提要 以某写字楼为例，分析了变风量系统中不同分区形式对各朝向房间的人均新风量分配的影响，认为新风量分配不均的情况主要出现在冬季和过渡季，提出满足所有朝向房间人员健康要求同时能实现过渡季利用新风节能的新风量设计标准；建议在建筑设计中增加新风竖井面积，在空调外区适当增加最小新风量的取值。Fresh air issue in air conditioning system designBy Xue Zhifeng and Jiang YiAbstract Talking an office building as an example， analyses the influence of zoning on the fresh air rate per person in rooms of different exposure of a building with the VAV air conditioning system。 Considers that imbalanced fresh air distribution usually occurs in winter and transient seasons。 Puts forward a fresh air rate design criterion satisfying occupants in all rooms with different orients and saving energy in transient seasons。 Proposes that the area of fresh air shaft and the value of minimum fresh air rate for the peripheral zone should be increased。Keywords VAV fresh air distribution energy saving1 概述在变风量系统的设计中，设计者很关心的一个问题是人员的在新风量要求能否满足。变风量系统中新风量的分配和空调系统的分区形式有很大的关系，如果外区不同朝向的房间的房间的分区形式不同，比如南向单独设置空调箱，这样东南西北4个朝向房间的新风量分配会与外区各个朝向的房间同在一个系统时的新风量分配情况不同。不论是什么样的分区形式，在总新风量固定的情况下，外区各朝向的房间都会有新风量小于设计要求的最小新风量的时候。要想让所有房间的新风量都满足要求，这时总的新风量需要加大。加大新风量可以满足所有房间的新风量要求，同时在过渡季节也会节省一部分能量，但新风量加大以后夏季和冬季又会多消耗处理新风的冷热量，因此应该选取一个全年运行模式下既能满足要求又不多处理新风的能量的最佳新风量。2 变风量系统中的新风量分配一般来说建筑物的内区负荷分布均匀，各个朝向房间的送风量大致相同，所以新风量都可以满足要求。外区则不同，由于受到朝向和外墙面积的影响，各个朝向房间单位面积的送风量有很大不同，导致每个房间的人均新风量也各不相同。根据模拟计算[1]得到的各个房间的逐时风量，可以得到不同分区形式下各个房间的人均新风量。2．1 外区4个朝向划为1个系统时的新风量分配以图1所示的一幢北京市的写字楼为例进行分析。该建筑划分了内外区，内区包括4个房间，分别为n-in, s-in, w-in和e-in，外区具有多个朝向，包括12个房间，按照北南西东4个方向分别为n1,n2,n3，.s1,s2,s3，w1, w2, e3.，w1, e2, e3.。图2和图3是各朝向房间新风量的模拟计算结果。内区房间人均新风量为20～30m3/h，而外区各个朝向的房间划分在同一个送风系统中，房间的人均新风量有很大的不同。由图3可以看到，在冬季和过渡季外区新风量分配不均，夏季虽然各个朝向房间的新风量也有大有小，但基本在25m3/（h·人）左右波动，变化不大。冬季由于北向房间最冷，其送风量也最大，所以在4个朝向当中新风量最大。南向和北向恰恰相反，冬季这个朝向房间的人均新风量最小。春秋季和冬季的情况恰好相反，这时南向房间最热，需要冷风量也最大，而北向房间比较凉爽，需要的冷风量最小，所以在4个朝向当中南向的新风量最大，北向的新风量最小。图4是算例建筑外区东南西北4个朝向房间的人均新风量全年分配情况的累计分布，从中可以看到，西向房间和东向房间内全年人均新风量大于25 m3/h的时间多于50%，而南向房间和北向房间内全年人均新风量小于25 m3/h的时间多于50%。表1是各朝向房间新风量分布统计结果，西向房间新风量分配最多，全年有66.82%的时间人均新风量超过25 m3/h，其次是东向房间，为56.77%，北向房间为35.68%，南向房间最少，仅有32.24%。新风量/m3(h·人)北向东向南向西向小时数/h百分比/%小时数/h百分比/%小时数/h百分比/%小时数/h百分比/%>4580.2440.12832.53100.3040～45822.50120.371003.04230.7035～403049.25401.221303.961063.2330～3540212.242166.581955.9435410.7825～3037611.45159348.4955116.77170251.8125>35.6856.7732.2466.8220～25128939.2488526.94146244.5181824.9015～2048814.8638011.5758917.932216.7210～152748.341554.721313.99511.55<10621.8900.00441.3400.00<2564.3243.2367.7633.182．2 外区南向房间单独分区时的新风量分配图5是南向房间单独分区后各个朝向的房间人均新风量分布曲线。可以看到，由于南向单独分区，南向房间人均新风量全年都大于25 m3/h，新风量分配有很大的改善。其它朝向房间还共用一个系统，相互之间的负荷变化规律仍然和4个朝向房间在同一个系统中相同，所以这3个朝向房间之间的新风量的分配比例基本没有改变，南向单独分区以后，对其它3个朝向的新风量分配基本不会产生影响。因此，变风量空调系统划分得越细，外区各个朝向房间新风量分配得越均匀。如果要严格保证所有房间的新风量都不小于25 m3/h，可单独敷设新风道。但单独的新风道会占用本已紧张的吊顶空间，而且初投资也会加大，所以，对没有特殊要求的办公建筑来说，没有必要这样设计。在对一些写字楼的客房的调查中发现，客户对瞬间新风量反映并不很敏感，一段时间内的新风量不满足要求，人并不会有明显的不适感（还没有详细的测试和分析，不是成熟结论）。在对现有的一些变风量系统的实际测试中发现，办公室的客户对新风量不足的反映主要是觉得燥热，如果能够通过降温手段使得房间温度降低，即可满足要求。也就是新风量对人的影响有一个延时的作用，只要客户不是始终处理新风量偏小的环境就不有特别明显的感觉。新风量的满足程度可以作为系统分区的一个考虑因素，方案设计阶段应该综合考虑温度、湿度和新风量这几个因素的最佳结合。2．3 过渡季利用新风节能时的新风量分配为实现在过渡季利用新风节能，算例建筑内外两区都需要20000 m3/h的最大新风量，而系统的最小新风量仅为2800 m3/h。内外区单个楼层的总新风量变化如图6所示。在这样的新风量条件下，4个朝向房间划为1个系统时的新风量分配情况如图7所示。由于利用新风节能时，新风量只是在春秋季和夏季的某些时刻大于最小新风量，在冬季为了节能则取最小新风量，因此图7中，加大新风量以后，对于冬季的新风量分配不均起不到改善的作用，但是对于过渡季和夏季，人均新风量最大的可以达到300 m3/h，远远超出满足健康要求的最小新风量。加大新风量是一个一举两得的办法，一方面可以在过渡季节减少制冷机的开启时间而节能，另一方面又可以改善春秋季和夏季定新风量下各个朝向房间新风量分配不均的问题。2．4 各朝向房间都能满足新风要求的总新风量对于外区4个朝向房间都划为1个系统的情况，要使得所有房间的新风量都能够满足要求，总的新风量应加大。对于本文的算例来讲，如果外区在冬季总的最小新风量能够满足5600 m3/h、夏季的最小新风量仍然保持2800 m3/h、过渡季可以利用新风的话，全年各个朝向的新风量都可以达到20m3/h，具体的新风量分配情况如图8所示。冬季新风量加大到5600 m3/h以后，与最小新风量2800 m3/h相比外区会多消耗一部分加热量。从图9的负荷比较可能看到为了在冬季使所有朝向房间的人均新风量都达到20 m3/h，需多消耗40%的加热量，相当于运行费用增加了7200元，折算到单位建筑面积多消耗3.8元/m2（多消耗的总加热量24000Kw·h，锅炉效率取80%，发电效率取30%，则相当于多耗电9000Kw·h，电费取0.8元/ Kwh）。在满足各朝向房间人均新风量的前提下，考虑冬季和夏季处理新风的能耗尽可能小，同时在春秋季又尽可能利用新风来节能，对外区来讲，最大新风量和最小新风量的范围如图10所示。内区和外区销有区别，冬季和夏季都不用加大最小新风量，只是春季开始利用新风的时间要早，秋季结束利用新风的时间要晚，其新风量变化范围如图11所示。3 利用新风实现免费供冷的可行性目前的变风量空调系统，新风的引入方式大多是从顶层和底层同时采气，标准层空调箱从新风竖井取气。新建筑中大多在新风入口有可以调节的新风阀，使得每一楼层的总新风量始终满足设计条件下的最小新风量。但是加大新风量以后竖井面积增加，占用一定的使用面积。商用建筑的租金很高，以北京的写字楼为例，甲级写字楼的租金高达25美元/（m2·月）[2]，增大新风量节省的运行费用和占用面积损失的租金是相互矛盾的，所以增大新风量而占用使用面积是否经济是写字楼中采用多大新风量的一个判断指标。图12，图13是定新风量和变新风量两种情况下，外区、内区全年逐月的冷量和热量比较，从中可以看到，3～10月期间，变新风量控制方式比固定新风量的方式节省冷量。图14和图15是外区和内区的加热量比较，在11～2月这段时间，室外新风的温度很低，新风量也取和定新风量方式相同的最小新风量，因此两种新风量控制方式的加热量是相同的。图16是变新风量和定新风量两种方式下全年总能耗的比较。标准层内区和外区都可节省20000 Kw·h的制冷量（约为总制冷量的23%），相当于制冷机电耗6500 Kw·h（COP取3），如果电费按照0.8元/（Kwh）来计算，则每年通过利用室外新风可以实现内外区分别节电5300元。加热量的节省有限，从图16的统计结果来看，全年利用新风内外区总共可以节省7500 Kw·h的热量（约为总加热量的13%），相当于运行费用1500元。节省制冷量和加热量的总量，折算成运行费用平摊到标准层，单位建筑面积鸡为6.4元/ m2。为实现利用新风节能的目的，过渡季内外区所需的新风量要比仅满足人员健康要求的系统的最小新风量大很多。内外两区基本都需要2000 m3/h的最大新风量，而系统的最小新风量仅为2800 m3/h。如果新风竖井入口处的风速可以达到20 m/s，那么最大新风量下，一幢18层高、从底部和楼顶两处取新风的写字楼，总的新风竖井面积需要4.3m2，如果每层每年节省运行费11800元，每m2的租金为200元/月，则一年之内单个楼层增加新风减少的运行能耗和占用出租面积损失的租金10000元基本相当。增大新风量带来的人员舒适性的提高是额外的效益，因些在变风量系统中利用新风是值得的。4 小结外区4个朝向在同一个系统中，各个朝向的房间都会有新风量小于设定值的时候，其中南向和北向房间不满足要求的时候最多。南向单独分区以后，其所在朝向房间的新风量全年都可以满足人均新风量25 m3/h的要求，但是东西北3个朝向的新风量分配情况仍然和4个朝向在一个系统时的情况相同。如果要求每个朝向的房间的新风量都能够满足要求，可以单独敷设新风道，这样每个朝向的新风量都不会受送风量变化的影响而改变。但是单独敷设新风道需要占用本来就紧张的吊顶空间。新风量分配不均的情况主要出现在冬季和过滤季。出于节能的考虑，过渡季总新风量可以增大，这样各个朝向的新风量都会远远超出最小新风量，所以过滤季新风量不够比较容易解决。对冬季的新风量不够，如果不单独敷设新风道，则需要对外区空调系统提高其最小新风量的取值，比如从设计工况下的每人25 m3/h。这样会多消耗一部分处理新风的能耗，但是原来新风量分配较少的南向和北向房间的新风量都可以增加到20 m3/h左右。过渡季节如果能够利用室外新风，一方面可以增大房间的新风量，另一方面可以减少冷冻机的开启时间从而节能。增大新风竖井而多占用出租面积损失的租金和节省的运行费用大致相抵，而新风量增加带来的人员舒适性提高和投拆减少则是额外的收益。因此，在建筑设计中应该提倡增加新风竖井的面积来实现过渡季节利用新风；在变风量系统设计中，对于外区空调系统要适当增加最小新风量的取值，在不过多增加处理新风的能耗的前提下，使得各个朝向的房间的新风量都可以满足要求。参考文献1 陈锋 建筑热环境的全工况模拟分析方法：[博士学位论文]，北京：清华大学，19992 李志萍 1998年北京写字楼市场分析，北京房地产，1999，（3）