現(xiàn)在的辦公建筑大多數(shù)進深較大，具有多個朝向，各房間熱濕負荷相差較大。同時,內(nèi)外區(qū)之間通常設有隔斷，并一直延伸到吊頂。這樣，內(nèi)外區(qū)的空氣被隔絕，無法進行流通，致使內(nèi)外區(qū)房間的溫度分布冷熱不均。在對一些寫字樓的調(diào)查測試中發(fā)現(xiàn)，沒有設置空調(diào)分區(qū)的建筑，溫度分布均勻性差，有些建筑內(nèi)外區(qū)的房間溫差有時甚至可能高達4~5℃。
對于進深比較大、而內(nèi)外區(qū)沒有空氣流通的辦公建筑,要避免冷熱不均的現(xiàn)象，合理劃分內(nèi)外區(qū)是非常重要的。另外，由于辦公建筑能耗中，空調(diào)能耗占絕大部分，節(jié)約能源已經(jīng)成為空調(diào)系統(tǒng)設計、運行中一個非常重要的元素。尤其，冬季在空調(diào)分區(qū)系統(tǒng)中，內(nèi)外區(qū)的冷、熱負荷并不同步。在這種情況下，選擇合適的空調(diào)方式，充分利用室外的天然冷源給內(nèi)區(qū)供冷無疑是節(jié)約能源，減少運行費用的很好途徑。因此，選擇合適的空調(diào)方式，充分利用能夠利用的天然能源供冷、供熱已經(jīng)越來越受到關注。
1 空調(diào)分區(qū)的原則
1.1 在辦公建筑中，一般劃分為內(nèi)區(qū)和周邊區(qū)，并分別供冷和供熱，這是由辦公建筑的負荷特點決定的。辦公建筑周邊區(qū)的冷負荷是由于室內(nèi)外溫差和太陽輻射作用，通過圍護結構傳入室內(nèi)的熱量形成的冷負荷。與太陽輻射熱，室內(nèi)、外溫度，圍護結構的熱工性能有關。周邊區(qū)夏季存在冷負荷，冬季存在熱負荷，并且負荷波動較大。內(nèi)區(qū)的冷負荷則是由于人體、燈光照明以及其他設備散熱形成的冷負荷。由于人體及設備散熱量的變化較小，所以內(nèi)區(qū)的冷負荷波動較小，并且全年均為冷負荷。在1月、2月、11 月和12 月這4個月里,外區(qū)房間需要供熱,而內(nèi)區(qū)房間則需要供冷。因此，合理劃分內(nèi)外區(qū)是非常重要的。
1.2 內(nèi)外分區(qū)的界限，設計者一般是根據(jù)經(jīng)驗而定。在歐洲和日本一般進深超過5m，則進行空調(diào)分區(qū)；國內(nèi)一般情況下，標準層的進深超過3~5m時，就進行分區(qū)。在美國，空調(diào)分區(qū)系統(tǒng)中有外區(qū)面積越來越小的趨勢，很多設計者在進深超過2m時，就進行內(nèi)外分區(qū)。分區(qū)的界限主要受室外氣象參數(shù)，維護結構熱工性能及內(nèi)擾的影響。尤其以維護結構的層高及內(nèi)擾對其影響最大。外區(qū)的面積與層高成反比，而與內(nèi)擾成正比。現(xiàn)代辦公建筑中，層高由于空間和投資的限制有減小的趨勢；由于計算機等現(xiàn)代辦公設備的影響，內(nèi)區(qū)的散熱也越來越大。這樣，在進深2m處，負荷受外圍及室外參數(shù)的影響已經(jīng)很小，基本上保持穩(wěn)定。這樣，適當減小分區(qū)的界限可以使溫度分布更均勻并減少不必要的能耗。
2 利用冷卻塔直接給內(nèi)區(qū)供冷
2.1 對于全空氣系統(tǒng)，可以在內(nèi)、外區(qū)分別設空調(diào)機組，內(nèi)、外區(qū)的回風互不摻混，分別回到各自的空調(diào)機組。在內(nèi)、外區(qū)都需要供冷的季節(jié)，運行冷水機組給內(nèi)外區(qū)供冷。冷凍水分成兩部分：一部分進入內(nèi)區(qū)空調(diào)機組，和內(nèi)區(qū)的新、回風進行熱質交換，給內(nèi)區(qū)供冷；另一部分進入外區(qū)的空調(diào)機組，與外區(qū)新、回風進行熱質交換，給外區(qū)供冷。當外區(qū)需要供熱而內(nèi)區(qū)需要供冷時，可以利用鍋爐或城市熱水通過外區(qū)的空調(diào)機組給外區(qū)供熱。
在給內(nèi)區(qū)供冷時，可以充分利用天然冷源，關閉冷水機組，而直接用冷卻塔給內(nèi)區(qū)供冷。其工作原理如圖1. 從冷卻塔出來的冷水通過冷水機組兩側的旁通管進入內(nèi)區(qū)空調(diào)機組。在空調(diào)機組中與內(nèi)區(qū)新、回風進行熱質交換。混合空氣被冷卻后，進入內(nèi)區(qū)房間，除去房間的余熱余濕，給內(nèi)區(qū)房間供冷。與混合空氣進行熱交換后，冷水溫度升高，回到冷卻塔。在冷卻塔中進行噴淋，與室外空氣進行熱質交換，將熱量散發(fā)到大氣中，水溫降低后重新進入內(nèi)區(qū)空調(diào)機組進行循環(huán)。
2.2 這樣，將冷水機組關閉，只開啟冷卻水泵和空調(diào)機組。使冷水在空調(diào)機組中與混合空氣進行熱質交換，將冷量傳遞給混和空氣；冷水在冷卻塔中與室外冷空氣進行熱質交換，將熱量散發(fā)到室外空氣中。這樣，就實現(xiàn)直接利用天然冷
源給內(nèi)區(qū)供冷的目的。這種供冷方式減少了電耗，降低了運行費用，是一種經(jīng)濟、節(jié)能的給內(nèi)區(qū)供冷的空調(diào)方式。在北方地區(qū)，當室外溫度低于0℃時，暴露在室外的冷卻水管道與冷卻塔集水箱會發(fā)生凍結。一般情況下，需要對外管路輔助電加熱保護，冷卻塔集水箱內(nèi)置電加熱器及溫度自動控制裝置。
另外，對于風機盤管系統(tǒng)，可以使冷卻塔出來的冷水通過冷凍水管進入內(nèi)區(qū)風機盤管，在盤管中與內(nèi)區(qū)回風進行熱交換，給內(nèi)區(qū)供冷。但是，在這樣的開式系統(tǒng)中，如果不對冷水進行處理，很容易使盤管銹蝕，結垢，大大縮短盤管的使用壽命。
3 利用乙二醇溶液作載冷劑給內(nèi)區(qū)供冷
3.1 全空氣系統(tǒng)中，冬季室外溫度低于0℃的地區(qū)，利用冷卻塔給內(nèi)區(qū)直接供冷的空調(diào)方式無法實現(xiàn)。此時，可以將室外冷空氣作為冷源，用乙二醇溶液作載冷劑，將室外的自然冷源引入室內(nèi)給內(nèi)區(qū)供冷。需要給外區(qū)供熱而給內(nèi)區(qū)供冷時，關閉冷水機組，仍然用鍋爐或城市熱水作為熱源給外區(qū)供熱。
給內(nèi)區(qū)供冷的工作原理如圖2。在室外安裝板式換熱器，由風機將室外的冷空氣引入板式換熱器，乙二醇溶液和室外冷空氣在板式換熱器中進行熱交換。被冷卻的乙二醇溶液進入內(nèi)區(qū)的空調(diào)機組，在機組中與混合空氣（新、回風進行混合后的空氣）進行熱交換，混合空氣被冷卻，溫度降低后進入內(nèi)區(qū)房間，給內(nèi)區(qū)房間供冷。乙二醇溶液溫度升高，再次回到室外的板式換熱器中，與室外的冷空氣進行熱交換，溫度降低后繼續(xù)循環(huán)。這種熱交換方式經(jīng)常用在熱回收系統(tǒng)中。乙二醇和高溫排風進行熱交換，溫度升高后，進入新風機柜，給新風進行預熱。從而，回收排風中的熱量給新風加熱，節(jié)約電能，節(jié)省運行費。
3.2 這種將乙二醇溶液作為載冷劑，引入室外冷空氣中的冷量給內(nèi)區(qū)供冷的方式是一種很節(jié)能的空調(diào)方式。只需在室外裝設一臺板式換熱器，運行時，冷水機組關閉，只開啟風機和空調(diào)機組就能夠引入天然冷源給內(nèi)區(qū)供冷，節(jié)約了電能，減少了運行費用。但是，在利用室外冷量給內(nèi)區(qū)供冷的過程中，冷空氣要與乙二醇進行熱交換，乙二醇再與混合空氣進行熱交換，經(jīng)過兩次熱交換后，冷量損失較大，換熱效率不高，一般低于60% 。
4 內(nèi)外區(qū)空調(diào)獨立系統(tǒng)
4.1 在辦公建筑中，還可以采用內(nèi)外區(qū)空調(diào)獨立系統(tǒng)。合理進行內(nèi)外分區(qū)，并分別設置獨立的空調(diào)系統(tǒng)，送回風互不摻混。根據(jù)房間的負荷變化調(diào)節(jié)送風量及新、回風比。利用新風降溫，達到節(jié)省冷量，節(jié)省電量的目的。夏季，開啟冷水機組，給內(nèi)、外區(qū)分別供冷；過度季節(jié)，調(diào)節(jié)新回風比，加大新風量；冬季，關閉冷水機組，運用鍋爐或城市熱水給外區(qū)供熱。在給內(nèi)區(qū)供冷時，根據(jù)內(nèi)區(qū)房間冷負荷總量，調(diào)節(jié)新回風比，適當增大新風量，或以全新風送風，給內(nèi)區(qū)降溫。
筆者在國家知識產(chǎn)權局專利業(yè)務信息樓的空調(diào)設計中，就采用了內(nèi)外區(qū)空調(diào)獨立系統(tǒng)。在冬季給內(nèi)區(qū)供冷中采用全新風，充分利用室外冷空氣給內(nèi)區(qū)房間降溫。
本設計實例位于北京市海淀區(qū)國家知識產(chǎn)權局院內(nèi)，建筑面積22725m2，共10 層，地下一層，設備用房；地上9 層，為辦公用房。
首層大廳及各層辦公用房，采用低速集中式空調(diào)系統(tǒng)，每層設三個集中機房，以下以四層為例進行說明。該層設1#，2#，3#三個空調(diào)機房，1#和2#機房負責外區(qū)負荷，3#機房負責內(nèi)區(qū)負荷。風管布置如圖3 所示。從1#, 2#機房出來的送風經(jīng)吊頂內(nèi)的送風管道送到外區(qū)各散流器處，3#機房送風則送至內(nèi)區(qū)空間。在天棚內(nèi)、外分區(qū)處設隔斷，內(nèi)、外區(qū)回風互不摻混，均由集中回風口經(jīng)回風管分別返回各機房。其中部分回風經(jīng)樓梯間由屋頂風機排。
送風管道 回風管道 排風管道
圖3 風管布置圖
4.2 夏季，內(nèi)外區(qū)同時供冷。三臺冷水機組同時開啟，供給各空調(diào)機組7℃的冷水。新風經(jīng)過濾后與回風混合，經(jīng)冷卻除濕后露點送風。1#,2#機房給外區(qū)供冷，3#機房為內(nèi)區(qū)供冷。過渡季，內(nèi)、外區(qū)空調(diào)機組都采用全新風運行。冬季，外區(qū)需要供熱而內(nèi)區(qū)需要供冷。由院內(nèi)燃氣鍋爐為外區(qū)供熱。
夏季3#機房送風量G 為6.15 ㎏/s。冬季，室內(nèi)設計溫度tN=20℃，相對濕度為40%，則室狀態(tài)點的焓值iN=35kJ/㎏；室外空調(diào)計算溫度tW=–12℃，室外計算相對濕度為45%，室外狀態(tài)點的焓值iW=-11kJ/㎏。如果冬季采用全新風給內(nèi)區(qū)供冷，則室外冷空氣可以提供的最大冷負荷Q供可以按（1）式計算：
另一方面，冬季內(nèi)區(qū)冷負荷主要來自人體和計算機等設備的散熱。按每4 ㎡一人和一臺計算機，每人散熱量140 W，每臺計算機散熱量200W計算。內(nèi)區(qū)的面積為711 ㎡，取安全系數(shù)1.2。則冬季內(nèi)區(qū)的冷負荷按下計算：
可見，室外冷空氣所能提供的冷量遠大于內(nèi)區(qū)所需要的冷量。因此，冬季給內(nèi)區(qū)供冷時，可以關閉冷水機組，直接利用室外新風給內(nèi)區(qū)房間降溫。此時所需要的新風量為：
室外溫度是不斷變化的，當室外溫度升高時，室內(nèi)外焓差減小，室外冷空氣可以提供給內(nèi)區(qū)的冷量也隨之減小。而在人員設備不變的情況下，室內(nèi)冷負荷基本穩(wěn)定不變，所以必然存在一種最不利狀態(tài)，此時，新風所能提供的最大冷負荷恰好等于內(nèi)區(qū)冷負荷。假設當溫度升高到tW，時，達到最不利狀態(tài)，此時的溫度tW，可以按下式確定：
室外相對濕度為 45% ，查表得：tw' = 12.5 ℃。
所以，當溫度高于12.5℃時，室外能夠送入的冷空氣就不能滿足內(nèi)區(qū)的冷負荷要求。而在北京，直到三月中旬室外溫度才能達到十幾度，也就是說幾乎在整個冬季室外天然冷量都可以滿足內(nèi)區(qū)冷負荷。
冬季室外冷空氣給內(nèi)區(qū)供冷的空調(diào)過程如圖4 所示。室外溫度在-12℃～12.5℃時，可以僅利用室外冷空氣給內(nèi)區(qū)供冷。依據(jù)室外溫度的變化，調(diào)節(jié)電機頻率改變送風量，則送風量在1.57kg/s～6.15kg/s 之間變化 ,從而保證內(nèi)區(qū)房間維持在18℃～20℃的室內(nèi)設計溫度。在外區(qū)供暖季節(jié)，室外溫度高于12.5℃時，可以減少外區(qū)的供熱量，內(nèi)區(qū)冷負荷隨之減小，從而使室外冷空氣的供冷量滿足內(nèi)區(qū)冷負荷的要求。
另外，當送風溫度較低時，室內(nèi)工作人員可能會產(chǎn)生“吹冷風”的不舒適感。此時，可以調(diào)節(jié)新回風比，適當送入部分回風，提高送風溫度，從而滿足室內(nèi)人員的舒適性要求。
4.3 這種空調(diào)方式，在過渡季節(jié)和冬季充分利用室外新風降溫，關閉冷水機組，直接利用室外冷量給房間供冷，可以節(jié)省電量，節(jié)省運行費用，為用戶節(jié)約了大筆資金。另外，運行中增大新風量或采用全新風，這樣，送入的新風遠遠大于衛(wèi)生條件所要求達到的最小新風量，顯著的提高了室內(nèi)空氣品質，改善了室內(nèi)環(huán)境。但是，與風機盤管系統(tǒng)相比，變風量的空調(diào)方式投資較高，施工相對復雜，對運行調(diào)節(jié)要求較高。
5 結論
表1三種空調(diào)方式優(yōu)缺點表
方式 | 用冷卻塔給內(nèi)區(qū)供冷 | 用乙二醇作載體給內(nèi)區(qū)供冷 | 內(nèi)外分區(qū)空調(diào)獨立系統(tǒng) |
優(yōu)點 | ①用已有設備供冷，節(jié)省投資 ②節(jié)省電能及運行費用 | ①不受外界溫度限制，應用范圍廣。 ②用天然冷源節(jié)省運行費用。 | ①提高室內(nèi)空氣品質 ②實現(xiàn)溫度均勻分布 ③節(jié)省費用 |
缺點 | ①室外溫度低于0℃時，需設加熱溫控裝置，增加初投資。 ②風盤系統(tǒng)，易引起盤管銹蝕。 | ①換熱效率低 ②不能高效利用天然冷量 | ①施工復雜 ②運行調(diào)節(jié) 要求高 |
5.1 大多數(shù)辦公建筑由于進深大，且內(nèi)外分區(qū)之間設有隔斷而使得內(nèi)外區(qū)房間冷熱不均。為了使內(nèi)外區(qū)房間的溫度均勻分布，標準層進深超過3～5m時，就應該對建筑進行內(nèi)外分區(qū)。而在空調(diào)分區(qū)系統(tǒng)中，采用合理的空調(diào)方式給內(nèi)外區(qū)供冷供熱是設計中節(jié)約能源的關鍵。尤其，冬季給內(nèi)區(qū)供冷時，充分利用天然冷源給內(nèi)區(qū)供冷時節(jié)約能源，減少運行費用的很好途徑。
5.2 冬季，給內(nèi)區(qū)供冷時，可以使內(nèi)區(qū)的供水與室外冷空氣在冷卻塔中進行熱質交換，從而引入天然冷源給內(nèi)區(qū)供冷。這種方式僅運行冷卻水泵和空調(diào)機組，就可以給內(nèi)區(qū)供冷。是一種經(jīng)濟、節(jié)能的給內(nèi)區(qū)供冷的空調(diào)方式。但是，當室外度低于0℃時，冷卻水無法進行循環(huán)，這種供冷方式也就無法實現(xiàn)了。
5.3 當時室外溫度低于0℃時，可以用乙二醇溶液作為載冷劑，引入室外天然冷量給內(nèi)區(qū)供冷。這種空調(diào)方式，需在室外裝設一臺板式換熱器，運行時，只開啟風機和空調(diào)機組，節(jié)約了電能。但是，換熱過程中冷量損失較大，換熱效率不高。
5.4 在有內(nèi)、外分區(qū)的全空氣系統(tǒng)中，可以采用變風量調(diào)節(jié)。根據(jù)房間的負荷變化對送風量及新、回風比進行調(diào)整。在過渡季節(jié)和冬季，充分利用新風降溫，可以很大程度的節(jié)省電量。另外，增大新風量又可以提高室內(nèi)空氣品質，改善室內(nèi)環(huán)境?？偨Y歸納三種空調(diào)方式的優(yōu)缺點并列入表1。
