大风量空调机组应用于小空间的策略研究

(浙江工业大学 工程设计集团有限公司，浙江 杭州 310014)

考虑到大空间场所空调负荷变化规律性比较明显、温湿度要求比较统一，为保证整个空间场所空气气流的合理分布，空调设计一般采用全空气系统比较合理，空调设备采用大风量空调机组更能适用于大空间场所对空调的要求。全空气系统是指使用场所为了达到空调效果，其所需的冷源、热源介质不进入大空间场所而只是接送至为其服务的空调机房，使用场所内的冷量和热量全部由布置在空调机房内的空调机组处理后的冷、热空气承担，使用场所内只有空调风管布置，为了便于空调送风管和回风管的布置，空调机房一般布置在使用场所内部位置。对于大空间场所，采用大风量空调机组进行空气处理的全空气空调系统是经济、合理、适用的空调形式。

随着时间的推移，历史的变更，房间的使用功能也会随之改变。原来是大空间场所使用功能，使用一段时间后会作为增加许多分隔墙的小房间使用。在设计过程中，投资单位往往会提出许多要求，包括不改变原来的空调设备，通过对空调系统的管路进行改造设计，增加相应技术措施，以达到实际使用要求。用同一台大风量空调机组对各种不同功能的房间进行送风回风，组织合理的空调气流，解决空调送风量分配不均匀、各房间空调使用要求温湿度不一致、空调使用时间不一致、各房间空调冷热负荷差异性等一系列技术问题，从而实现不同使用功能房间的空调需求[1]，对研究者来说是一个新的课题。

1 大风量空调机组应用于小空间场所时存在问题

为了更好地研究大空间场所与有分隔墙的小房间两种空调工作条件下的空调情况，找出两种条件下存在的问题，特意把两种情况设定为边界条件一和边界条件二。

边界条件一：大空间场所、房间使用功能单一、空调使用时间稳定、空调负荷和风量恒定，采用一台大风量空调机组对整个大空间场所实施空调送风回风，平时使用时能够满足该场所空调温湿度使用要求，运行情况稳定。

边界条件二：把大空间场所分隔成许多小面积房间，各房间使用功能不同，空调使用时间不同，各房间一天中出现空调最大冷热负荷和风量的时间段是不一致的，在这种前提下，采用原来一台大风量空调机组对众多小面积房间送风回风，如何能满足各房间空调使用要求。

边界条件一的空调系统经过多年运行，一直运行稳定，能够满足客户期待的使用要求。边界条件二采用同样的一台大风量空调机组对众多小面积房间送风回风，是否能够满足各房间的空调使用要求，或者说空调使用过程中会发生什么样的问题。通过鸿业空调负荷软件计算分析表明：尽管总建筑面积没有发生变化，由于划分为众多功能不同的小房间，边界条件二情况下的空调冷热负荷与空调总送风量值要比边界条件一减少15%～20%，如果还是采用一台大风量空调机组运行，会产生以下问题[1-6]：

1) 大风量空调机组运行成本会增加20%～30%，不利于建筑节能要求。

2) 边界条件二中各房间空调系统的送风会非常不均匀，直接结果是各房间的温湿度难以达到期望目标值要求。

3) 大风量空调机组长期在大风量状态下运行，不仅风量难以消耗，还会产生较大的运行噪声，不利于各房间舒适性空调对房间噪声环境的要求。

4) 众多小房间的吊顶空间中有大尺寸风管、大截面风管的存在，不利于房间吊顶造型的布置，不利于建筑空间的有效利用。

综上因素，边界条件二大风量空调机组运行时，如果不采取相应安全可靠的技术措施，空调系统的运行达不到舒适性空调要求的经济、适用、安全、环境等目标期望值。

2 设计策略

在边界条件二设定条件情况下，如何使空调运行工况能够达到目标期望值，针对这一问题笔者分别从以下几个方面进行策略研究，并采取相应的技术措施以达到设定的目标。

2.1 空调负荷及风量计算

空调负荷及风量的正确计算是分析边界条件二空调系统情况的基础，本研究采用的软件是“鸿业空调负荷计算软件”(9.0版)。边界条件二与边界条件一相比，建筑围护结构条件是一样的，不同条件是边界条件二情况下，房间人员数量、灯光照明指标、空调系统新风指标不同。计算结果是边界条件二情况下的总冷热负荷和空调送风量要比边界条件一少15%～20%，以此空调负荷及风量计算确定设定目标数据。

2.2 空调系统设计策略

笔者从空调负荷和风量匹配、采用风机变频技术、定风量阀的应用等几个方面分析，考虑空调系统的设计策略。

2.2.1 空调负荷和风量匹配

通过对边界条件二中各房间进行分析、计算和研究，边界条件二整个区域空调的逐时冷热负荷及与之相适应的风量是一个确定值，在对各房间实施空调设计时，需要送入的空调冷热负荷和风量也是一个确定值，这两者之间只需考虑管路损耗和热效率就能确定空调设备的负荷及风量要求，在空调设备的选配时应尽量避免产生“大马拉小车”的情况。边界条件二要求的空调设备参数要求比边界条件一要小15%～20%。

2.2.2 风机变频技术

风机变频是空调行业中应用于大风量空调机组不太常见的技术措施，主要原理是根据空调场所所需实际风量的要求改变风机转速，从而可以改变空调机组中风机的运行曲线，随着风机转速的变化，风机的风量、风压和电机耗功率值都会有明显的变化。图1为风机特性曲线。图1中：Q为风机风量；p为风机风压；Q—p风机特性曲线是风机在不同速度条件下运行时的风压—风量特性曲线；管网特性曲线是管网在不同风量条件下运行时的管网风管阻力特性曲线。

图1 风机特性曲线Fig.1 Fan characteristic curve

工作点A是满足边界条件一前提下空调机组的运行工作点，此时空调机组风机转速为n1，风量为Q1，风压为p1。工作点B是满足边界条件一前提下空调机组的运行工作点，此时空调机组风机转速为n2，风量为Q2，风压为p2。当空调机组风机工作点由A变至B时，风机风量、风压在风机转速变动下作相应变化，此时风管管网阻力也随着风机风量、风压的改变而变化[7-13]。

为了达到边界条件二的运行条件，通过对空调机组设置风机变频器，采取改变风机运行转速的技术措施，改变风机电机运转频率来实现空调机组风量、风压的最优化运行，在满足空调场所风量、风压要求前提下同时满足风管管路阻力要求。通过对空调场所的风量和风管系统的水力进行分析计算，空调机组的工作点从A改变为B时，工作点B状态下空调机组风机的风量Q2能够满足边界条件二情况下各小空间房间空调风量要求，风机的风压p2也可以克服空调风管系统阻力，达到每个送风口对送风量和送风风速的要求，从而满足各个房间设定空调的目标。

流体力学公式表明风机风量Q与转速n成线性关系，风机风压p与转速n成二次方正比，风机轴功率Nz与转速n成三次方正比[7-13]，即

(1)

式中：Q1为转速n1时的风机流量，m3/h；Q2为转速n2时的风机流量，m3/h；p1为转速n1时的风机风压，Pa；p2为转速n2时的风机风压，Pa；Nz1为转速n1时的风机轴功率，kW；Nz2为转速n2时的风机轴功率，kW。

采取风机变频技术后，风机在转速变化情况下，空调机组本身的节能效率变化也是比较明显的。在空调机组风机工作点B状态下，空调机组风量为Q2，风压为p2，Q2和p2均能满足房间空调风量、风压要求，根据式(1)，风机轴功率Nz与转速n成三次方正比，从理论上可以很容易计算出空调机组风机转速降低20%，其节能效率能够达到40%以上。

2.2.3 定风量阀的应用

定风量阀是一种因特定的空调场所风量恒定所需而设置的风管阀门，它可以确保该场所空调效果，本研究采用的是机械式自力定风量阀，主要是根据定风量阀前后的压差来确定阀门的开启度，从而保证送入房间的风量值。定风量阀的优点是安装位置不受限制，风量精度可以根据需要自动平衡调节，不会受水力计算不平衡导致风量不平衡的影响，区域回风口设置在房间门或墙体的底部。其缺点是空调房间对空调的使用时间不能随意，温湿度控制只能服从于空调机组服务的整个区域[14-17]。

边界条件一是大空间场所，边界条件二是划分为许多使用功能的小空间场所。为了保证边界条件二前提下各小空间场所的空调使用效果，在送入各小房间空调风管支管上设置定风量阀，根据风量计算结果选定相应规格尺寸的定风量阀，各小房间空调所需的风量值基本恒定，能够保证应该要送入空调房间的风量，从而能够保证各小房间的空调使用效果。

2.3 平时通风设计策略

空调场所注重的是该场所空调冷热负荷的平衡，空调送风、排风、新风的平衡，只要送入房间空调风量的负荷能够消除房间的热湿负荷，就能达到房间空调的效果。空调房间相对来说是一个密闭空间，房间内的空气质量是由空调设备送入房间的空调风量、排出的空气量及送入房间的空调新风来保证的，空调场所的排风措施对房间的空调效果及空气质量都会有明显的影响[1]。

2.3.1 单独设置排风系统

在边界条件二条件下，根据房间面积确定房间换气次数，可以设置单独的排风系统，系统比较简单，不作太多论述，主要一点是应注意排风量与送入该房间的新风量之间的平衡，否则会影响房间空调效果。

2.3.2 与消防排烟系统兼用

任何工程消防排烟系统仅当需要消防排烟时才会被使用，平时除消防检查外不会开启使用，如何在平时也能利用该系统，对暖通工程师来说，也是一种技术上的挑战。通过计算分析，边界条件二空调场所平时排风的风量一般只有消防排烟风量的50%以下，因此，排烟风管的管路应用于平时通风系统时风量是完全满足要求的。通过对排风风机、排风口和防火阀的系统控制，以及对排烟风机、排烟阀和排烟口的系统控制，通风时运行排风风机、防火阀，排烟时运行排烟风机、排烟阀、排烟口，平时排风系统和消防排烟系统可以合用风管管路[18-20]。

2.4 防排烟设计策略

防排烟系统的设计应遵循现行规范要求。对于不满足自然排烟的场所均应设置消防排烟系统，并根据要求决定是否设置排烟时的补风系统。边界条件二情况下，各小空间场所是不满足自然通风和自然排烟条件的，在设置消防排烟系统时，采用通风系统与消防排烟系统合用的技术措施，既能满足消防时的排烟，又能满足平时通风的要求，节省了一套风管管路系统[18-20]。

3 案例研究

某科技服务中心项目位于浙江省杭州市，属于高层建筑，地上共24 层，总建筑面积为362 445.88 m2，其中地上建筑面积为231 666.39 m2，本次装修改造仅对1～5 层进行设计，装修改造部分建筑面积为27 410 m2，1～5 层原设计主要功能为大空间场所，按人员密集场所考虑，空调系统均采用全空气系统，装修改造后主要使用功能改变为市民服务中心，主要有办公、会议、档案、资料、银行、招投标中心、网络中心、指挥中心等使用功能，大部分均为小隔间分隔，对于空调使用时温湿度要求、使用时间、空调冷热负荷与原来的设计布置大相径庭。1～5 层空调系统的总冷负荷为3 719 kW，热负荷为2 603 kW[1-3]。

3.1 空调负荷计算

3.1.1 室内设计参数

各功能场所房间内的温湿度按《实用供热空调设计手册》(2008)[1]中负荷计算要求和《公共建筑节能设计标准》(DB 33/1036—2007)[3]中相关要求设置，新风量按最小标准确定，并确定各场所噪声指标值，按要求选择室内通风空调设备并采取相应的降噪措施(表1)[1-3]。

表1 室内设计参数Table 1 Indoor design parameters

3.1.2 空调负荷计算

根据装修改造后确定的平面使用功能图纸，采用鸿业空调负荷软件进行冷负荷和风量计算，列出了装修改造由大空间改为具有各种功能小房间前后，各楼层、各防火分区内风量和冷量的技术参数对照表，如表2所示[1-3]。

表2 装修改造前后空调机组参数对比Table 2 Comparison of air conditioning unit parameters before and after renovation

3.2 空调设计

通过空调负荷和风量计算，从表2中可以看出：大空间改为具有各种功能小房间后，各楼层、各功能使用房间对空调风量和负荷的需求，与原来安装就位的空调机组相比，风量、冷量需求要比原来小15%～20%左右。由于风量需求的变化，如果不改变空调设备，直接采用原来的空调设备，空调系统运行时一定会产生“大马拉小车”的状况；空调送风量偏大造成空调房间内噪声大，影响空调使用环境。为满足空调主送风管送风风速<10 m/s要求，风量不变条件下，空调主送风管尺寸大会影响装修空间尺寸，更主要是会造成空调能效浪费而不利于建筑节能。本工程改造设计中应采取相应的技术措施，才能达到设计要求和实际使用目的，根据空调设计研究策略的结论，决定采取以下技术措施[4-6]。

3.2.1 风机变频技术

本次采取的措施是设置了空调变频器来改变风机转速，根据设定的空调回风温度，由变频器程序计算出空调场所实际使用过程中所需的风量、风压、冷热负荷，从而计算出空调设备的实际转速需求，最终确定空调机组送入空调场所相应的风量、冷热量，以达到使用要求和设计目标。图2为空调机组变频控制原理图[7-13]。

根据式(1)，以表2中3层防火分区二80 000 m3/h空调机组的运行情况为例进行分析，可以分析出风机在额定风量100%，80%，50%条件下，风机的风压分别是额定风压的100%，64%，25%，风机的轴功率分别是额定风压的100%，51.2%，12.5%，见表3。

表3 不同转速下空调机组风量、风压、轴功率变化

Table 3 Changes of air volume, wind pressure and shaft power of air conditioning units at different speeds

风机转速/(r·min-1)风机风量/(m3·h-1)风机风压/Pa风机轴功率/kW节能效率/%2 90080 0001 10040.0002 32064 00070420.4848.81 45040 0002755.0087.5

从以上分析计算中可以看出：对原有空调机组采用风机变频技术，在满足空调场所实际使用要求的风量、风压前提下，空调系统节能效果也是非常明显的。根据空调负荷软件计算，3层防火分区二空调系统正常运行时需要的风量是额定风量的50%～80%；通过空调水力计算，空调机组在额定风量50%～80%风量运行时，该系统风管管路需要的风压为250～280 Pa。因此3层防火分区二区域在由大空间划分为具有各种功能的小房间后，采用风机变频技术，风机转速即使降低至50%时空调机组的风量、风压也是能够满足实际需要的。

空调机组风机转速降低至50%，考虑风机效率为52%，可以计算出该防火分区内空调系统的节能效果基本在25%～40%，就空调机组本身来看，在满足空调场所风量、风压、冷热负荷需求的前提下，节能效果明显，因此，其经济性也是比较可观的[7-13]。

图2 空调机组变频控制原理图Fig.2 Frequency conversion control schematic diagram of air conditioning unit

3.2.2 定风量阀的应用

本工程采用定风量阀是为了使空调机组能够服务于不同使用功能的房间空调，图3是3层防火分区一的空调设计，为了不改变该防火分区内的空调设备，不动产的几个独立房间空调主送风管上设置了定风量阀，设计时明确了服务房间的风量指标要求，空调系统的回风采用在房间门的下部设置百叶回风口，以保证该区域空调系统运行时气流的循环。根据计算，图3中不动产的几个房间风量需求分别是1 728，1 152，810 m3/h。实际运行中不动产的几个独立房间采用了定风量阀，保证送入各房间的空调风量，且有良好的空气循环运行，空调效果及舒适度完全达到了设定的要求。

图3 三层防火分区一空调设计Fig.3 Three level fire compartment design

4 平时通风设计

图4 二层防火分区一排风与排烟合用系统设计Fig.4 Design of a two level fire compartment system for combination of exhaust and smoke

图5 屋顶消防排烟风机、排风机设计Fig.5 Design of roof fire and smoke exhausting fan and exhaust fan

本工程1～3 层服务大厅属于人员密集场所，根据规范和使用要求，服务大厅应设置非空调季节的排风系统。改造设计过程中遵循节省投资的原则，考虑尽量利用原设计管路，所以采取排风系统与消防排烟系统合用风管管路，同一风管管路上设置平时通风需要的排风口、排风风机，并设置消防排烟时的排烟口、排烟风机，既满足规范要求也能符合实际使用要求，如图4，5所示。图4中70 ℃电动防火阀平时常开，与单层百叶风口连通，钢制排烟风口平时常闭，满足平时通风要求；消防排烟时由消控中心控制联动关闭70 ℃电动防火阀，同时消控中心联动开启钢制排烟风口进行该区域的排烟。图5中PF-4风机是平时排风系统的排风风机，PY-4风机是该防火分区的排烟风机，平时正常运行时PF-4风机常开，满足服务大厅排风要求，排风时PY-4风机是停止运行的；消防排烟时由消控中心控制关闭PF-4风机和与之相连的70 ℃电动防火阀，同时消控中心联动开启PY-4风机的运行，280 ℃防火阀的作用是排烟系统排烟温度超过280 ℃时自动关闭PY-4系统排烟口、排烟风机，并联动消控中心关闭PY-4系统的运行[18-20]。

该大厅的通风系统和排烟系统合用风管管路，只要在系统控制措施设计到位的情况下是完全能满足实际使用要求的，可以节省通风系统的一套风管，并且由于风管管路的减少，建筑物内部的使用空间也可以得到极大的利用。

5 排烟系统设计

本工程装修改造时，将部分大空间场所分隔为不同使用功能的小房间，小房间是否需要设置排烟系统需根据规范确定，且房间布局的改变，防烟分区应根据规范要求重新划分设计。本工程1～5 层大于50 m2的无外窗房间、大于100 m2且不满足自然排烟条件的房间、超过20 m长的内走道及划分防烟分区的区域均采用机械排烟系统，且每个防烟分区面积小于500 m2，其排烟量应按不小于60 m3/(h·m2)计算，排烟风机的排烟量按最大防烟分区面积的120 m3/(h·m2)计算确定，排烟风机统一设于裙房屋顶[18-20]。

6 结 论

将大空间划分为不同使用功能小房间的空调设计时，可能会遇到原有空调机组风量过大、原设计空调系统不满足重新划分后房间空调使用要求、排风及排烟系统需根据现房间布置另行设计等情况。针对以上问题，笔者提出一系列的设计策略，包括风机变频、定风量阀、排风与消防排烟系统合用等一些技术措施。以杭州市某科技服务中心装修改造时空调通风防排烟实际工程设计为例，将笔者提出的各项设计策略应用于该工程实际，有效解决了整个空调系统使用过程中可能会出现的问题，从而满足各功能场所空调使用的舒适性和节能性。本工程目前已竣工完毕，经过夏季和冬季供冷供热两个空调季节的使用，目前该工程空调系统整体运行正常，设计过程中采取的各项技术措施是可行的，特别是采取对空调机组风机的变频措施，就空调机组本身而言，根据实测的运行数据可知节能效率已达25%～40%，从整个空调系统的一次投入的经济性看也比同类项目更节省投资，完全达到了设计预期的目标，也得到了用户的好评，系统运行达到了节能、舒适、经济合理的目的。本研究成果能为大风量空调机组应用于小空间的设计、改造和运行提供重要参考[16]。