八層中庭結構相似，然而五層AHU和六層AHU風量相近，七層AHU風量（32000CMH）則遠遠大于八層AHU（20000CMH）。不免想起同學們共同的經歷，八層總是顯得格外悶熱，也許與此有關。

4? 氣流組織分析

我們主要研究了圖書館一層中庭的風管系統，使用revit建立了圖書館一層中庭的風管系統模型圖，并使用phoenics進行了模擬。風管標高基本處于3.75m的高度，考慮到風管當中的壓降，風管系統的末段截面積要遠遠小于初段。風管末端采用了雙層格柵形風口和噴口兩種形式，如圖1-3所示。

噴口是一種覆蓋范圍很廣的風口形式，首先對噴口單獨進行了模擬，模擬中只有一側的風口出風。模擬條件如下：噴口風速2.8m/s，噴口壓力400pa，出風溫度22℃，環境溫度36℃，熱負荷20W/m。模擬結果如圖4-5所示。

我們發現，噴口的出風覆蓋區域很大，圖書館中庭與二樓聯通部分有四分之一左右的區域風速達到了0.3m/s以上，八分之一左右的區域風速達到了1m/s以上。而且全局平均溫度下降到了27℃，風覆蓋區域的溫度下降到了25℃。

之后，我們對圖書館一層整體進行了模擬，格柵風口的模擬條件如下：風速3.4m/s，壓力300pa，出風溫度22℃，其余條件與前一次模擬相同。得到的結果如6圖所示。

格柵風口的覆蓋區域明顯小于噴口，但是噴口的布置十分合理，使得在1.5的高度處，風速均能達到0.1m/s左右，能夠基本的覆蓋到全部的區域，而且風速幾乎全部維持在了1m/s一下，既不會產生對正對風口處紙張的擾動，也不會使人產生明顯的不適感。

對比之下，不難發現，格柵的覆蓋能力要弱于噴口，但是格柵很適合與垂直方向的送風。因此在機場候車廳、禮堂、大廳等層高較高、跨度較大而管線布置收到一定限制的區域通常使用噴管進行送風;而格柵則可以提供適宜的送風速度，提升人體的舒適度。

結束語

（1）高校圖書館對于空調設備選型較大，在空調實際運行時，也沒有完全考慮到圖書館實際人數，使得實際冷熱負荷較需要值偏大，造成能源浪費。

（2）實際圖書館七層AHU風量明顯高于八層風量，使得圖書館八層在實際使用過程中存在悶熱等情況。

（3）噴口和格柵風口的不同布置，使得送風效率有所提高，進而提高人體熱舒適度。

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