对现代建筑空调系统中新风的再认识
北京市建筑设计研究院周艺
摘要：空调系统中新风的引入是改善室内空气品质的重要手段之一。新风量与室内空气品质之间有密切联系，新风量是否充足对室内空气品质影响很大。因此本文将就室内空气品质的认证依据，新风对改善室内空气所发挥的作用，工程设计中新风量的确定方法加以阐述。室外新风的品质对室内空气品质也有一定的影响，其影响程度与新风处理方式和送入方式有关。新风处理得当与否直接影响室内的热舒适性和空调系统的节能。本文将着重谈谈空调系统中新风量的控制方法。
关键词：室内空气品质新风量标准应用方式需求控制
目录：
绪论：
1新风量标准：
2新风引入室内的方式：
2.1 新风直接入室：
2.2 新风送入空调机处理后再送入室内：
2.2.1 定风量新风系统：
2.2.2 应用CO2或混合气体浓度作为调节对象，进行需求控制的变风量新风系统：
结语：
绪论：
现代社会发展日新月异?建筑向着高空间多功能发展。建筑的使用者们越来越注重个人的生活工作环境。看看我们周围以及同我们一样在一栋栋多层和高层建筑中工作着的人们就会发现，一天工作下来，尤其在空调房间中，许多人抱怨胸闷、头痛、情绪焦燥，这种现象被称为“病态建筑综合症”。早在十九世纪八十年代，美国人就提出了有空气调节建筑存在的这个主要问题，并针对它由美国供暖制冷空调工程师学会率先颁布了ANSI/ASHRAE标准62-1989，把“可接受的室内空气品质”定义为：“空气中没有已知的污染物达到公认的权威机构所确定的有害浓度指标，并且处于这种空气中的绝大多数人（≥80％）对此没有表示不满意。”这一定义体现了人们认识上的飞跃，把客观评价与主观评价结合起来。
室内空气品质是一个涉及很多学科的复杂问题，引发这一问题的因素很多。影响室内空气品质的主要是空气中含有的污染物，例如：尘粒、CO2挥发性有机化合物、尼古丁、氡气等。在现代建筑中如何消除这些污染对人产生的不良影响是现今暖通专业人士比较关心的问题。常规的思路是：发挥新风效应；消除及控制室内污染源；室内空气自净。
针对这些常用的方法是吸附、稀释和掩盖。对于整个房间来讲，吸附需要较大的风量以达到一定的换气量，还需要与之相适应的吸附面积和设备体积，花费代价不小。掩盖法则是用一种易被人接受、强度较大的气味去掩盖不良气味，但这将使室内增加另一种有机物，而且这个新成员对人体长期健康的影响还是个未知数。最有效的办法是提高新风效应，用污染浓度较低、较清新的室外空气去冲淡污染浓度较高的室内空气，使其污染浓度降低到对人体无害的程度。为了达到“可接受室内空气品质”的要求，规定了两种措施：提供符合品质要求规定的一定量新风给空调区域；将室内空气中各种污染物控制在规定的浓度以下。
现在空调系统设计中总是力求在满足空气品质要求的规定和热舒适性的同时达到节能，即在三者间求得平衡。对一栋建筑来讲，空调系统担负着室内负荷和新风负荷。室内负荷包括建筑围护结构冷（热）负荷、室内人员负荷、灯光负荷、设备负荷。新风负荷指室外空气参数与室内空气设计参数的差异引起的负荷。那么能否找到某些途径在满足空气品质要求的规定和热舒适性的前提下，通过控制新风量来达到节能呢？
下面从新风量的确定和新风引入室内的几种方式来探讨一下这个问题。
1新风量标准：
现在我们做工程设计时，最初阶段常采用估算的方法来确定空调系统的新风量。在一些手册、措施上对代表性的建筑用房提出了相应的新风指标。而现今的建筑复杂多样，功能划分越来越多，有许多不同用途的房间的新风估算指标在手册和措施中是找不到的。那末究竟如何限定新风的最小量值呢？究竟向建筑中送入多少新风就可以既满足空气品质的要求又能尽量减少新风所带来的能耗呢？
美国职业安全卫生署在1977年到1987年间对346个现场进行了测定，发现造成“病态建筑”或“室内空气品质恶劣”的建筑，新风不足，通风不良，温湿度调节失常者占了52％。国内在1960年代也发生过“恒温室病”，其主要原因也是新风不足。目前美国空调系统设计中，绝大多数都按照标准62—1989提供规定的最小新风量。这个标准不分吸烟与不吸烟区将提供给每一个人的最小新风量定为不低于7.5L/s。下面是几种典型的场所每人最小新风量取值情况，见表一。
表一 几种典型的场所每人最小新风量
从这个表中的数据可以看出，新风量的最低限是定在7.5 L/（s﹒人）上的，针对不同用途的房间，在此基础上适量地上调一些数值。病房的定量最多，正是出于这部分人群对室内空气品质的要求高于正常健康人群。1990年代初期，在对“每人最小新风量”做了大量研究工作后证实：当提供的新风量大于10 L/（s﹒人）时，很少有办公人员投诉病态建筑的一些症状，象头痛、眼喉鼻炎等。而且进一步得出，7.5 L/（s﹒人）是稀释人体分泌的挥发性气体—“人气”的最低必须新风量。
在ASHRAE标准62—1989修订案中，将计算最小新风量的公式分为人员需要和建筑需要两部分。建筑部分的需要是为了稀释建筑、家具、设备等散发的有害气体。这样设计最小新风量DVR的计算公式成为：
DVR=RPPDD+RBAB（1）
式中DVR—设计最小新风量，L/（s）
RP—每人最小新风量，L/（s﹒人）
RB—单位面积应提供的新风量，L/（s﹒m2）
PD—新风系统送风范围内的人数
AB—建筑面积，m2
D —综合系数。
修定标准保留了最小新风量不低于7.5 L/（s﹒人）。
2新风引入室内的方式：
2.1新风直接入室：
前面已经提到改善室内空气品质的方法常用的是吸附、稀释和掩盖。其中最简易有效的方法是提高新风效应，最大限度地保留新风特有的空气品质。那么最好的办法是让新风避开污染源之一—空调系统，直接进入空调房间。为此有人研究将直接进入的新风在室内的非工作区与室内空气充分混合后再送入工作区，以保证其均匀的温度场和湿度场。这种情况与常规的新风经空调系统进行热湿处理的方式不同，新风是直接与室内空气混合，图1反应了两者状态变化过程的差异。
图1
由图1中可见两者新风比相同，LC/LW=N’C’/N’W，处理焓差（iC’–iL）和（iN–iL）相差不大。由于它的新风没有经过空调机或新风机而直接送入，故处理室内循环风的空调机处理风量要小，相应处理冷量也要小得多。从整个系统来看，这种形式实质上是新风旁通（或者说新风没有经过去湿），造成室内状态湿度偏大（N点在N’点的右边），换句话说它节省了新风去湿的冷量。在潮湿和中等潮湿地区，冬季新风热负荷中显热部分约占2/3左右，而夏季的新风冷负荷中显热（冷）部分只有1/5—1/10左右，这就是说，在夏季的新风冷负荷中潜热（冷）占了绝大部分。要去掉这部分的潜热量的耗冷量相当大，对于空调区域没有湿度要求的场合，新风直接送入空调室是十分节能的。而对于过渡季节较长的气候地带来说，这种形式的变新风运行更具有优势。但是它是以牺牲热舒适性为代价的。对于处于过渡季不明显或较短地区以及热舒适性要求较高的建筑这种形式就不太合适了。
2.2新风送入空调机处理后再送入室内：
工程设计中更多的是将新风送入空调机处理后再送入室内。新风系统根据新风量是否变化可以分为两类：定风量新风系统；应用CO2或混合气体浓度作为调节对象，进行需求控制的变风量新风系统。
这里所说的新风量有下列几个等级：
a新风量等于空调区域设计人数所需的最小新风量。
b按照空调区域实际工作人数所需的最小新风量。
c全新风运行。
d基本新风量。
基本新风量是下列三者中的最大值：
a保持空调区域一定数值的正压（5～10Pa），提供从围护结构缝隙，特别是从电梯门及加压楼梯间疏散门缝隙中渗出的风量。根据ASHRAE手册中的资料，按照建筑漏风程度，约为0.15～0.4次/h换气次数。
b冲淡建筑、家具散发有害气体所需的新风，一般不超过一定正压所需新风。但新建造的建筑和发现有害气体如氡气时，必须详加检查测定，必要时设置专用的送风和排风系统，降低室内有害气体的浓度。
c提供厕所、休息室、厨房等所需的排风量。
基本新风量约为设计最小新风量的0.2～0.5倍。
2.2.1 定风量新风系统：
应用定风量整体机组的空调系统，通常都设有手动调节的新风阀和回风阀。在系统的调整、测试阶段，把新风阀和回风阀固定在所需开启的程度，使吸入的新风量能够满足空调区域内为设计人数时每人应有最小新风量的要求。工程设计中，新风量一般为送风量的10％至30％。较新较大的定风量整体机组，都设置了新风阀能够自动全开以应用新风冷却，或新风阀和回风阀联动启闭的新回风混合控制。
定风量新风系统中，空调系统的送风量为一定值，新风比一旦确定，新风量也为一定值。因此工程设计中在定风量新风系统中，新风量通常是根据空调区域设计人数所需要的最小新风量来确定。这里忽略了建筑部分对新风量的需要。因为新建筑建成初期，由于家具、材料、设备的存在而释放大量对人体有害的有机污染物，但随着时间的推移，通过不断的通风换气可以大大降低这些污染物浓度，当污染物浓度降到低于规定的污染物浓度以下后，这部分新风需求也就可以忽略了。但是建筑是服务于人的，人员活动的存在使得人员对新风的需求必然存在。设计中定风量新风系统在空调区域内有人时，新风阀总是在某一固定开度上，新风量不变，比较简单，初投资较少，因此在工程设计中大量使用。
对定风量新风系统的应用应注意将不同使用时间、不同室内设计参数的功能房间分别设置空调机组，以利于节能，方便管理。
工程实例：南山歌舞剧院
工程概况：本工程位于山东烟台南山达沟水库的北侧，总建筑面积14430平方米，观众人数1760人，建筑总高度（内屋顶）26.5米，剧院主要包括：地上为观众厅、主侧舞台、化妆间、办公及会议等用房；地下一层为设备用房，地下二层为冷冻机房和水泵房。
空调负荷：夏季设计冷负荷1100Kw；冬季设计热负荷1840Kw。
空调冷热源：夏季空调用633 Kw蒸汽双效溴化锂吸收式机组2台，总制冷量1266 Kw，提供7/12℃冷冻水，供空调机组、新风机组、风机盘管使用。夏季空调用0.8MPa的饱和蒸汽经减压阀减压至0.4MPa，再经汽—水换热器转换二次热水，蒸汽耗量3534kg/h,热媒设计温度60/50℃。
空调系统划分：观众厅池座和楼座采用单风机全空气系统，上部顶送下部回风；包箱采用单风机全空气系统，上部顶送上部回风；根据气流组织的需要和运行管理要求，对观众厅的池座、楼座、包箱采取多个机组分别送回风的形式。舞台采用单风机全空气系统，主舞台上部下送风、侧送风，下部回风；侧舞台上部侧送下部回风。会议室、办公、化妆间、光控、声控室、放映、同声传译等采用风机盘管加新风系统。观众厅吊顶内部与面光灯具布置相结合，设置排风系统排除照明发热和观众厅顶部的余热。
空调室内设计每人最小新风量表二
工程投入使用两年，使用情况良好。
2.2.2 应用CO2或混合气体浓度作为调节对象，进行需求控制的变风量新风系统：
需求控制的新风系统对新风进行需求控制，送入空调区域的新风量根据需求而调节。在一栋建筑中，很多情况是空调区域逗留的人数在不同时间是变化的。除了应用新风冷却以外，当逗留人数减少时相应地减少新风量，即降低空调系统新风负荷处理量，又可以达到节约能耗的目的。因此在工程设计中引入了变风量VAV空调系统来实现对新风系统的需求控制，进而达到节能目的。变风量空调系统可以根据空调负荷的变化及室内要求参数的改变自动调节空调系统送风量，（当达到最小送风量时调节送风温度），以满足室内热舒适性要求。根据室内人员变化引起的新风需求的变化调节新风量，达到既满足室内空气品质要求的规定又节能的目的。
需求控制的新风系统，应用CO2或混合气体浓度作为调节对象，使空调区域中CO2或混合气体浓度不超过整定值，也即每个工作人员的最小新风量不少于ASHRAE标准62—1989的规定。为什么要以室内CO2浓度作为调节对象呢？首先，CO2是一种人体呼出的气体，用它可以表明人体散发有害气体稀释的程度。送足够的新风到空调区域的主要目的就是为了稀释人、建筑等散发的有害气体。在主要是人散发有害气体的空调区域，按照CO2浓度或混合气体浓度对新风量进行调节是比较直接合理的方法。其次，应用CO2浓度作为调节对象，才能实现需求控制。应用风量作为调节参数，一般只能进行定量控制。
图2是一个应用CO2浓度作为调节对象进行需求控制的新风系统。它包括新风空调机组、新风管、新风口、排风口、排风管、排风机和控制系统。
图2
每一个新风系统可以有一个或几个CO2敏感元件。CO2元件的位置可以放在CO2浓度比较高或有代表性的空调区域，或是在排风总管中取平均值。通常采用一个携带式CO2浓度测量计，在CO2浓度比较稳定后，对每一个空调区域进行15～30分钟快速测定，来修正CO2敏感元件的位置。ANSI/ASHRAE标准62—1989中明确规定空调区域CO2浓度不得超过1000X10-6。对于空调区域内CO2浓度的整定值是采用1000X10-6或是稍低一些，可以根据实际运行情况，使租户和逗留人员既满意又经济合理。
在图2系统中，需求控制的新风系统夜晚停止运行，第二天当新风空调机组提前一定时间开动时，新、排风机先启动，然后新、排风阀逐渐开启，直到全开。如果测得的CO2浓度低于整定值，新、排风机的转速保持在使新风量等于基本新风量的位置上。在基本新风量时，变频调速器具有的电流、电压参数，可以在调整测试时确定。随着工作时间的到来，空调区域内人员逐渐增加，此时测得CO2浓度高于整定值了，VAV装置（BOX）就向系统控制器传送自己的工作状况，经系统控制器（SystemController）分析计算后发出控制风机变频器的信号，增加新、排风机转速，使新风量等于最小新风量。当空调区域内人员减少时，测得CO2浓度又低于整定值了，VAV装置发出信号给系统控制器，系统控制器向变频器发出信号降低新、排风机转速，以利节能。新、排风机转速的降低不是一直降低的，工作时间当中最低应维持使新风量等于基本新风量，使空调区域保持5～10Pa的正压。
有一种特殊情况是当空调系统夜晚停止运行时，建筑和设备散发的有害气体浓度超过白天工作时间的整定值，这时需要新风系统在第二天工作时间到来之前提前启动，送出最大新风量来冲淡有害气体，风机在电动机满负荷下运行一段时间，然后根据空调区域的CO2浓度进行需求控制。
在有人员活动的空调区域，空调系统总是在保证最小新风量的时候，才能做到既保证室内空气品质要求的规定又使系统节能。在变风量新回风系统中，新风量控制、新风冷却控制、风管静压以及系统风量控制，和空调区域正压控制相互影响。当变风量送风系统在系统负荷减少，部分负荷运行时，送风量减少，新风量也相应减少。如何才能使新风量在送风量减少的同时保持最小新风量的绝对值不变，或者说变风量系统中定新风量供应问题怎么解决呢？
图3是一个变风量新回风系统应用CO2浓度为调节对象的需求控制系统。这个系统包括变频空调机组、送风管道、VAV装置、送风口、回风口、回风管道、变频回风机、回风阀、排风阀、排风管道、以CO2浓度为调节对象的需求控制、空调区域正压控制、送风温度/新风冷却控制和风管静压控制。
 图3
当夏季应用新回风混合状态送风时，空调系统在工作时间到来之前提前0.5h～1 h开动。温度传感器探测室内温度高于室内设计温度，送、回风机启动，回风阀全部打开，新风阀仅开到提供基本新风量的程度。这时空调区域内的正压可能超过5～10Pa整定值，PS压力传感器（设定正压值）将压力信号传给压力变送器，压力变送器通过压力调节器将压力信号转换为电信号传给变频器，由变频器控制回风机转速，同时调整排风阀开度以便保持室内正压在整定值范围内。
当CO2敏感元件测得回风管的CO2浓度低于整定值时，新风阀保持在基本新风量的位置上。随着工作时间的到来，室内人员逐渐增加，室内CO2浓度上升，当CO2浓度测定值超过整定值时，系统控制器驱动风阀控制器开大新风阀，直到CO2浓度等于或低于整定值为止。在夏季应用新回风混合状态送风时，新风阀最大开启程度保持在能提供的新风量等于设计人数时所需要的最小新风量。到了午休时间，室内人员离开工作区出外就餐，室内逗留人数下降，新风阀开度减小。下午接近下班时间，室内逗留人数不断减少，新风阀开度减小，直到新风量等于基本新风量为止。因此在夏季的一个完整工作日中，新风量总是在基本新风量和最小新风量间变化。
在过渡季节，工程设计中力求使空调系统采用全新风状态运行，以利于节能。这时新风冷却要求新风阀全部开启，而以CO2浓度为对象的需求控制又要求新风量能保持在最小新风量状态，如何解决这种矛盾呢？在系统控制器中，总是选取大一些的新风阀开度和大一些的新风量。当空调区域内负荷减少时，温度传感器探测到室内温度低于室内设计温度，向送风口近端的VAV装置发出动作信号减小VAV装置风阀开度，静压传感器感应送风管P点的静压变化，向静压变送器发送压力信号，再经过静压调节器将压力信号转为电信号传给变频器控制送风机转速下降，减小送风量，直到送风管P点静压达到整定值。这对空调系统吸入的新风量有影响，新风量相应减少。新风量的减少使空调区域CO2浓度发生变化，系统控制器跟踪这种变化并控制新风阀加大开启程度，寻求新的平衡，使空调区域CO2浓度围持在整定值以下。这样空调系统既满足了热舒适性和室内空气品质的要求，又起到了节能的效果。
工程实例：首都国际机场T3航站楼
工程概况：T3航站楼位于北京首都国际机场东侧，由T3A和T3B两栋建筑组成，两楼通过旅客捷运系统联系。T3A地下二层为机电用房、行李处理机房；地下一层为机电用房、零售仓储、装卸区、行李处理机房上空；机坪层为VIP、CIP、行李大厅、指廊空调机房；二层为国内到达、行李提取大厅、远机位候机厅等；三层为国内出发、行李处理、办公等；四层为办票大厅；五层为餐饮。T3B地下二层为机电用房、APM维修站、零售仓储；地下一层为管廊、电气用房、行李处理；机坪层为空调机房、行李大厅；二层为国际出发大厅、零售；三层为国际到达、办公、旅馆。总建筑面积约700000平方米。
空调室内设计每人最小新风量 表三
工程设计中，对指廊、办公室、休息室、零售区和餐厅采用一次回风变风量双风机空调系统。系统包括：变频驱动的可变速送风风机和回风机、电动新风阀、电动回风阀、电动排风阀、送风管、回风管、排风管、VAV装置、冷却盘管、加热盘管、高压喷雾加湿器、板式过滤器、袋式过滤器、活性炭过滤器、温度控制、风管静压控制、CO2浓度控制、罗盘箱。
空调系统送风温度14℃，各使用点设置变风量控制箱，根据室内负荷的变化调节并输送不同的风量，保证室内温度达到设计温度。在较低的冷负荷时段，通过自动上调送风温度避免室内过冷。通过VAV末端装置调节送风量，控制室内温度。VAV末端装置风量调节范围50％—100％，低于50％时采用关断部分VAV末端装置来提高其余VAV末端装置送风量的方式以及提高送风温度的方式。在设计送风状态（认为是系统运行的最大送风状态），新风量对应设计最小新风量，设计工况新风比为40％。在系统调节测试阶段，将新回风阀开度调整到4：6开度。在实际运行时，由于室内负荷下降，系统控制器控制总送风量下降，新回风阀开度不变，这时新回风量由于风机转速下降而同比例下降，新风比不变。室内负荷的变化可以是由于围护结构负荷、灯光、设备负荷变化引起的，可以是人员变化引起的，也可以是综合作用的结果。当负荷下降是由非人员变化引起的，由于送风量下降，新风量也下降，单位人员最小新风量不足，即CO2浓度超标，回风的CO2敏感元件控制新风阀门加大新风量，保证回风CO2浓度低于600PPM，使满足人员新风指标达到设计值。由室内温度调节VAV末端装置，由送风系统最不利环路2/3位置的压力探测点控制送风机转速，回风机同比例调节转速，保证回风量是送风量的85％，维持室内正压。新风口即使布置在屋顶上或其它远离机坪区的地方也无法避免、消除航空燃料的气味。因此所有空气处理机都配有活性炭过滤装置，以除去空气中航空燃料的异味。
结语：
不论是采用哪一种方式，都应针对建筑物自身的特点因地制宜地选择利用。为保持室内空气品质良好，新风口的设置位置应该选择室外空气较清洁的地点，尽可能布置在远离排风口的区域。新风口的底部距室外地坪不宜低于2米，当布置在绿化地带时，不宜低于1米。降温用的新风口宜布置在建筑物的背阴处，新风口宜装设能严密关闭的阀门。而且送风系统中的空气过滤器、盘管、凝结水管、风机、阀门和风管应当保持清洁，以免污染送风，影响室内空气品质。
参考文献：
（1）潘云钢．高层民用建筑空调设计．北京：中国建筑工业出版社，1999年第一版
（2）高养田．空调新风系统设计若干问题分析．暖通空调，1993．22（2）：10-14
（3）蔡敬琅．变风量空调设计．北京：中国建筑工业出版社，1997年第一版
（4）韩华徐文华范存养．国外新风量标准设计指标的发展（1）．暖通空调，2000．30（5）：15-19
第一作者姓名：周艺
性别：女
出生年月：1970年4月
技术职称：高级工程师
通讯地址：北京市西城南礼士路62号北京市建筑设计研究院
邮编：100045
联系电话：8804316613552099193
传真：68022803
电子邮箱：zhouyi412@sina.com
|
