空调系统分区设计初探

空调系统分区设计初探

王宇

北京仲量联行物业管理服务有限公司100004

摘要：本文首先指出在办公建筑中，合理的进行内外分区是实现温度均匀分布的关键。说明了在空调分区系统中，采用适当的空调方式给内、外区供冷供热，是减小能耗、节约能源的重要措施。其次介绍了三种在空调分区系统中可以采用的节能的空调方式，分别为：利用冷却塔给内区供冷、以乙二醇为载冷剂给内区供冷及采用变风量调节。并根据工程实例详细讲述了这三种空调方式的使用的环境、工作原理及优缺点。指出这三种空调方式都可以充分利用天然能源，减小能耗。

关键词：内外分区；节能；空调方式

前言

现在的办公建筑大多数进深较大，具有多个朝向，各房间热湿负荷相差较大。同时内、外区之间通常设有隔断，并一直延伸到吊顶。这样，内、外区的空气被隔绝，无法进行流通，致使内、外区房间的温度分布冷热不均。在对一些写字楼的调查测试中发现，没有设置空调分区的建筑，温度分布均匀性差，有些建筑内、外区的房间温差有时甚至可能高达4～5℃[1]。对于进深比较大、而内、外区没有空气流通的办公建筑，要避免冷热不均的现象，合理划分内、外区是非常重要的。另外，由于办公建筑能耗中，空调能耗占绝大部分，节约能源已经成为空调系统设计、运行中一个非常重要的元素。尤其在冬季，空调分区系统中，内、外区的冷、热负荷并不同步。在这种情况下，选择合适的空调方式，充分利用室外的天然冷源给内区供冷无疑是节约能源，减少运行费用的很好途径。因此，选择合适的空调方式，充分利用天然能源供冷、供热已经越来越受到关注。

1.空调分区的原则

在办公建筑中，一般划分为内区和周边区，并分别供冷和供热，这是由办公建筑的负荷特点决定的。办公建筑周边区的冷负荷是由于室内、外温差和太阳辐射作用，通过围护结构传入室内的热量形成的冷负荷。与太阳辐射热，室内、外温度，围护结构的热工性能有关。周边区夏季存在冷负荷，冬季存在热负荷，并且负荷波动较大。内区的冷负荷则是由于人体、灯光照明以及其他设备散热形成的冷负荷。由于人体及设备散热量的变化较小，所以内区的冷负荷波动较小，并且全年均为冷负荷。在1月、2月、11月和12月这4个月里，外区房间需要供热，而内区房间则需要供冷。因此，合理划分内、外区是非常重要的。

内、外分区的界限，设计者一般是根据经验而定。在欧洲和日本一般进深超过5m，则进行空调分区；国内一般情况下，标准层的进深超过3～5m时，就进行分区。在美国，空调分区系统中有外区面积越来越小的趋势，很多设计者在进深超过2m时，就进行内、外分区。分区的界限主要受室外气象参数，围护结构热工性能及内扰的影响，尤其以围护结构的层高及内扰对其影响最大。外区的面积与层高成反比，而与内扰成正比。现代办公建筑中，层高由于空间和投资的限制有减小的趋势；由于计算机等现代办公设备的影响，内区的散热也越来越大。在进深2m处，负荷受外围及室外参数的影响已经很小，基本上保持稳定。这样，适当减小分区的界限可以使温度分布更均匀并减少不必要的能耗。

2.利用冷却塔直接给内区供冷

对于全空气系统，可以在内、外区分别设空调机组，内、外区的回风互不掺混，分别回到各自的空调机组。在内、外区都需要供冷的季节，运行冷水机组给内、外区供冷。冷冻水分成两部分：一部分进入内区空调机组，和内区的新、回风进行热质交换，给内区供冷；另一部分进入外区的空调机组，与外区新、回风进行热质交换，给外区供冷。当外区需要供热而内区需要供冷时，可以利用锅炉或城市热水通过外区的空调机组给外区供热。

在给内区供冷时，可以充分利用天然冷源，关闭冷水机组，而直接用冷却塔给内区供冷。其工作原理如图1。从冷却塔出来的冷水通过冷水机组两侧的旁通管进入内区空调机组，在空调机组中与内区新、回风进行热质交换，混合空气被冷却后，进入内区房间，除去房间的余热余湿，给内区房间供冷，在与混合空气进行热交换后，冷水温度升高，回到冷却塔，在冷却塔中进行喷淋，与室外空气进行热质交换，将热量散发到大气中，水温降低后重新进入内区空调机组进行循环。

这样，将冷水机组关闭，只开启冷却水泵和空调机组，实现直接利用天然冷源给内区供冷的目的。这种供冷方式减少了电耗，降低了运行费用，是一种经济、节能的给内区供冷的空调方式。在北方地区，当室外温度低于0℃时，暴露在室外的冷却水管道与冷却塔集水箱会发生冻结。一般情况下，需要对外管路辅助电加热保护，冷却塔集水箱内置电加热器及温度自动控制装置。

另外，对于风机盘管系统，可以使冷却塔出来的冷水通过冷冻水管进入内区风机盘管，在盘管中与内区回风进行热交换，给内区供冷。但是，在这样的开式系统中，如果不对冷水进行处理，很容易使盘管锈蚀、结垢，大大缩短盘管的使用寿命。

3.利用乙二醇溶液作载冷剂给内区供冷

全空气系统中，冬季室外温度低于0℃的地区，利用冷却塔给内区直接供冷的空调方式不易实现。此时，可以将室外冷空气作为冷源，用乙二醇溶液作载冷剂，将室外的自然冷源引入室内给内区供冷。需要给外区供热而给内区供冷时，关闭冷水机组，仍然用锅炉或城市热水作为热源给外区供热。

给内区供冷的工作原理如图2。在室外安装板式换热器，由风机将室外的冷空气引入板式换热器，乙二醇溶液和室外冷空气在板式换热器中进行热交换。被冷却的乙二醇溶液进入内区的空调机组，在机组中与混合空气（新、回风进行混合后的空气）进行热交换，混合空气被冷却，温度降低后进入内区房间，给内区房间供冷。乙二醇溶液温度升高，再次回到室外的板式换热器中，与室外的冷空气进行热交，温度降低后继续循环。这种热交换方式经常用在热回收系统中。乙二醇和高温排风进行热交换，温度升高后，进入新风机柜，给新风进行预热。从而，回收排风中的热量给新风加热，节约电能，节省运行费。

这种将乙二醇溶液作为载冷剂，引入室外冷空气中的冷量给内区供冷的方式是一种很节能的空调方式。只需在室外装设一台板式换热器，运行时，冷水机组关闭，只开启风机和空调机组就能够引入天然冷源给内区供冷，节约了电能，减少了运行费用。但是，在利用室外冷量给内区供冷的过程中，冷空气要与乙二醇进行热交换，乙二醇再与混合空气进行热交换，经过两次热交换后，冷量损失较大，换热效率不高，一般低于60%。

4.内、外区空调独立系统

在办公建筑中，还可以采用内、外区空调独立系统。合理进行内、外分区，并分别设置独立的空调系统，送、回风互不掺混。根据房间的负荷变化调节送风量及新、回风比。利用新风降温，达到节省冷量，节省电量的目的。夏季，开启冷水机组，给内、外区分别供冷；过度季节，调节新、回风比，加大新风量；冬季，关闭冷水机组，运用锅炉或城市热水给外区供热。在给内区供冷时，根据内区房间冷负荷总量，调节新、回风比，适当增大新风量，或以全新风送风，给内区降温。

笔者在国家知识产权局专利业务信息楼的空调设计中，就采用了内、外区空调独立系统。在冬季给内区供冷中采用全新风，充分利用室外冷空气给内区房间降温。

本设计实例位于北京市海淀区国家知识产权局院内，建筑面积22725m2，共10层，地下一层，为设备用房；地上9层，为办公用房。

首层大厅及各层办公用房，采用低速集中式空调系统，每层设三个集中机房，下面以四层为例进行说明。该层设1#、2#、3#三个空调机房，1#和2#机房负责外区负荷，3#机房负责内区负荷。风管布置如图3所示。从1#、2#机房出来的送风经吊顶内的送风管道送到外区各散流器处，3#机房送风则送至内区空间。在天棚内、外分区处设隔断，内、外区回风互不掺混，均由集中回风口经回风管分别返回各机房。其中部分回风经楼梯间由屋顶风机排出。

夏季，内、外区同时供冷。三台冷水机组同时开启，供给各空调机组7℃的冷水。新风经过滤后与回风混合，经冷却除湿后露点送风。1#、2#机房给外区供冷，3#机房为内区供冷。过渡季，内、外区空调机组都采用全新风运行。冬季，外区需要供热而内区需要供冷。由院内燃气锅炉为外区供热。

夏季3#机房送风量G为6.15kgs。冬季，室内设计温度tN=20℃，相对湿度为40%，则室状态点的焓值iN=35kJkg；空调室外计算温度tW=-12℃，室外计算相对湿度为45%，室外状态点的焓值iW=-11kJkg。如果冬季采用全新风给内区供冷，则室外冷空气可以提供的最大冷负荷Q供可以按（1）式计算：

所以，当温度高于12.5℃时，室外能够送入的冷空气就不能满足内区的冷负荷要求。而在北京，直到三月中旬室外温度才能达到十几度，也就是说几乎在整个冬季室外天然冷量都可以满足内区冷负荷。

冬季室外冷空气给内区供冷的空调过程如图4所示。室外温度在-12～12.5℃时，可以仅利用室外冷空气给内区供冷。依据室外温度的变化，调节电机频率改变送风量，则送风量在1.57～6.15kgs之间变化，从而保证内区房间维持在18～20℃的室内设计温度。在外区供暖季节，室外温度高于12.5℃时，可以减少外区的供热量，内区冷负荷随之减小，从而使室外冷空气的供冷量满足内区冷负荷的要求。

这种空调方式，在过渡季节和冬季充分利用室外新风降温，关闭冷水机组，直接利用室外冷量给房间供冷，可以节省电量，节省运行费用，为用户节约了大笔资金。另外，运行中增大新风量或采用全新风，这样，送入的新风远远大于卫生条件所要求达到的最小新风量，显著的提高了室内空气品质，改善了室内环境。但是，与风机盘管系统相比，变风量的空调方式投资较高，施工相对复杂，对运行调节要求较高。

结论

大多数办公建筑由于进深大，且内、外分区之间设有隔断而使得内、外区房间冷热不均。为了使内、外区房间的温度均匀分布，标准层进深超过3～5m时，就应该对建筑进行内、外分区。而在空调分区系统中，采用合理的空调方式给内、外区供冷供热是设计中节约能源的关键。尤其在冬季，充分利用天然冷源给内区供冷是节约能源，减少运行费用的很好途径。依前所述，总结归纳三种空调方式的优缺点，如表1所示。

（1）冬季，给内区供冷时，可以使内区的供水与室外冷空气在冷却塔中进行热质交换，从而引入天然冷源给内区供冷。这种方式仅运行冷却水泵和空调机组，就可以给内区供冷。是一种经济、节能的给内区供冷的空调方式。但是，当室外温度低于0℃时，冷却水无法进行循环，这种供冷方式也就无法实现了。

（2）当室外温度低于0℃时，可以用乙二醇溶液作为载冷剂，引入室外天然冷量给内区供冷。这种空调方式，需在室外装设一台板式换热器，运行时，只开启风机和空调机组，节约了电能。但是，换热过程中冷量损失较大，换热效率不高。

（3）在有内、外分区的全空气系统中，可以采用变风量调节。根据房间的负荷变化对送风量及新、回风比进行调整。在过渡季节和冬季，充分利用新风降温，可以很大程度的节省电量。另外，增大新风量又可以提高室内空气品质，改善室内环境。

参考文献

[1]薛志峰，江亿.变风量空调系统设计中的系统分区问题[J].暖通空调

[2]赵荣义，钱以明，范存养，等.简明空调设计手册[M].北京：中国建筑工业出版社，