北京地区办公类建筑内区新风供冷实例分析

薛怀坤，王哲毅，王小繁

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目前，现代综合体建筑越来越多，尤其是办公室综合体。由于办公区域进深比较大，靠外围护结构的周边区域与内区空调负荷存在较大差异。《办公建筑设计规范》（JGJ 67—2006）及《公共建筑节能设计标准》（GB 50189—2015）等设计规范中均有要求，内、外区宜分别设置空气调节系统。风机盘管加新风系统是我国较为普遍采用的一种空调系统，文章将结合实际工程，重点论述该系统在冬季内区进行供冷的节能设计思路。

1 空调内外区简介

1.1 内外区负荷特征

外区是受外围护结构日射得热、温差传热和空气渗透影响的区域；内区是与建筑外围护结构有一定距离，不受围护结构日射得热、温差传热和空气渗透的影响，具有相对稳定的边界温度条件的区域[1]。由上述定义可知，办公建筑外区的空调负荷是由于室内外温差和太阳辐射作用，通过围护结构传热形成，夏季存在冷负荷，冬季存在热负荷，且负荷波动较大。内区负荷则是由人员、灯光照明及设备散热形成冷负荷。由于人员与设备散热量的变化较小，内区的冷负荷波动较小，且全年为冷负荷，因此在1月、2月、11月、12月内区房间需要供冷，可见内、外区的合理划分十分重要。

1.2 内外分区常规划分方法

办公室内外区的划分标准与许多因素有关，其中房间分隔是一个重要的因素，设计中需要灵活处理。例如在进深方向有明确分隔，且分隔处一般为内外区的分界线；房间开窗的大小、房间朝向等因素也对划分有一定影响，在设计没有明确分隔的大开间办公室时，根据国外有关资料介绍，通常可将距外围护结构3～5m的区域划分为外区，其所包围的区域为内区。为了满足不同人员的使用需求，也可以将上述3～5m作为过渡区。在计算空调负荷时，内外区都应计算此部分负荷，这样只要分隔线在3～5m变动，都能满足要求。上述方法直接给出了经验数据，当遇到具体工程时，不同朝向的外区进深应有所区别，从内外分区空调负荷特性进行具体计算，确定外区进深。

2 空调系统设计

从负荷特性方面分析，在冬季外区有热负荷，即通过围护结构与室外的传热负荷，同时外区自身有人员、灯光照明及设备散热量形成的冷负荷，故外区存在一个合适的进深，使外区在冬季空调室外设计温度条件下的围护结构热负荷与室内冷负荷相等。

2.1 工程实例

丰台区丽泽路E-05地块C2商业金融用地项目位于北京丰台区丽泽商务区E区，东临丽泽一路，西至金中都中路，北至丰台北路西延，南至凤凰嘴北路，项目为金融写字楼，建筑高度为172.9m。取其标准层为研究对象，标准层层高为4.3m，对其进行合理的内外分区设计计算。鉴于四个朝向分析过程一致，取南向为研究对象。建筑标准层平面如图1所示。

图1 建筑标准层平面

以南向A区为例，A区长度为53.5m，维护结构只有南侧，东西侧均无维护结构。标准层办公室人员、灯光照明及设备散热量参照北京市《公共建筑节能设计规范》（DB11/ 687—2015），建筑体型系数≤0.3，属于乙类建筑，外墙传热系数为0.45W/(m•K)，窗户传热系数为1.8W/(m•K)，上下层均为空调区，室内灯光照明密度为9W/m2，房间人均占有的使用面积为8m2，电气设备功率密度为15W/m2，人员显热为61W/人，潜热为73W/人，散湿量为109g/(h•人)。办公建筑的工作时间表为工作日8：00—18：00。照明开启率时间[2]如表1所示，房间人员在室率时间如表2所示，电气设备使用率时间如表3所示，该办公室室内温度设计湿度如表4所示。

表1 照明开启率时间表 单位：%

表2 房间人员在室率时间表 单位：%

表3 电气设备使用率时间表 单位：%

表4 房间空调设计温湿度

2.2 外区进深计算

根据《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》（GB 50736—2012）对空调负荷计算规定，以外区为研究对象，分别计算外区冬季空调热负荷，冬季外区人员、灯光照明及设备的冷负荷。设计人员以外区维护结构热负荷与外区内扰冷负荷相等为依据进行外区进深的计算。其中外区热负荷值为维护机构热负荷，采用规范规定的稳态计算方法，而内扰产生的冷负荷采用逐时计算方法，内扰冷负荷取值为冬季空调设计日逐时最大值。不同朝向计算结果如表5所示。外区进深取值为使外区热负荷值等于外区内扰冷负荷值，以此为内外分区界限。

表5 房间内外分区计算结果表

根据计算结果与相关资料，推荐外区进深为3～5m，不同朝向略有不同，结合实际工程，为计算方便，各朝向进深取值如表6所示。

表6 房间内外分区规整取值表 单位：m

2.3 内区空调系统设计

根据已确定的外区进深，可以设计各个朝向内区区域尺寸。由于内区不受外界影响，故各个内区负荷特性相同。下文以南向内区为研究对象，对内扰进行逐时计算，考虑最不利工况，同时计算人员、灯光及设备散热量，得出逐时内区冷负荷最大值为12.44kW，湿负荷为2.89kg/h。

绘制焓湿图需由冷负荷与湿负荷求得热湿比如下式：

式中：Q为冷负荷，kW；W为湿负荷，kg/h。代入具体数值求得ε=15496kW/(kg·h-1)。

冬季内区虽然需要供冷，但是在北方地区，室外新风温度较低，仍然需要加热加湿后送入室内，由于内区送风温度较低，因此对加湿系统的选取有一定的要求。空气的加湿按加湿原理分为等温加湿和等焓加湿两种，等温加湿主要有直接喷蒸汽加湿、加热蒸发加湿（包括电热式加湿、电机式加湿）等；等焓加湿主要有循环水喷水室，离心式、超声波式、湿膜式、高压喷雾式等。通常选用加湿效率η和加湿饱和效率ηb来评价加湿系统的好坏[3]。

加湿效率η的计算公式如下：

加湿饱和效率ηb的计算公式如下：

式中：d1为加湿前空气含湿量，g/kg；d2为加湿后空气含湿量，g/kg；d3为饱和空气含湿量，g/kg；t1为加湿前空气干球温度，℃；t2为加湿后空气干球温度，℃；t3为饱和空气干球温度，℃。

在上述几种加湿方式中，由于蒸汽加湿的饱和效率可以达到100%，因此在有蒸汽源时，应优先采用蒸汽加湿，该工程无蒸汽使用条件，因此采用等焓加湿的方式，加湿饱和效率取70%。

通过上述计算公式，可求得空气处理数值如表7、表8所示，焓湿图如图2所示。

图2 冬季内区新风供冷焓湿图

表7 北京室内新风计算表

表8 室内新风状态点计算表

由图2可知，在冬季，南向内区冬季送新风量为3583m3/h，经过处理后送入内区，可消除内区冷负荷。内区人员数量为50人，如新风供冷，人均新风量为72m3/h，大于规范规定的人均30m3/h；外区人员数量为35人，如果只有内区供新风，人员新风量为43m3/h，同样满足人员最小新风量要求。因此该工程新风夏季均匀送风，冬季只送内区，由电动阀进行季节转换[4-5]。

由于冬季内区新风供冷所需新风量大于30m3/h，故该工程方案设计阶段提议新风机组为变频机组。在冬季，所送新风由内区升温后，流向具有排风口的外区，同时满足外区人员对新风的要求。

3 结束语

对于进深比较大的办公建筑，设计人员可以通过合理的内外分区划分，针对内外分区不同的负荷特性进行空调系统的配置。在冬季，由新风直接供冷消除内区冷负荷。文章通过计算，选取所需新风量，既满足人员对新风的需求，又满足冷负荷的需求，一举多得，而且充分利用了自然冷源，节约能耗，可为类似工程提供参考。