公共建筑过渡季通风需求与空调通风系统对策分析*

绿色建筑与人居环境营造教育部国际合作联合实验室 国家级低碳绿色建筑

国际联合研究中心 重庆大学 丁 勇☆ 徐浩森 刘洋伶 刘凰君

0 引言

良好的室内空气环境需要满足室内人员对新鲜空气的需要、保证室内人员的热舒适、保证室内污染物浓度不超标，而通风可以直接对室内空气质量产生影响，为室内人员营造健康环境。通风的温度和通风量会对室内气流形态和污染物浓度产生较大影响[1-3]，因此，营造良好的室内空气环境，通常需要合理的通风气流组织。

常见的室内空气环境营造方法主要包括利用自然手段来促使空气流动而进行的自然通风，以及利用机械手段产生压力差来实现空气流动的机械通风[4]。机械通风与自然通风相比可控性更强，因此公共建筑均设计有新风系统，通过机械通风的方式引入室外新风以保障室内空气质量。在过渡季，空调系统还可以采用全新风通风模式替代空调模式，为室内创造舒适的热环境[5-6]，且能有效减少建筑能耗[7-10]。

由于空调期的新风供应量与过渡季消除室内余热的通风量存在基本原则的不同，因此，二者可能存在较大的差异。这就给公共建筑中2种情况下的通风系统需求与匹配提出了问题。而对于二者之间关系的研究目前相关文献报道较少，相关研究主要集中在：由于气象条件及建筑类型等原因，过渡季通风量不易计算，给出了过渡季设计通风量的计算指标[11]；指出在目前公共建筑通风设计标准不足的基础上，通风设计可以采取自然通风为主体、机械通风为补充的设计原则，来满足建筑室内需求[12]。但均未就系统对2种通风需求的响应存在的差异进行明确分析。

本文通过对实际项目的空调通风设计情况进行调研，整理分析了当前公共建筑主要的通风设计状况；在此基础上，采用数值分析的方法，分析了基于过渡季余热消除的通风需求。依托调研和分析结果，针对现行设计要求下的通风系统，分析了过渡季实施全新风通风存在的问题，探索空调通风系统设计中改善室内空气环境的解决方案。

1 公共建筑通风设计情况

1.1 公共建筑室内通风要求

目前公共建筑常采用半集中式空调系统与集中式空调系统。半集中式空调系统形式为室内热湿处理系统加新风系统，新风通道断面较小；集中式空调系统是指常用的低速单风道全空气系统，将空气集中处理后送入房间，其风道断面大[13]。相较于半集中式空调系统仅考虑新风量进行新风系统设计，集中式空调系统按照送风量进行送风系统设计。鉴于两者设计风量不同带来的过渡季风管适应性差异，在现有系统与过渡季消除余热需求间的匹配性上对两者分别进行分析。

现有公共建筑新风系统设计时，出于建筑空间需求、建造经济成本等的考虑，往往按照最小新风量进行新风系统设计。新风即引入室内的室外空气，建筑室内新风量取值的考虑因素主要包括污染物的散发量、室内污染物允许浓度、污染物入室浓度和通风效率等[14]；最小新风量是为满足卫生方面的最低需要，单位时间引入房间或系统的新鲜空气量[15]。参照相关资料及规范规定，总结得到公共建筑人员所需最小新风量，如表1所示。

表1 公共建筑人员所需最小新风量 m3/(人·h)

1.2 公共建筑现有空调系统通风换气情况

针对重庆市18个公共建筑的通风换气情况进行调研，得到不同性质房间新风换气次数范围，如表2所示，房间换气次数分布情况如图1、2所示。

表2 公共建筑新风换气次数调研结果 h-1

图1 半集中式空调系统典型房间新风换气次数分布

图2 集中式空调系统典型房间新风换气次数分布

2 公共建筑过渡季所需通风量

2.1 半集中式空调系统通风量模拟计算

通风系统的设计有别于空调新风系统设计，确定室内全面换气量时，需要考虑消除室内余热所需换气量、消除室内余湿所需换气量、稀释室内污染物所需换气量；对于同时存在余热、余湿且有污染物散发的建筑，取三者的最大值。对公共建筑通风季降温通风而言，消除室内余湿和稀释公共建筑室内污染物散发量所需换气量较小，因此主要考虑消除余热的要求[12]。

以重庆地区通风季(4月1日至6月15日、9月15日至11月15日)的室外逐时温度来考虑，结合适用于重庆地区非供暖空调建筑的室内热环境可接受温度范围[16]，重庆市通风季室内通风设计温度范围为24～28 ℃，通过DeST软件进行某办公楼过渡季最不利时段5月和9月的余热量计算，室内温度设定为26 ℃。

选择18个办公房间作为样本，各房间的实际设计情况如表3所示。

表3 某办公楼半集中式空调系统不同房间基本情况

计算结果如图3所示，所选18个样本房间单位面积余热量在20～60 W/m2之间。

图3 样本房间过渡季单位面积余热量

根据计算得到的房间余热量，采用去除房间余热的全面通风换气公式[17]计算室内需求总风量：

(1)

式中G为需求通风量，m3/s；Q为室内余热量，kW；cp为空气比定压热容，kJ/(kg·℃)，取1.01 kJ/(kg·℃)；ρ为空气密度，kg/m3，取1.2 kg/m3；tp、tj分别为排风、进风温度，℃，tj取室外月平均温度，tp取体感温度。

按照式(1)计算最不利时段9月18个样本房间的过渡季需求风量，结果如图4所示。

图4 不同单位面积余热量下的通风换气次数

对计算结果进行整理，发现各类型房间的通风换气次数有一定规律性：单位面积余热量小于等于40 W/m2的房间，通风换气次数在12～15 h-1之间；单位面积余热量为40～60 W/m2的房间，通风换气次数在15～22 h-1之间。14号与15号房间分别为会议室和办公室，同类型房间数量最多，具有代表性，分析表明，会议室机械通风最大换气次数为21 h-1，办公室为13 h-1。

2.2 集中式空调系统通风量模拟计算

对另一商业楼集中式空调系统采用同样方法进行分析计算，其原有空调系统新风设计参数如表4所示。

表4 某商业楼集中式空调系统不同功能房间的新风设计参数

室内设计参数范围为24～28 ℃，以1 ℃为间隔，分别计算室内设计温度为24、25、26、27、28 ℃时各个房间的余热量指标与通风换气次数。余热量指标计算结果如表5所示，通风换气次数计算结果如表6所示。整体而言，消除室内余热的需求通风量与室内设计温度呈明显的负相关关系，室内设计温度越高，需求风量越小。室内设计温度在26～28 ℃范围内时，5个房间的需求通风换气次数均小于15 h-1；室内设计温度为25 ℃时，咖啡厅需求换气次数突破15 h-1，影视厅达到20 h-1以上；如果按照当前多数房间的室内设计温度24 ℃考虑，需求通风换气次数将普遍高于20 h-1。

表5 房间余热量指标 W/m2

表6 全面通风需求换气次数计算结果 h-1

2.3 现行通风系统设计满足性判断

从空调通风系统可提供的新风量角度来看，根据上述调研结果与通风量需求计算结果可知，公共建筑在过渡季为消除房间余热所需的通风量远大于现有新风系统设计新风量，这使得公共建筑现有新风系统无法满足过渡季消除房间余热的需求。

以现行系统风管设计来看，对于半集中式系统，以某办公楼半集中式空调系统中新风系统为例，根据计算，该系统过渡季总换气量为13 172 m3/h，单个办公室换气量为2 371 m3/h，结合表7中推荐流速计算得到干管尺寸为1 250 mm×500 mm，对应风速为5.85 m/s，支管尺寸为630 mm×250 mm，对应风速为4.18 m/s，管道尺寸变化较大，原有建筑空间较难满足。建筑通风系统设计选用高、低风量分别为1 000 m3/h和800 m3/h的风机，主管尺寸为200 mm×160 mm，支管尺寸为160 mm×120 mm，若采用现有管道，此时干管风速将达到114.34 m/s，支管风速为34.3 m/s，显然不能正常运行。因此现行通风系统设计无法满足过渡季机械通风需求。

对于集中式系统，由于本身的空调风量较大，其所呈现出的情况又有所不同。以某商业楼集中式空调系统为例，针对建筑中采用全空气系统的健身房，干管尺寸在400 mm×320 mm至800 mm×400 mm之间，支管尺寸为400 mm×320 mm，风口尺寸为400 mm×400 mm。结合风管及风口尺寸，根据不同温度下的需求风量计算得到的风速见表8。可以看出：在室内设计温度为25 ℃时，原有通风管道管内风速与推荐风速较为接近，能够满足系统需求，现有系统与过渡季消除余热需求间具有较好的匹配性；室内设计温度上升为26 ℃时接近程度次之；室内设计温度为24 ℃时，由于此时通风需求风量过大，导致管内风速过大而超过规范限值，带来系统运行能耗增加及管道噪声问题；室内设计温度为27 ℃与28 ℃时则与之相反，虽然风速在规范限值范围内，但需求风量较小，管内风速较小，带来系统送风动力不足无法有效通风的问题。

表7 风管空气流速[18]

表8 健身房既有管道系统承载需求风量时的风速计算结果

3 空调通风系统设计要素分析

3.1 通风量设计计算

根据上述分析可见，在空调通风系统设计时，针对系统的通风量，如果仅仅以新风量来考虑，将难以满足过渡季消除室内余热的需要。因此，空调通风系统过渡季的通风量，应从消除建筑室内余热的角度考虑。分析表明，在不同室内设计温度下，房间需求通风量存在明显不同，室内设计温度为24 ℃与28 ℃时的需求风量相差可以达到5倍左右，因此在通风量设计计算时需选取合适的室内设计温度，确保系统能够有效运行。

3.2 空调系统形式

在空调系统设计时，由半集中式空调系统与集中式空调系统的分析可知：对于半集中式空调系统，由于新风系统主要承担室内人员换气、稀释污染物的功能，新风量往往较房间整体送风量小，新风管道尺寸较小，难以实现在过渡季采用全新风的形式消除室内余热；此时，设计时需要兼顾通风需求，进行合理的系统设计。对于集中式空调系统，由于系统本身是采用全空气的形式消除室内余热，因此在原有送风管道的设计上已有条件实现过渡季全新风运行，设计时主要考虑兼顾空调和通风2种状态下的风机风量问题，其中，重点应针对过渡季室内设计温度进行考虑，以确定能够与现行系统相适合的通风换气量。

4 结论

1) 根据实际工程项目的设计资料调研和计算分析，现有公共建筑中的空调系统，其新风系统设计时新风量主要是从满足室内卫生需求来考虑，使得系统可提供的通风量较小，房间换气次数在0.1～3.5 h-1之间；过渡季全新风通风的主要目的在于消除室内余热，所需通风量较大，合适的房间换气次数在7～22 h-1之间。可见两者差异较大。

2) 对于公共建筑中半集中式空调系统，由于设计新风量较小，使得新风系统管道较小，而过渡季为消除室内余热所需通风量较大，现行设计下的系统难以满足过渡季全新风通风以消除室内余热的需求，这是过渡季利用新风系统进行有效通风时应重点考虑的问题。半集中式空调系统可考虑利用建筑条件，采用机械通风加自然通风的复合通风形式，在过渡季改善室内环境。对于集中式空调系统，由于设计时系统送风量较大，系统管道较大，因此系统能否满足过渡季消除室内余热需求取决于过渡季室内设计温度的选取及新风机风量，在允许范围内选择合适的室内设计温度、采取适当的风机策略，系统将具有兼容性。

对于其他地区，可参照本文思路在公共建筑过渡季通风需求与空调通风系统对策上，结合当地公共建筑项目设计情况及过渡季消除余热的需求进行分析。