民用建筑暖通空调系统分类与对比

赵永胜,刘 勇,张 拓

(淮北职业技术学院 建筑工程系,安徽 淮北 235000)

0 引言

暖通空调系统因其可以有效改善室内空气质量、空气流速及室内温湿度等,能够提供舒适的人居环境而受广大业主的青睐。随着当下民用建筑行业发展,暖通空调系统也在持续发展,其工作原理和分类也在不断变化,如何选择适合民用建筑的空调系统,创造更加舒适的居住环境,成为广大业主最关注的问题。因此,有必要对空调系统的工作原理、分类加以阐述,并针对不同空调系统提出定性定量的对比方法。

1 空调系统概述

1.1 空调系统的基本组成及工作原理

空调是对建筑物(构筑物)内部环境空气的温湿度、流速及洁净度等进行控制和调节的设备。其原理是通过改变制冷剂状态产生放热、吸热过程,从而实现室内外的热量交换。空调系统主要部件包括冷源/热源设备、冷热介质输配系统、风机、冷/热交换器等,其中:冷源/热源设备和冷/热交换器为其核心设备。冷源/热源设备主要包括冷水机组、室外机、锅炉和电加热器等,称为空调主机;冷/热交换器是指冷凝器和蒸发器,其作用是与室内空气进行热量交换(统称为末端设备),常见类型主要有散热器、暖风机、风机盘管、辐射板和暖气片等。

1.2 建筑物采用的冷/热媒和主机采用的供能能源

一般民用建筑采用水系统或氟利昂冷媒系统,采用氟利昂冷媒系统的主要有多联机、直膨式空调机组、单元式空调或分体空调;其余一般采用水系统,如:电制冷机组、各种热泵(风冷、水源、土壤源等)、溴化锂机组、蒸发冷却式机组等。值得注意的是,这里所讲的冷/热媒不同于主机的冷/热媒。主机采用的冷/热媒,即主机的供能能源,常见形式有工业余热废热、市政热源、燃气、电力、太阳能、地热能、地下水或地表水、海水等。

1.3 房间采用的气流组织形式

民用建筑常用的气流组织形式[1]有:

(1)侧送风。侧送风是空调房间最常用的一种气流组织方式,一般是贴附射流型,工作区通常是回流区。主要适用风口包括:百叶风口侧送风、条缝侧送风、风机盘管加新风风口等。一般能满足舒适性空调的室温允许波动范围要求,住宅、酒店客房、公寓等均选用这种方式。

(2)顶送风(贴附送风)。所有风口均可作为顶送风风口,包括:百叶风口、散流器、条缝风口、喷口、旋流风口等。但采用顶送顶回的安装方式时,污浊空气会比新鲜空气重,顶送风时新鲜空气在上面,而顶回时会排出顶部吸入的新鲜空气。虽然可以采用室内对角安装送风和回风风口,产生相对的气流原理,但新鲜空气首先是占满顶部的,因此,排风首先排出的是顶部的空气。只有当送风功率高于回风功率,送进来的风量多于排出去的风量,使新鲜空气下降到污浊空气内,“稀释”污浊空气,才能达到室内空气净化效果。

(3)下送风。主要是指地板送风,送风口一般与地面平齐设置,架空地面形成的空间可以直接作为送风静压层或者用作送风管的布置,送风通过地板送,风口进入室内,与室内空气发生热质交换后从房间上部的出风口排出,工作区通常是单向流区,主要用于数据中心、机房等。就冷热源设备和空气处理设备而言,地板送风系统类似于传统的上送风空调系统。目前,市场上很多品牌的空调做不到地送风,原因在于地面管道是扁平的,管道较小,导致阻力非常大,功率不足,新风量小。

(4)均匀送风。一般指孔板送风,是一种将新鲜空气先送入静压箱再通过渗透,与室内热源及围护结构换热等方式进行空气调节的送风方式,可以顶送下回、下送上回、下送侧回,工作区通常是单向流区。相比于其他送风系统,如置换送风或侧送侧回送风形式,应用于人员密集的室内时会出现人员吹风感,但孔板送风即使在极端送风参数下,室内人员也不会出现热不舒适。[2]一般用于洁净室、手术室等有洁净要求的房间。

(5)置换通风。以极低的风速(0.25 m/s)将冷空气由房间底部送入室内,形成一个空气湖。当遇到热源时,被加热的冷空气上升成为室内空气流动的主导气流,从而将热量和污染物等带至房间顶部并进行排除,于是,低速、按温度和污染物浓度分层分布的流场在室内形成。目前,在普通建筑中应用较少,主要用于剧场、体育场等高大空间的座椅送风或地板送风系统。

2 空调系统的分类

2.1 按房间采用的末端形式

虽然空调系统种类较多,但从根本原理来说,都是通过辐射或对流的方式用末端设备来调节室内空气的温度、湿度,从而实现冷/热调节。[3]空调的类型取决于末端设备的形式和位置,空气的处理方式取决于空调系统所负担的独立工作区的数量,故可以根据上述两种因素进行分类。

(1)集中式系统。在一个专用的机房里集中设置空气处理设备和风机对空气进行集中处理,然后,由送风系统将处理好的空气送至各个空调房间。末端设备一般使用组合式空调机组或大风量的空调机,根据空调机是否变频、送风末端是否为变更量末端,分为定风量和变风量两种全空气系统。集中式系统末端设备位于室外,经常用于大面积、大空间的场所,如:机场或地铁站厅、会展中心、体育馆、影剧院和大型商超等。这种系统会占用一定的空间但控制和管理都比较方便。特别注意的是,末端系统可以采用水系统的组合式空调机,也可以采用冷媒系统的直膨式空调机组,并不是只有水系统能做全空气系统。

(2)半集中式系统。通常是指采用水系统的风机盘管系统、采用冷媒系统的多联机系统、采用诱导型末端的置换通风型空调系统、辐射供冷暖系统等,最常见的是空气-水式、全水式风机盘管系统,前者的空气处理方式为直流式和混合式,后者的空气处理方式为封闭式。半集中式系统常用于酒店、写字楼、医院病房等场所,主要特点是在各空调房间内设有空气处理设备,主要处理室内冷热负荷,新风一般是集中处理后送至各房间。这种系统虽然占用机房少,但是,因设备在房间内,不便于后期维修和管理,且可能伴有噪声。

(3)全分散式系统。是一种就地处理空气的局部空调方式,其将空调机组(包括空气处理设备、风机、自动控制系统及冷、热源等)全部组装在一起,直接放在房间内。一般为制冷剂式空调系统,空气处理方式多为封闭式,末端设备(包括窗式、分体式和柜式空调等)位于室内,适用于家庭、办公室等小型场所。这种系统不需要机房和风道,不利于后期维修管理,且能量效率较低。

2.2 蒸发冷却式空调系统

蒸发冷却式空调系统,是一种特殊的空调形式,应用于夏季室外温度高、湿度低的地区。[4]该系统没有压缩机,通过水蒸发吸热原理给室外空气降温(从室外干球温度降至湿球温度)后送至室内。就我国民用建筑而言,该空调系统一般适用于西部地区,但西部地区一般是缺水地区,这在较大程度上限制了该类型空调的应用。目前,笔者遇到的案例是东部地区某工业项目,厂房内发热量大、温度高,通过蒸发冷却式空调的室外空气直接送至工作岗位,效果较好。

2.3 其他空调系统

(1)多联机空调系统,是一种单一的制冷/热循环系统,多台相同或不同型号、容量的直接蒸发式室内机通常由一台室外机进行连接。多联机系统使用制冷剂作为冷媒,空气处理方式多为封闭式和混合式,末端设备多数位于室内,适用于小型厂房、办公楼、家庭等场所。

(2)辐射式空调系统,形成热(冷)辐射面与室内空气和人体进行热(冷)交换,依靠辐射供暖(冷)末端设备(辐射板)和围护结构。可采用水、电、冷媒3种制热(冷)方式,末端设备设在室内,多用于家庭、高级宾馆、办公场所等。

此外,有一些分类可看作是大类中的一小类,如:温湿度独立控制系统,该系统使用室内空调器控制室内温度,采用新风控制室内湿度。由于使用新风控制湿度,其控制范围很窄,因此,其应用的建筑类型范围较窄。温湿度独立控制系统,实际上是一种特殊的风机盘管+新风的半集中式空调系统。

3 空调系统对比评分表设计与使用

3.1 空调系统对比评分表的设计

根据上述空调系统的分类,结合实际情况,对空调系统进行定性对比。如:风冷热泵系统和多联机系统的比较,主要是分析冷媒系统和水系统的优劣,而风冷热泵和电制冷机+市政供热的比较,则主要是分析能源利用的优劣。但是,若要对各种空调系统的选用进行方案对比,上述定性对比方法还远远不能满足业主的需求。因此,还需要定量的比较,这就需要建立一个对比的标准框架,此对比标准框架中应包含需要对比的诸多方面及各个方面所占的权重。但是,要明确以下两个问题:

一是可供使用的空调形式。这主要受自然资源和建筑层高等客观条件限制,[5]如水资源不丰富的地区,水源热泵的应用会受限;层高低的场所,需要布置大量风管的全空气空调的应用会受限;相对分散的别墅区,应用集中式空调需要论证其合理性。

二是业主的偏好和对舒适度的要求等。如:对舒适性要求高不高?对造价敏感程度如何?交付使用后的维护管理能力怎么样?比如:对噪声控制要求高的礼堂、剧场,一般不宜把空调机直接安装在礼堂或剧场内,采用大型冷水机组一般要求有楼宇自控系统和专人管理等。

鉴于此,笔者根据多年的设计经验,基于业主和设计人员角度设计了关于空调系统选用的简要对比评分表,见表1。表1的设计原则兼顾了经济指标和技术指标,其中:经济性方面从8个因素考察了投资情况,[6]技术性方面从16个因素全面地对比了各项技术指标的优劣。

表1 空调系统对比评分表及3种空调的对比结果

3.2 空调系统对比评分表的使用

评分表中影响两个经济性指标的各因素,可按照全国统一的安装工程预算定额(通风空调工程分册)计算。影响舒适度的“温度梯度”主要分析室内温度梯度(包括西晒等)、一天中的温度梯度、一年中温度波动等;“噪声污染”主要分析对噪声有特殊要求的房间(如:客房、剧场等),外机或冷却塔对周围的影响;“吹风感”主要分析对风速敏感的房间(如:羽毛球馆、游泳馆等);“空间灵活性”主要分析建筑使用过程中空间分隔变化对空调效果的影响或空调变更的工程量;“备用性”主要考虑设备出现故障后的影响范围,或当部分设备出现故障时,其他设备运行情况等。

影响建筑友好度的“土建配合”考虑的是所需机房及管井面积,是否需架空地板、吊顶、内墙夹层,是否需布置基础等;“影响层高”主要分析空调或风管需占用的层高及其对房间使用或土建造价可能造成的影响;“影响美观”主要分析风口是否需暗藏、是否允许局部吊顶、是否需外立面百叶等。

影响环境友好度的“大气污染”主要分析是否有大气污染(如:燃气等);“噪声污染”主要分析对周边的噪声污染(如:室外机、冷却塔等);“电磁热污染”主要分析对周边基站、其他设备等的影响。

影响安装维护的“安装难度”主要分析对施工资质的需求、施工质量对设备运行影响的程度、设备运输和施工是否需大型机械;“施工工期”主要指施工周期、调试周期难和易;“维护要求”考虑建筑是否需楼宇自控、是否需专人看守等;“使用年限”可根据设备理论寿命、故障率等历史数据进行估计;“维修难度”可根据整机、部件是否易于更换进行衡量。

评分表各影响因素均有一个权重值,该权重值可根据业主的偏好做出适当调整。若业主对价格敏感,可将经济性权重从50%调至80%;运行费也是社会上普遍关注的,[7]若业主认为初始投资比运行费重要,可将初始投资的权重从30%调至36%,而将运行费的比重调至12%;若业主不在意后期维修维护的情况,可将经济性中的“维修维护费”和技术性中的“维护要求”“维修难度”等项目权重调整为0%,而相应地把建设方在意的项目的权重调高。随着助力“碳达峰、碳中和”目标的推进,政府对节能行为(包括建造节能型建筑、生产节能型建材产品,以及使用节能型空调、暖通设备等)给予一定政策性补贴或优惠措施的现实情况,[8]也应该根据地区实际情况进行考虑,纳入经济性指标中去。

以多联机、风冷热泵水系统、离心机+市政供热3种系统为例进行了对比分析,最终对各项评分汇总,得到表1的汇总结果。但是,在进行实际评分时要注意以下几个方面:

(1)应使用“清单计价法”按图纸计算出“设备购置费”“安装费”,当无图纸时,可按设备容量、建筑面积等估算;“土建配套费”是根据机房和井道的面积估算,对设备基础引起的土建造价,一般可以忽略;“能源开口费”应按当地的政策,按照估算的容量核算,注意税费值应是负值。

(2)对各种费用计算完成后,需根据适当的规则对初始投资、运行费等进行评分,然后使用表1进行计算、对比分析。

(3)技术性的项目也可根据需要进行相应增减,并应给出明确的评分规则和评分依据。评分时应根据系统的实际情况据实评分。

4 结束语

综上所述,通过对空调系统进行分类梳理,介绍了其原理、特点及适用范围,并基于经济性和技术性相统一的原则设计出空调系统对比评分表,以常用的几种空调系统形式为例进行定量对比。相关人员可结合实际情况选择需要对比的空调系统形式和适当的标准,参考对比评分表直接进行打分,从而实现对不同类型的空调系统进行定性和定量的比较,以便更合理地选用空调系统。