趙永勝,劉 勇,張 拓

(淮北職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑工程系,安徽 淮北 235000)

0 引言

暖通空調(diào)系統(tǒng)因其可以有效改善室內(nèi)空氣質(zhì)量、空氣流速及室內(nèi)溫濕度等,能夠提供舒適的人居環(huán)境而受廣大業(yè)主的青睞。隨著當(dāng)下民用建筑行業(yè)發(fā)展,暖通空調(diào)系統(tǒng)也在持續(xù)發(fā)展,其工作原理和分類(lèi)也在不斷變化,如何選擇適合民用建筑的空調(diào)系統(tǒng),創(chuàng)造更加舒適的居住環(huán)境,成為廣大業(yè)主最關(guān)注的問(wèn)題。因此,有必要對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的工作原理、分類(lèi)加以闡述,并針對(duì)不同空調(diào)系統(tǒng)提出定性定量的對(duì)比方法。

1 空調(diào)系統(tǒng)概述

1.1 空調(diào)系統(tǒng)的基本組成及工作原理

空調(diào)是對(duì)建筑物(構(gòu)筑物)內(nèi)部環(huán)境空氣的溫濕度、流速及潔凈度等進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)的設(shè)備。其原理是通過(guò)改變制冷劑狀態(tài)產(chǎn)生放熱、吸熱過(guò)程,從而實(shí)現(xiàn)室內(nèi)外的熱量交換?？照{(diào)系統(tǒng)主要部件包括冷源/熱源設(shè)備、冷熱介質(zhì)輸配系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)、冷/熱交換器等,其中:冷源/熱源設(shè)備和冷/熱交換器為其核心設(shè)備。冷源/熱源設(shè)備主要包括冷水機(jī)組、室外機(jī)、鍋爐和電加熱器等,稱(chēng)為空調(diào)主機(jī);冷/熱交換器是指冷凝器和蒸發(fā)器,其作用是與室內(nèi)空氣進(jìn)行熱量交換(統(tǒng)稱(chēng)為末端設(shè)備),常見(jiàn)類(lèi)型主要有散熱器、暖風(fēng)機(jī)、風(fēng)機(jī)盤(pán)管、輻射板和暖氣片等。

1.2 建筑物采用的冷/熱媒和主機(jī)采用的供能能源

一般民用建筑采用水系統(tǒng)或氟利昂冷媒系統(tǒng),采用氟利昂冷媒系統(tǒng)的主要有多聯(lián)機(jī)、直膨式空調(diào)機(jī)組、單元式空調(diào)或分體空調(diào);其余一般采用水系統(tǒng),如:電制冷機(jī)組、各種熱泵(風(fēng)冷、水源、土壤源等)、溴化鋰機(jī)組、蒸發(fā)冷卻式機(jī)組等。值得注意的是,這里所講的冷/熱媒不同于主機(jī)的冷/熱媒。主機(jī)采用的冷/熱媒,即主機(jī)的供能能源,常見(jiàn)形式有工業(yè)余熱廢熱、市政熱源、燃?xì)狻㈦娏?、太?yáng)能、地?zé)崮?、地下水或地表水、海水等?/p>

1.3 房間采用的氣流組織形式

民用建筑常用的氣流組織形式[1]有:

(1)側(cè)送風(fēng)。側(cè)送風(fēng)是空調(diào)房間最常用的一種氣流組織方式,一般是貼附射流型,工作區(qū)通常是回流區(qū)。主要適用風(fēng)口包括:百葉風(fēng)口側(cè)送風(fēng)、條縫側(cè)送風(fēng)、風(fēng)機(jī)盤(pán)管加新風(fēng)風(fēng)口等。一般能滿足舒適性空調(diào)的室溫允許波動(dòng)范圍要求,住宅、酒店客房、公寓等均選用這種方式。

(2)頂送風(fēng)(貼附送風(fēng))。所有風(fēng)口均可作為頂送風(fēng)風(fēng)口,包括:百葉風(fēng)口、散流器、條縫風(fēng)口、噴口、旋流風(fēng)口等。但采用頂送頂回的安裝方式時(shí),污濁空氣會(huì)比新鮮空氣重,頂送風(fēng)時(shí)新鮮空氣在上面,而頂回時(shí)會(huì)排出頂部吸入的新鮮空氣。雖然可以采用室內(nèi)對(duì)角安裝送風(fēng)和回風(fēng)風(fēng)口,產(chǎn)生相對(duì)的氣流原理,但新鮮空氣首先是占滿頂部的,因此,排風(fēng)首先排出的是頂部的空氣。只有當(dāng)送風(fēng)功率高于回風(fēng)功率,送進(jìn)來(lái)的風(fēng)量多于排出去的風(fēng)量,使新鮮空氣下降到污濁空氣內(nèi),“稀釋”污濁空氣,才能達(dá)到室內(nèi)空氣凈化效果。

(3)下送風(fēng)。主要是指地板送風(fēng),送風(fēng)口一般與地面平齊設(shè)置,架空地面形成的空間可以直接作為送風(fēng)靜壓層或者用作送風(fēng)管的布置,送風(fēng)通過(guò)地板送,風(fēng)口進(jìn)入室內(nèi),與室內(nèi)空氣發(fā)生熱質(zhì)交換后從房間上部的出風(fēng)口排出,工作區(qū)通常是單向流區(qū),主要用于數(shù)據(jù)中心、機(jī)房等。就冷熱源設(shè)備和空氣處理設(shè)備而言,地板送風(fēng)系統(tǒng)類(lèi)似于傳統(tǒng)的上送風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)。目前,市場(chǎng)上很多品牌的空調(diào)做不到地送風(fēng),原因在于地面管道是扁平的,管道較小,導(dǎo)致阻力非常大,功率不足,新風(fēng)量小。

(4)均勻送風(fēng)。一般指孔板送風(fēng),是一種將新鮮空氣先送入靜壓箱再通過(guò)滲透,與室內(nèi)熱源及圍護(hù)結(jié)構(gòu)換熱等方式進(jìn)行空氣調(diào)節(jié)的送風(fēng)方式,可以頂送下回、下送上回、下送側(cè)回,工作區(qū)通常是單向流區(qū)。相比于其他送風(fēng)系統(tǒng),如置換送風(fēng)或側(cè)送側(cè)回送風(fēng)形式,應(yīng)用于人員密集的室內(nèi)時(shí)會(huì)出現(xiàn)人員吹風(fēng)感,但孔板送風(fēng)即使在極端送風(fēng)參數(shù)下,室內(nèi)人員也不會(huì)出現(xiàn)熱不舒適。[2]一般用于潔凈室、手術(shù)室等有潔凈要求的房間。

(5)置換通風(fēng)。以極低的風(fēng)速(0.25 m/s)將冷空氣由房間底部送入室內(nèi),形成一個(gè)空氣湖。當(dāng)遇到熱源時(shí),被加熱的冷空氣上升成為室內(nèi)空氣流動(dòng)的主導(dǎo)氣流,從而將熱量和污染物等帶至房間頂部并進(jìn)行排除,于是,低速、按溫度和污染物濃度分層分布的流場(chǎng)在室內(nèi)形成。目前,在普通建筑中應(yīng)用較少,主要用于劇場(chǎng)、體育場(chǎng)等高大空間的座椅送風(fēng)或地板送風(fēng)系統(tǒng)。

2 空調(diào)系統(tǒng)的分類(lèi)

2.1 按房間采用的末端形式

雖然空調(diào)系統(tǒng)種類(lèi)較多,但從根本原理來(lái)說(shuō),都是通過(guò)輻射或?qū)α鞯姆绞接媚┒嗽O(shè)備來(lái)調(diào)節(jié)室內(nèi)空氣的溫度、濕度,從而實(shí)現(xiàn)冷/熱調(diào)節(jié)。[3]空調(diào)的類(lèi)型取決于末端設(shè)備的形式和位置,空氣的處理方式取決于空調(diào)系統(tǒng)所負(fù)擔(dān)的獨(dú)立工作區(qū)的數(shù)量,故可以根據(jù)上述兩種因素進(jìn)行分類(lèi)。

(1)集中式系統(tǒng)。在一個(gè)專(zhuān)用的機(jī)房里集中設(shè)置空氣處理設(shè)備和風(fēng)機(jī)對(duì)空氣進(jìn)行集中處理,然后,由送風(fēng)系統(tǒng)將處理好的空氣送至各個(gè)空調(diào)房間。末端設(shè)備一般使用組合式空調(diào)機(jī)組或大風(fēng)量的空調(diào)機(jī),根據(jù)空調(diào)機(jī)是否變頻、送風(fēng)末端是否為變更量末端,分為定風(fēng)量和變風(fēng)量?jī)煞N全空氣系統(tǒng)。集中式系統(tǒng)末端設(shè)備位于室外,經(jīng)常用于大面積、大空間的場(chǎng)所,如:機(jī)場(chǎng)或地鐵站廳、會(huì)展中心、體育館、影劇院和大型商超等。這種系統(tǒng)會(huì)占用一定的空間但控制和管理都比較方便。特別注意的是,末端系統(tǒng)可以采用水系統(tǒng)的組合式空調(diào)機(jī),也可以采用冷媒系統(tǒng)的直膨式空調(diào)機(jī)組,并不是只有水系統(tǒng)能做全空氣系統(tǒng)。

(2)半集中式系統(tǒng)。通常是指采用水系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)盤(pán)管系統(tǒng)、采用冷媒系統(tǒng)的多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)、采用誘導(dǎo)型末端的置換通風(fēng)型空調(diào)系統(tǒng)、輻射供冷暖系統(tǒng)等,最常見(jiàn)的是空氣-水式、全水式風(fēng)機(jī)盤(pán)管系統(tǒng),前者的空氣處理方式為直流式和混合式,后者的空氣處理方式為封閉式。半集中式系統(tǒng)常用于酒店、寫(xiě)字樓、醫(yī)院病房等場(chǎng)所,主要特點(diǎn)是在各空調(diào)房間內(nèi)設(shè)有空氣處理設(shè)備,主要處理室內(nèi)冷熱負(fù)荷,新風(fēng)一般是集中處理后送至各房間。這種系統(tǒng)雖然占用機(jī)房少,但是,因設(shè)備在房間內(nèi),不便于后期維修和管理,且可能伴有噪聲。

(3)全分散式系統(tǒng)。是一種就地處理空氣的局部空調(diào)方式,其將空調(diào)機(jī)組(包括空氣處理設(shè)備、風(fēng)機(jī)、自動(dòng)控制系統(tǒng)及冷、熱源等)全部組裝在一起,直接放在房間內(nèi)。一般為制冷劑式空調(diào)系統(tǒng),空氣處理方式多為封閉式,末端設(shè)備(包括窗式、分體式和柜式空調(diào)等)位于室內(nèi),適用于家庭、辦公室等小型場(chǎng)所。這種系統(tǒng)不需要機(jī)房和風(fēng)道,不利于后期維修管理,且能量效率較低。

2.2 蒸發(fā)冷卻式空調(diào)系統(tǒng)

蒸發(fā)冷卻式空調(diào)系統(tǒng),是一種特殊的空調(diào)形式,應(yīng)用于夏季室外溫度高、濕度低的地區(qū)。[4]該系統(tǒng)沒(méi)有壓縮機(jī),通過(guò)水蒸發(fā)吸熱原理給室外空氣降溫(從室外干球溫度降至濕球溫度)后送至室內(nèi)。就我國(guó)民用建筑而言,該空調(diào)系統(tǒng)一般適用于西部地區(qū),但西部地區(qū)一般是缺水地區(qū),這在較大程度上限制了該類(lèi)型空調(diào)的應(yīng)用。目前,筆者遇到的案例是東部地區(qū)某工業(yè)項(xiàng)目,廠房?jī)?nèi)發(fā)熱量大、溫度高,通過(guò)蒸發(fā)冷卻式空調(diào)的室外空氣直接送至工作崗位,效果較好。

2.3 其他空調(diào)系統(tǒng)

(1)多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng),是一種單一的制冷/熱循環(huán)系統(tǒng),多臺(tái)相同或不同型號(hào)、容量的直接蒸發(fā)式室內(nèi)機(jī)通常由一臺(tái)室外機(jī)進(jìn)行連接。多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)使用制冷劑作為冷媒,空氣處理方式多為封閉式和混合式,末端設(shè)備多數(shù)位于室內(nèi),適用于小型廠房、辦公樓、家庭等場(chǎng)所。

(2)輻射式空調(diào)系統(tǒng),形成熱(冷)輻射面與室內(nèi)空氣和人體進(jìn)行熱(冷)交換,依靠輻射供暖(冷)末端設(shè)備(輻射板)和圍護(hù)結(jié)構(gòu)?？刹捎盟?、電、冷媒3種制熱(冷)方式,末端設(shè)備設(shè)在室內(nèi),多用于家庭、高級(jí)賓館、辦公場(chǎng)所等。

此外,有一些分類(lèi)可看作是大類(lèi)中的一小類(lèi),如:溫濕度獨(dú)立控制系統(tǒng),該系統(tǒng)使用室內(nèi)空調(diào)器控制室內(nèi)溫度,采用新風(fēng)控制室內(nèi)濕度。由于使用新風(fēng)控制濕度,其控制范圍很窄,因此,其應(yīng)用的建筑類(lèi)型范圍較窄。溫濕度獨(dú)立控制系統(tǒng),實(shí)際上是一種特殊的風(fēng)機(jī)盤(pán)管+新風(fēng)的半集中式空調(diào)系統(tǒng)。

3 空調(diào)系統(tǒng)對(duì)比評(píng)分表設(shè)計(jì)與使用

3.1 空調(diào)系統(tǒng)對(duì)比評(píng)分表的設(shè)計(jì)

根據(jù)上述空調(diào)系統(tǒng)的分類(lèi),結(jié)合實(shí)際情況,對(duì)空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行定性對(duì)比。如:風(fēng)冷熱泵系統(tǒng)和多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)的比較,主要是分析冷媒系統(tǒng)和水系統(tǒng)的優(yōu)劣,而風(fēng)冷熱泵和電制冷機(jī)+市政供熱的比較,則主要是分析能源利用的優(yōu)劣。但是,若要對(duì)各種空調(diào)系統(tǒng)的選用進(jìn)行方案對(duì)比,上述定性對(duì)比方法還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足業(yè)主的需求。因此,還需要定量的比較,這就需要建立一個(gè)對(duì)比的標(biāo)準(zhǔn)框架,此對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)框架中應(yīng)包含需要對(duì)比的諸多方面及各個(gè)方面所占的權(quán)重。但是,要明確以下兩個(gè)問(wèn)題:

一是可供使用的空調(diào)形式。這主要受自然資源和建筑層高等客觀條件限制,[5]如水資源不豐富的地區(qū),水源熱泵的應(yīng)用會(huì)受限;層高低的場(chǎng)所,需要布置大量風(fēng)管的全空氣空調(diào)的應(yīng)用會(huì)受限;相對(duì)分散的別墅區(qū),應(yīng)用集中式空調(diào)需要論證其合理性。

二是業(yè)主的偏好和對(duì)舒適度的要求等。如:對(duì)舒適性要求高不高?對(duì)造價(jià)敏感程度如何?交付使用后的維護(hù)管理能力怎么樣?比如:對(duì)噪聲控制要求高的禮堂、劇場(chǎng),一般不宜把空調(diào)機(jī)直接安裝在禮堂或劇場(chǎng)內(nèi),采用大型冷水機(jī)組一般要求有樓宇自控系統(tǒng)和專(zhuān)人管理等。

鑒于此,筆者根據(jù)多年的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),基于業(yè)主和設(shè)計(jì)人員角度設(shè)計(jì)了關(guān)于空調(diào)系統(tǒng)選用的簡(jiǎn)要對(duì)比評(píng)分表,見(jiàn)表1。表1的設(shè)計(jì)原則兼顧了經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和技術(shù)指標(biāo),其中:經(jīng)濟(jì)性方面從8個(gè)因素考察了投資情況,[6]技術(shù)性方面從16個(gè)因素全面地對(duì)比了各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)的優(yōu)劣。

表1 空調(diào)系統(tǒng)對(duì)比評(píng)分表及3種空調(diào)的對(duì)比結(jié)果

3.2 空調(diào)系統(tǒng)對(duì)比評(píng)分表的使用

評(píng)分表中影響兩個(gè)經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)的各因素,可按照全國(guó)統(tǒng)一的安裝工程預(yù)算定額(通風(fēng)空調(diào)工程分冊(cè))計(jì)算。影響舒適度的“溫度梯度”主要分析室內(nèi)溫度梯度(包括西曬等)、一天中的溫度梯度、一年中溫度波動(dòng)等;“噪聲污染”主要分析對(duì)噪聲有特殊要求的房間(如:客房、劇場(chǎng)等),外機(jī)或冷卻塔對(duì)周?chē)挠绊?“吹風(fēng)感”主要分析對(duì)風(fēng)速敏感的房間(如:羽毛球館、游泳館等);“空間靈活性”主要分析建筑使用過(guò)程中空間分隔變化對(duì)空調(diào)效果的影響或空調(diào)變更的工程量;“備用性”主要考慮設(shè)備出現(xiàn)故障后的影響范圍,或當(dāng)部分設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí),其他設(shè)備運(yùn)行情況等。

影響建筑友好度的“土建配合”考慮的是所需機(jī)房及管井面積,是否需架空地板、吊頂、內(nèi)墻夾層,是否需布置基礎(chǔ)等;“影響層高”主要分析空調(diào)或風(fēng)管需占用的層高及其對(duì)房間使用或土建造價(jià)可能造成的影響;“影響美觀”主要分析風(fēng)口是否需暗藏、是否允許局部吊頂、是否需外立面百葉等。

影響環(huán)境友好度的“大氣污染”主要分析是否有大氣污染(如:燃?xì)獾?;“噪聲污染”主要分析對(duì)周邊的噪聲污染(如:室外機(jī)、冷卻塔等);“電磁熱污染”主要分析對(duì)周邊基站、其他設(shè)備等的影響。

影響安裝維護(hù)的“安裝難度”主要分析對(duì)施工資質(zhì)的需求、施工質(zhì)量對(duì)設(shè)備運(yùn)行影響的程度、設(shè)備運(yùn)輸和施工是否需大型機(jī)械;“施工工期”主要指施工周期、調(diào)試周期難和易;“維護(hù)要求”考慮建筑是否需樓宇自控、是否需專(zhuān)人看守等;“使用年限”可根據(jù)設(shè)備理論壽命、故障率等歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行估計(jì);“維修難度”可根據(jù)整機(jī)、部件是否易于更換進(jìn)行衡量。

評(píng)分表各影響因素均有一個(gè)權(quán)重值,該權(quán)重值可根據(jù)業(yè)主的偏好做出適當(dāng)調(diào)整。若業(yè)主對(duì)價(jià)格敏感,可將經(jīng)濟(jì)性權(quán)重從50%調(diào)至80%;運(yùn)行費(fèi)也是社會(huì)上普遍關(guān)注的,[7]若業(yè)主認(rèn)為初始投資比運(yùn)行費(fèi)重要,可將初始投資的權(quán)重從30%調(diào)至36%,而將運(yùn)行費(fèi)的比重調(diào)至12%;若業(yè)主不在意后期維修維護(hù)的情況,可將經(jīng)濟(jì)性中的“維修維護(hù)費(fèi)”和技術(shù)性中的“維護(hù)要求”“維修難度”等項(xiàng)目權(quán)重調(diào)整為0%,而相應(yīng)地把建設(shè)方在意的項(xiàng)目的權(quán)重調(diào)高。隨著助力“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的推進(jìn),政府對(duì)節(jié)能行為(包括建造節(jié)能型建筑、生產(chǎn)節(jié)能型建材產(chǎn)品,以及使用節(jié)能型空調(diào)、暖通設(shè)備等)給予一定政策性補(bǔ)貼或優(yōu)惠措施的現(xiàn)實(shí)情況,[8]也應(yīng)該根據(jù)地區(qū)實(shí)際情況進(jìn)行考慮,納入經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)中去。

以多聯(lián)機(jī)、風(fēng)冷熱泵水系統(tǒng)、離心機(jī)+市政供熱3種系統(tǒng)為例進(jìn)行了對(duì)比分析,最終對(duì)各項(xiàng)評(píng)分匯總,得到表1的匯總結(jié)果。但是,在進(jìn)行實(shí)際評(píng)分時(shí)要注意以下幾個(gè)方面:

(1)應(yīng)使用“清單計(jì)價(jià)法”按圖紙計(jì)算出“設(shè)備購(gòu)置費(fèi)”“安裝費(fèi)”,當(dāng)無(wú)圖紙時(shí),可按設(shè)備容量、建筑面積等估算;“土建配套費(fèi)”是根據(jù)機(jī)房和井道的面積估算,對(duì)設(shè)備基礎(chǔ)引起的土建造價(jià),一般可以忽略;“能源開(kāi)口費(fèi)”應(yīng)按當(dāng)?shù)氐恼?按照估算的容量核算,注意稅費(fèi)值應(yīng)是負(fù)值。

(2)對(duì)各種費(fèi)用計(jì)算完成后,需根據(jù)適當(dāng)?shù)囊?guī)則對(duì)初始投資、運(yùn)行費(fèi)等進(jìn)行評(píng)分,然后使用表1進(jìn)行計(jì)算、對(duì)比分析。

(3)技術(shù)性的項(xiàng)目也可根據(jù)需要進(jìn)行相應(yīng)增減,并應(yīng)給出明確的評(píng)分規(guī)則和評(píng)分依據(jù)。評(píng)分時(shí)應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際情況據(jù)實(shí)評(píng)分。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述,通過(guò)對(duì)空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行分類(lèi)梳理,介紹了其原理、特點(diǎn)及適用范圍,并基于經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)性相統(tǒng)一的原則設(shè)計(jì)出空調(diào)系統(tǒng)對(duì)比評(píng)分表,以常用的幾種空調(diào)系統(tǒng)形式為例進(jìn)行定量對(duì)比。相關(guān)人員可結(jié)合實(shí)際情況選擇需要對(duì)比的空調(diào)系統(tǒng)形式和適當(dāng)?shù)臉?biāo)準(zhǔn),參考對(duì)比評(píng)分表直接進(jìn)行打分,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)不同類(lèi)型的空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行定性和定量的比較,以便更合理地選用空調(diào)系統(tǒng)。