北京地區(qū)辦公類建筑內(nèi)區(qū)新風(fēng)供冷實(shí)例分析

薛懷坤，王哲毅，王小繁

1.北京世紀(jì)互聯(lián)寬帶數(shù)據(jù)中心有限公司，北京 100016

2.海口華僑城文化旅游發(fā)展有限公司，海南 海口 570100

3.南寧市勘察測(cè)繪地理信息院，廣西 南寧 530022

目前，現(xiàn)代綜合體建筑越來(lái)越多，尤其是辦公室綜合體。由于辦公區(qū)域進(jìn)深比較大，靠外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的周邊區(qū)域與內(nèi)區(qū)空調(diào)負(fù)荷存在較大差異。《辦公建筑設(shè)計(jì)規(guī)范》（JGJ 67—2006）及《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50189—2015）等設(shè)計(jì)規(guī)范中均有要求，內(nèi)、外區(qū)宜分別設(shè)置空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)。風(fēng)機(jī)盤管加新風(fēng)系統(tǒng)是我國(guó)較為普遍采用的一種空調(diào)系統(tǒng)，文章將結(jié)合實(shí)際工程，重點(diǎn)論述該系統(tǒng)在冬季內(nèi)區(qū)進(jìn)行供冷的節(jié)能設(shè)計(jì)思路。

1 空調(diào)內(nèi)外區(qū)簡(jiǎn)介

1.1 內(nèi)外區(qū)負(fù)荷特征

外區(qū)是受外圍護(hù)結(jié)構(gòu)日射得熱、溫差傳熱和空氣滲透影響的區(qū)域；內(nèi)區(qū)是與建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)有一定距離，不受圍護(hù)結(jié)構(gòu)日射得熱、溫差傳熱和空氣滲透的影響，具有相對(duì)穩(wěn)定的邊界溫度條件的區(qū)域[1]。由上述定義可知，辦公建筑外區(qū)的空調(diào)負(fù)荷是由于室內(nèi)外溫差和太陽(yáng)輻射作用，通過(guò)圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱形成，夏季存在冷負(fù)荷，冬季存在熱負(fù)荷，且負(fù)荷波動(dòng)較大。內(nèi)區(qū)負(fù)荷則是由人員、燈光照明及設(shè)備散熱形成冷負(fù)荷。由于人員與設(shè)備散熱量的變化較小，內(nèi)區(qū)的冷負(fù)荷波動(dòng)較小，且全年為冷負(fù)荷，因此在1月、2月、11月、12月內(nèi)區(qū)房間需要供冷，可見(jiàn)內(nèi)、外區(qū)的合理劃分十分重要。

1.2 內(nèi)外分區(qū)常規(guī)劃分方法

辦公室內(nèi)外區(qū)的劃分標(biāo)準(zhǔn)與許多因素有關(guān)，其中房間分隔是一個(gè)重要的因素，設(shè)計(jì)中需要靈活處理。例如在進(jìn)深方向有明確分隔，且分隔處一般為內(nèi)外區(qū)的分界線；房間開(kāi)窗的大小、房間朝向等因素也對(duì)劃分有一定影響，在設(shè)計(jì)沒(méi)有明確分隔的大開(kāi)間辦公室時(shí)，根據(jù)國(guó)外有關(guān)資料介紹，通常可將距外圍護(hù)結(jié)構(gòu)3～5m的區(qū)域劃分為外區(qū)，其所包圍的區(qū)域?yàn)閮?nèi)區(qū)。為了滿足不同人員的使用需求，也可以將上述3～5m作為過(guò)渡區(qū)。在計(jì)算空調(diào)負(fù)荷時(shí)，內(nèi)外區(qū)都應(yīng)計(jì)算此部分負(fù)荷，這樣只要分隔線在3～5m變動(dòng)，都能滿足要求。上述方法直接給出了經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，當(dāng)遇到具體工程時(shí)，不同朝向的外區(qū)進(jìn)深應(yīng)有所區(qū)別，從內(nèi)外分區(qū)空調(diào)負(fù)荷特性進(jìn)行具體計(jì)算，確定外區(qū)進(jìn)深。

2 空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

從負(fù)荷特性方面分析，在冬季外區(qū)有熱負(fù)荷，即通過(guò)圍護(hù)結(jié)構(gòu)與室外的傳熱負(fù)荷，同時(shí)外區(qū)自身有人員、燈光照明及設(shè)備散熱量形成的冷負(fù)荷，故外區(qū)存在一個(gè)合適的進(jìn)深，使外區(qū)在冬季空調(diào)室外設(shè)計(jì)溫度條件下的圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱負(fù)荷與室內(nèi)冷負(fù)荷相等。

2.1 工程實(shí)例

豐臺(tái)區(qū)麗澤路E-05地塊C2商業(yè)金融用地項(xiàng)目位于北京豐臺(tái)區(qū)麗澤商務(wù)區(qū)E區(qū)，東臨麗澤一路，西至金中都中路，北至豐臺(tái)北路西延，南至鳳凰嘴北路，項(xiàng)目為金融寫(xiě)字樓，建筑高度為172.9m。取其標(biāo)準(zhǔn)層為研究對(duì)象，標(biāo)準(zhǔn)層層高為4.3m，對(duì)其進(jìn)行合理的內(nèi)外分區(qū)設(shè)計(jì)計(jì)算。鑒于四個(gè)朝向分析過(guò)程一致，取南向?yàn)檠芯繉?duì)象。建筑標(biāo)準(zhǔn)層平面如圖1所示。

圖1 建筑標(biāo)準(zhǔn)層平面

以南向A區(qū)為例，A區(qū)長(zhǎng)度為53.5m，維護(hù)結(jié)構(gòu)只有南側(cè)，東西側(cè)均無(wú)維護(hù)結(jié)構(gòu)。標(biāo)準(zhǔn)層辦公室人員、燈光照明及設(shè)備散熱量參照北京市《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)規(guī)范》（DB11/ 687—2015），建筑體型系數(shù)≤0.3，屬于乙類建筑，外墻傳熱系數(shù)為0.45W/(m?K)，窗戶傳熱系數(shù)為1.8W/(m?K)，上下層均為空調(diào)區(qū)，室內(nèi)燈光照明密度為9W/m2，房間人均占有的使用面積為8m2，電氣設(shè)備功率密度為15W/m2，人員顯熱為61W/人，潛熱為73W/人，散濕量為109g/(h?人)。辦公建筑的工作時(shí)間表為工作日8：00—18：00。照明開(kāi)啟率時(shí)間[2]如表1所示，房間人員在室率時(shí)間如表2所示，電氣設(shè)備使用率時(shí)間如表3所示，該辦公室室內(nèi)溫度設(shè)計(jì)濕度如表4所示。

表1 照明開(kāi)啟率時(shí)間表 單位：%

表2 房間人員在室率時(shí)間表 單位：%

表3 電氣設(shè)備使用率時(shí)間表 單位：%

表4 房間空調(diào)設(shè)計(jì)溫濕度

2.2 外區(qū)進(jìn)深計(jì)算

根據(jù)《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50736—2012）對(duì)空調(diào)負(fù)荷計(jì)算規(guī)定，以外區(qū)為研究對(duì)象，分別計(jì)算外區(qū)冬季空調(diào)熱負(fù)荷，冬季外區(qū)人員、燈光照明及設(shè)備的冷負(fù)荷。設(shè)計(jì)人員以外區(qū)維護(hù)結(jié)構(gòu)熱負(fù)荷與外區(qū)內(nèi)擾冷負(fù)荷相等為依據(jù)進(jìn)行外區(qū)進(jìn)深的計(jì)算。其中外區(qū)熱負(fù)荷值為維護(hù)機(jī)構(gòu)熱負(fù)荷，采用規(guī)范規(guī)定的穩(wěn)態(tài)計(jì)算方法，而內(nèi)擾產(chǎn)生的冷負(fù)荷采用逐時(shí)計(jì)算方法，內(nèi)擾冷負(fù)荷取值為冬季空調(diào)設(shè)計(jì)日逐時(shí)最大值。不同朝向計(jì)算結(jié)果如表5所示。外區(qū)進(jìn)深取值為使外區(qū)熱負(fù)荷值等于外區(qū)內(nèi)擾冷負(fù)荷值，以此為內(nèi)外分區(qū)界限。

表5 房間內(nèi)外分區(qū)計(jì)算結(jié)果表

根據(jù)計(jì)算結(jié)果與相關(guān)資料，推薦外區(qū)進(jìn)深為3～5m，不同朝向略有不同，結(jié)合實(shí)際工程，為計(jì)算方便，各朝向進(jìn)深取值如表6所示。

表6 房間內(nèi)外分區(qū)規(guī)整取值表 單位：m

2.3 內(nèi)區(qū)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)已確定的外區(qū)進(jìn)深，可以設(shè)計(jì)各個(gè)朝向內(nèi)區(qū)區(qū)域尺寸。由于內(nèi)區(qū)不受外界影響，故各個(gè)內(nèi)區(qū)負(fù)荷特性相同。下文以南向內(nèi)區(qū)為研究對(duì)象，對(duì)內(nèi)擾進(jìn)行逐時(shí)計(jì)算，考慮最不利工況，同時(shí)計(jì)算人員、燈光及設(shè)備散熱量，得出逐時(shí)內(nèi)區(qū)冷負(fù)荷最大值為12.44kW，濕負(fù)荷為2.89kg/h。

繪制焓濕圖需由冷負(fù)荷與濕負(fù)荷求得熱濕比如下式：

式中：Q為冷負(fù)荷，kW；W為濕負(fù)荷，kg/h。代入具體數(shù)值求得ε=15496kW/(kg·h-1)。

冬季內(nèi)區(qū)雖然需要供冷，但是在北方地區(qū)，室外新風(fēng)溫度較低，仍然需要加熱加濕后送入室內(nèi)，由于內(nèi)區(qū)送風(fēng)溫度較低，因此對(duì)加濕系統(tǒng)的選取有一定的要求。空氣的加濕按加濕原理分為等溫加濕和等焓加濕兩種，等溫加濕主要有直接噴蒸汽加濕、加熱蒸發(fā)加濕（包括電熱式加濕、電機(jī)式加濕）等；等焓加濕主要有循環(huán)水噴水室，離心式、超聲波式、濕膜式、高壓噴霧式等。通常選用加濕效率η和加濕飽和效率ηb來(lái)評(píng)價(jià)加濕系統(tǒng)的好壞[3]。

加濕效率η的計(jì)算公式如下：

加濕飽和效率ηb的計(jì)算公式如下：

式中：d1為加濕前空氣含濕量，g/kg；d2為加濕后空氣含濕量，g/kg；d3為飽和空氣含濕量，g/kg；t1為加濕前空氣干球溫度，℃；t2為加濕后空氣干球溫度，℃；t3為飽和空氣干球溫度，℃。

在上述幾種加濕方式中，由于蒸汽加濕的飽和效率可以達(dá)到100%，因此在有蒸汽源時(shí)，應(yīng)優(yōu)先采用蒸汽加濕，該工程無(wú)蒸汽使用條件，因此采用等焓加濕的方式，加濕飽和效率取70%。

通過(guò)上述計(jì)算公式，可求得空氣處理數(shù)值如表7、表8所示，焓濕圖如圖2所示。

圖2 冬季內(nèi)區(qū)新風(fēng)供冷焓濕圖

表7 北京室內(nèi)新風(fēng)計(jì)算表

表8 室內(nèi)新風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)計(jì)算表

由圖2可知，在冬季，南向內(nèi)區(qū)冬季送新風(fēng)量為3583m3/h，經(jīng)過(guò)處理后送入內(nèi)區(qū)，可消除內(nèi)區(qū)冷負(fù)荷。內(nèi)區(qū)人員數(shù)量為50人，如新風(fēng)供冷，人均新風(fēng)量為72m3/h，大于規(guī)范規(guī)定的人均30m3/h；外區(qū)人員數(shù)量為35人，如果只有內(nèi)區(qū)供新風(fēng)，人員新風(fēng)量為43m3/h，同樣滿足人員最小新風(fēng)量要求。因此該工程新風(fēng)夏季均勻送風(fēng)，冬季只送內(nèi)區(qū)，由電動(dòng)閥進(jìn)行季節(jié)轉(zhuǎn)換[4-5]。

由于冬季內(nèi)區(qū)新風(fēng)供冷所需新風(fēng)量大于30m3/h，故該工程方案設(shè)計(jì)階段提議新風(fēng)機(jī)組為變頻機(jī)組。在冬季，所送新風(fēng)由內(nèi)區(qū)升溫后，流向具有排風(fēng)口的外區(qū)，同時(shí)滿足外區(qū)人員對(duì)新風(fēng)的要求。

3 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于進(jìn)深比較大的辦公建筑，設(shè)計(jì)人員可以通過(guò)合理的內(nèi)外分區(qū)劃分，針對(duì)內(nèi)外分區(qū)不同的負(fù)荷特性進(jìn)行空調(diào)系統(tǒng)的配置。在冬季，由新風(fēng)直接供冷消除內(nèi)區(qū)冷負(fù)荷。文章通過(guò)計(jì)算，選取所需新風(fēng)量，既滿足人員對(duì)新風(fēng)的需求，又滿足冷負(fù)荷的需求，一舉多得，而且充分利用了自然冷源，節(jié)約能耗，可為類似工程提供參考。