某图书馆空调系统设计过程及风口选型

高晓林

北京城建设计发展集团股份有限公司，北京，100045

0 引言

全空气系统由于空气处理过程相对简单，末端布置灵活，且舒适性好，被广泛应用于各类公共建筑中。对于异形建筑，从负荷计算到空气处理过程，再到末端风口选型的合理与否，是满足空调区内人员舒适性的关键因素。以具体项目为例，针对性地进行介绍。

1 工程概况

中国石油大学（华东）图书馆（二期）项目用地位于中国石油大学（华东）青岛校区，现已建成并投入使用，且成为该校区标杆性建筑体。图书馆位于山东省青岛市黄岛区中国石油大学（华东）校区内东部的小黄山上，部分建筑依附于山体之中，为山地建筑。规划总用地面积：53290㎡，总建筑面积33875m2，其中地上共三层，建筑面积为32392m2，地下共一层，建筑面积为1483m2，总建筑高度22.43m，主要功能包括学习共享空间、石油科教中心、校史展厅、学术报告会议用房、网络数据中心、地下车库等，无人防工程。园区市政条件均集中于地块西南侧，热力供回水DN350。建筑效果图如图1所示。

2 空调负荷计算及冷热源介绍

空调负荷计算是基础，也是空调设计最重要的环节之一，空调负荷计算的准确性关系到设备选型的大小，空调负荷越准确，在不影响舒适度的前提下，越有利于空调系统的节能。

本项目建筑轮廓见图2，针对这样一个不规则图形，迄今为止没有一个明确的朝向划分原则。本工程的建筑朝向划分按以下原则处理：

1.首先确定建筑的正北朝向，然后把所有朝向作16等分，每等分为22.5°；

2.正北朝向左右两边各22.5°一起算作一个正北朝向，以此类推，共划分为8个朝向，如图3所示。

现以首层的培训室为例，见图4，介绍负荷计算过程。

1.先划分建筑朝向，按照划分原则，培训室垂直于外立面方向与正南朝向夹角28°，大于22.5°，因此判断为西南朝向。

2.西南朝向玻璃幕墙的传热系数K值为1.7W/(m2.℃)，玻璃修正系数Cs为0.43。

该培训室建筑面积为47m2，层高6m，夏季按非稳态得热计算冷负荷。根据公式Q维护=KFΔt，考虑通过透明维护结构进入的非稳态太阳辐射热量形成的冷负荷，以及人体、照明、设备散热形成的冷负荷，得到空调区的显热冷负荷Q1；另外，由房间的人数确定的人员散湿量，根据公式W=GΔd计算出空调区夏季湿负荷Q2。最终得出该房间的逐时冷负荷的最大值为17.84kW。依此类推，计算出每个房间的逐时冷负荷，然后取逐时冷负荷的最大值 Q。然后根据室内人员数量以及新风需求量确定新风量，由 Q新风=cGΔt算出新风负荷。本工程最终计算出的空调总冷负荷为= Q+ Q新风=3606kW。选择容量为1210kW(350RT)的电动螺杆式冷水机组3台，COP为5.83，比规范要求提高6%，放至首层冷冻机房内，供回水温度为6℃/13℃。热源由市政热力供给，热力站设置于首层，通过板换换出60℃/45℃的空调热水。

3 空调系统形式的确定

空调系统有多种不同的形式和分类，根据空气处理设备位置的不同分为集中式、半集中式和分散式；根据负担负荷的介质分为全空气系统、全水系统、空气-水系统和制冷剂系统；根据集中系统处理的空气来源分为封闭式系统、直流式系统和混合式系统；根据送风风道的数量分为单风道系统和双风道系统。典型空调系统的特征比较列表如下：

结合下表分析，在冷热源充足的条件下，空调系统形式的选择，还需要根据项目特点及具体功能等因素综合考虑确定。本工程主要特点是，房间功能种类繁多，比如有首层的大报告厅，设备发热量大，且对噪声有较高要求；有自习室，划分多间学习隔断；创意、创新学习区，空间跨度巨大。还有咖啡、书吧、图书馆办公室等，空间相对狭小。另一个特点是房间外区面积大跨度大，分内外区，例如入口空间、自由学习空间；第三个主要特点是建筑形状很不规则，整个建筑大部分呈现旋转层叠环形状。

表3-1 典型空调系统特征比较

结合以上特点，初步考虑的方案有两种，①集中式变风量系统；②集中式全空气的一次回风系统，结合半集中式的风盘加新风系统。

变风量系统适用于空调区无温湿度要求或对温湿度要求不高的房间，且每层设空调机房，占用楼层空间小；系统数量多、设备和控制系统投资多；增加或移动末端装置对附近区域影响大；噪声与震动较大且不易处理。所以对于本项目中主要功能的报告厅、自习室等房间，对噪声及震动要求较高，且有多间需要分割成独单隔间的学习自习室等，采用变风量空调系统并不合适。而全空气的一次回风系统适合空间较大、人员较多的房间，并且适用于噪声标准高的场所，所以适合应用于图书馆空调系统。另外，培训室、学习隔间、图书馆办公室等空间较小、层高较低的房间采用风机盘管加新风的空调系统，来满足工艺及功能的需求。

4 空气处理过程

一般全空气空调系统不宜采用冬夏季能耗较大的直流式（全新风）空调系统，宜采用带有回风的混合式系统。全空气定风量系统易于改变新回风比例、可实现全新风送风，以获得较好的节能效果。定风量系统对空调区温湿度控制、噪声处理、空气过滤和净化处理以及气流稳定等有利，因此，推荐应用于要求温湿度允许波动范围小、噪声或洁净度标准高的播音室、图书馆、净化房间、医院手术室等场所。规范[1]第7.3.4条也规定了全空气定风量空调系统的特点及适用范围。

有文章[2]提出采用双冷源温湿度独立控制空调系统，高温冷源主要负责夏季全部新风负荷和绝大部分室内显热负荷，低温冷源为辅助冷源，通常为常规的冷水机组，主要承担室内湿负荷，负责室内相对湿度的控制。且高温冷水机组需要采用专门按照高温供水工况设计开发的专用型机组，此种空调系统控制复杂。这给机组的应用带来了局限性。

以三层的150人的影视会议室为例，分析冬、夏季的空气处理过程。会议室室内余热Q为32.84kW，室内设计温度为25℃，新风量按30m³/（人·h），则新风量LW为4500m³/h。按最大送风温差，且考虑风机温升，夏季的处理过程见图5：

送风状态点为过室内N点的热湿比线与相对湿度φ=95%的交点L，考虑风机1℃温升后，为O点，即15.61℃。那么，室内余热、室内焓值及送风状态点焓值均为已知，根据公式求出送风量则根据公式L·hc=LW·hW+(L－LW)·hn求出hc。则空调机组处理冷量为：Q机组=1.2·L·(hc－hL)=69kW。

冬季一次回风混合后的加湿有两种方式，分别为等温加湿和等焓加湿，处理过程见图6。等温加湿过程：W、N混合至C点，加热器加热到E点，然后喷干蒸汽加湿，也就是E-O为的等温加湿过程，由O点沿热湿比线送至室内状态N点。等焓加湿过程为：当采用等焓加湿时，有可能使混合点C的焓值低于L点的焓值，所以需要设新风预热装置。W点加热至W"点，与N点混合至点C",对C"点喷循环水进行加湿至L点，L点加热到送风状态点O，沿热湿比线送至室内房间。本工程采用的是等焓加湿过程的湿膜加湿方式。由于冬夏季供回水温差相差较多，工程按夏季计算的空调机组处理冷量来选择全空气机组。但北方冬季室外空气较为干燥，往往需要对空气进行加湿处理，所需的加湿量为室外空气带来的欠湿减去室内散湿量，用公式表达即为：

5 风口选型

送风口按照安装位置可分为侧送风风口、上送风风口（向下送）、下送风风口（向上送）；按出口气流流动状态分为扩散型风口、轴向型风口和孔板送风口。扩散型风口具有较大的诱导室内空气的能力，送风温度衰减快、射程短；轴向型风口送风温度、速度衰减慢、射程远；孔板风口是在平板上满布小孔，送风速度分布均匀、衰减快。

在工程中，由于项目上图纸完成时间的限制，设计师为了节省时间，对风口的选择往往没有进行噪声的校核及射程的选择计算，造成施工完成后达不到使用要求，要么冬季风送不下来，要么夏季吹风感过强，然后更换，造成了施工材料和人力资源的浪费，不利于节能。因此，风口的合理设计也是暖通空调设计中非常重要的一个环节，不容忽视。

本工程入口大厅、中庭南部、中庭北部等层高13米左右的高大空间需设置分层空调的区域，设置双侧对送射流的球形喷口，对于首层层高6米左右的自由学习空间、研习区等大空间设旋流风口，其余层高6m左右的科技体验区、排练室等区域，设可调条形风口。对于球形风口，既能调节气流方向，又能调节送风量，送风口可侧向或垂直向下送风，其射程按相对喷口中间距离的90%计算。相关规范[1]第7.4.5条规定，采用喷口送风时，应符合：1）人员活动区宜位于回流区；2）喷口安装高度，应根据空调区的高度和回流区分布等确定；3）兼做热风供暖时，宜具有改变射流出口角度的功能。本次工程空调系统就采用兼做热风供暖的方式。旋流送风口的特点是诱导比大、送风速度衰减快且流型可调，所以能适应不同射程的需求，送风口也是可横向、斜向或垂直方向送风。旋流风口适用于层高较高的空调建筑房间，对于本工程的多数空间都很适合。条缝形风口采用活页风口，可调成平面流型，也可调成垂直下送流型。送风时，气流可调成左出风、右出风、左右出风或垂直向下出风等，特别适用于公共建筑的舒适型空调。

现以旋流风口选型为例，介绍风口选型过程。

旋流风口以单个风口的风量、送风温差、送风高度为依据，来控制风口的射程和噪声等参数。有相关论文[3]论述可知，由于夏季供冷，风口送出的冷气流有一定的自然沉降作用， 而冬季由风口送出的热气流密度相对于空气较小，有随房间高度增高而上升的趋势，且有一定的热量衰减，所以这里只用校核冬季风量是否满足人员舒适度的要求。另外，在现场无条件侧送风的前提下，选择旋流风口顶送风。

例如计算出的首层自由学习空间南的总送风量为20350m3/h，面积647m2，结合空调区的空间位置设28个风口 （风口水平距离4m或4m左右）,则每个风口的风量为730m³/h（对应样本风量200l/s）。样本选型参考妥思厂家提供的旋流风口参数见图7。

由图中曲线可以看出，冬季垂直送风时，当选择规格为400的风口时，在风量730m³/h时，相当于图中风量2001/s）,送风温差15℃情况下，最大射程为2.5m，已知自由学习空间南吊顶下净高为5.2m，所以不能将空调热风送至人员活动区，冬季供暖效果大打折扣。有论文[4]指出，当冬季工况和夏季工况气流组织参数不能匹配时，可采取辅助供暖措施，如设置地暖，地板送热风等来保证冬季供暖效果。本工程设若干混水泵，在冬季不满足风口射程要求的空间设置地板采暖，后期运行效果良好。笔者认为，在没有条件设辅助采暖的房间或空间，可采用冬夏季空调机组风机变频，冬季增大送风量来保证送风射程，具体方案可与风口厂家商讨，制定详细的风口布置方案。此种措施同时也可以增加送风的换气次数，从而增强房间空气的流通。根据相关文献[5]但此种方法并不节能，因此除非特殊情况下，否则不建议采用。 当风量增至50000m³/h时，即每个风口风量为1800m3/h （5001/s）,送风温差为15℃,此时风口的射程为5m，噪声值37dB,压力损失50Pa。满足人员舒适要求。

6 结语

对于异形建筑（多角度旋转）的空调负荷计算，采用十六等分八个方向的方法，更接近负荷的真实值。另外，对于冬夏季皆用空调供冷暖的建筑，在进行风口选型的时候，人们经常忽略冬季热气流向上的流动特性，只是对照样本进行简单选型，并没有结合建筑层高及风口数量等具体情况校核。文章针对具体建筑空间的送风口进行选型，分情况给出风口射流不足的解决方案，具有参考价值。