某圖書館空調系統設計過程及風口選型

高曉林

北京城建設計發展集團股份有限公司，北京，100045

0 引言

全空氣系統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，是滿足空調區內人員舒適性的關鍵因素。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，現已建成并投入使用，且成為該校區標桿性建筑體。圖書館位于山東省青島市黃島區中國石油大學（華東）校區內東部的小黃山上，部分建筑依附于山體之中，為山地建筑。規劃總用地面積：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、學術報告會議用房、網絡數據中心、地下車庫等，無人防工程。園區市政條件均集中于地塊西南側，熱力供回水DN350。建筑效果圖如圖1所示。

2 空調負荷計算及冷熱源介紹

空調負荷計算是基礎，也是空調設計最重要的環節之一，空調負荷計算的準確性關系到設備選型的大小，空調負荷越準確，在不影響舒適度的前提下，越有利于空調系統的節能。

本項目建筑輪廓見圖2，針對這樣一個不規則圖形，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K值為1.7W/(m2.℃)，玻璃修正系數Cs為0.43。

該培訓室建筑面積為47m2，層高6m，夏季按非穩態得熱計算冷負荷。根據公式Q維護=KFΔt，考慮通過透明維護結構進入的非穩態太陽輻射熱量形成的冷負荷，以及人體、照明、設備散熱形成的冷負荷，得到空調區的顯熱冷負荷Q1；另外，由房間的人數確定的人員散濕量，根據公式W=GΔd計算出空調區夏季濕負荷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。然后根據室內人員數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，比規范要求提高6%，放至首層冷凍機房內，供回水溫度為6℃/13℃。熱源由市政熱力供給，熱力站設置于首層，通過板換換出60℃/45℃的空調熱水。

3 空調系統形式的確定

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

結合下表分析，在冷熱源充足的條件下，空調系統形式的選擇，還需要根據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，設備發熱量大，且對噪聲有較高要求；有自習室，劃分多間學習隔斷；創意、創新學習區，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面積大跨度大，分內外區，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則，整個建筑大部分呈現旋轉層疊環形狀。

表3-1 典型空調系統特征比較

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

變風量系統適用于空調區無溫濕度要求或對溫濕度要求不高的房間，且每層設空調機房，占用樓層空間小；系統數量多、設備和控制系統投資多；增加或移動末端裝置對附近區域影響大；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，采用變風量空調系統并不合適。而全空氣的一次回風系統適合空間較大、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系統。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系統，來滿足工藝及功能的需求。

4 空氣處理過程

一般全空氣空調系統不宜采用冬夏季能耗較大的直流式（全新風）空調系統，宜采用帶有回風的混合式系統。全空氣定風量系統易于改變新回風比例、可實現全新風送風，以獲得較好的節能效果。定風量系統對空調區溫濕度控制、噪聲處理、空氣過濾和凈化處理以及氣流穩定等有利，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、醫院手術室等場所。規范[1]第7.3.4條也規定了全空氣定風量空調系統的特點及適用范圍。

有文章[2]提出采用雙冷源溫濕度獨立控制空調系統，高溫冷源主要負責夏季全部新風負荷和絕大部分室內顯熱負荷，低溫冷源為輔助冷源，通常為常規的冷水機組，主要承擔室內濕負荷，負責室內相對濕度的控制。且高溫冷水機組需要采用專門按照高溫供水工況設計開發的專用型機組，此種空調系統控制復雜。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。會議室室內余熱Q為32.84kW，室內設計溫度為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：

送風狀態點為過室內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，室內余熱、室內焓值及送風狀態點焓值均為已知，根據公式求出送風量則根據公式L·hc=LW·hW+(L－LW)·hn求出hc。則空調機組處理冷量為：Q機組=1.2·L·(hc－hL)=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狀態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"點噴循環水進行加濕至L點，L點加熱到送風狀態點O，沿熱濕比線送至室內房間。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，設計師為了節省時間，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，不利于節能。因此，風口的合理設計也是暖通空調設計中非常重要的一個環節，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置分層空調的區域，設置雙側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、研習區等大空間設旋流風口，其余層高6m左右的科技體驗區、排練室等區域，設可調條形風口。對于球形風口，既能調節氣流方向，又能調節送風量，送風口可側向或垂直向下送風，其射程按相對噴口中間距離的90%計算。相關規范[1]第7.4.5條規定，采用噴口送風時，應符合：1）人員活動區宜位于回流區；2）噴口安裝高度，應根據空調區的高度和回流區分布等確定；3）兼做熱風供暖時，宜具有改變射流出口角度的功能。本次工程空調系統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，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建筑房間，對于本工程的多數空間都很適合。條縫形風口采用活頁風口，可調成平面流型，也可調成垂直下送流型。送風時，氣流可調成左出風、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。

現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，來控制風口的射程和噪聲等參數。有相關論文[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，在現場無條件側送風的前提下，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，結合空調區的空間位置設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見圖7。

由圖中曲線可以看出，冬季垂直送風時，當選擇規格為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，所以不能將空調熱風送至人員活動區，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不能匹配時，可采取輔助供暖措施，如設置地暖，地板送熱風等來保證冬季供暖效果。本工程設若干混水泵，在冬季不滿足風口射程要求的空間設置地板采暖，后期運行效果良好。筆者認為，在沒有條件設輔助采暖的房間或空間，可采用冬夏季空調機組風機變頻，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，從而增強房間空氣的流通。根據相關文獻[5]但此種方法并不節能，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 結語

對于異形建筑（多角度旋轉）的空調負荷計算，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供冷暖的建筑，在進行風口選型的時候，人們經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，并沒有結合建筑層高及風口數量等具體情況校核。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。