高档商业建筑室内空气品质改善措施的适用性研究

摘要 为改善室内空气品质，国家标准GBJ19-87修改稿增大了新风量。针对高档商业建筑中常见的一次回风再热式系统，提出了几种新风预处理系统方案，进行改造以满足新标准的要求。本文确定了几种新风预处理系统能否适用改造工程的判据，以具体实例研究了每种新风预处理系统在全国的适用范围。 关键词 室内空气品质 新风预处理 判据 适用性

1 前言 　　 　　为改善室内空气品质，美国国家标准研究院（ANSI）标准委员会和ASHRAE颁布了《ASHRE标准62-1989》，提出了一系列改进措施。其中对空调系统设计影响最大的两点是：1.将设计新风量增大到原来的2倍～4倍；2. 建筑物相对湿度保持在30%～60%[1]。随后的《ASHRE标准62-1989R》进一步提出了同时考虑人员和建筑物污染的最小新风量计算方法[2]。我国有关部门也正在对国家标准GBJ19-87"采暖、通风空气调节设计规范"进行修改（简称国标修改稿），其中明确包括增大最小新风量一项，其结果将增大空调系统的设计冷负荷和湿负荷。为使原有空调系统满足国标的新要求，大量建筑必须进行改造，笔者曾针对如何以经济有效的方式对原有建筑中的传统空调设备进行最少的改建，从而改善室内空气品质，满足新标准的要求问题，提出了热回收式、蒸发冷却和除湿式新风预处理系统[5]。商业建筑的特点是室内人员较多，热湿比较少，机器露点低，为满足室内温湿度要求（尤其是湿度），国外及国内高档商业建筑多采用一次回风再热式空调系统。本文主要介绍为满足增大最小新风量的要求，对高档商业建筑中的一次回风再热式空调系统。本文主要介绍为满足增大最小新风量的要求，对高档商业建筑中的一次回风再热式空调系统。本文主要介绍为满足增大最小新风量的要求，对高档商业建筑中的一次回风再热式空调系统，采用新风预处理系统对其进行改建的技术措施在全国主要城市的不同室外气象条件下的适用情况。 　　 2 新风预处理系统的适用性判据 　　 　　由于国标修改稿没有明确对相对湿度作出修改，所以室内设计相对湿度、设计温度仍取原标准值，新风量增大为原来的两倍，来确定各种新风预处理系统适用性的判据。 　　2．1 热回收式新风预处理系统的适用性判据 　　对于夏季工况，若设定室内空调设计状态N，通过N点的等温线和等焓线可以把工程所在地的室外气象包络线范围分隔为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ四个气象区，如图1。第Ⅰ区室外空气温度和焓值都低于室内设计值，显然不适合用热回收；第Ⅱ区室外空气温度高于室内设计值，焓值低于室内设计值，显然只适合用显热回收；第Ⅲ区室外空气温度和焓值都高于室内设计值，适合用全热回收；第Ⅳ室外空气温度低于室内设计值，焓值高于室内设计值，适合用热回收。 　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　图1 热回收工新风预处理系统的气象范围 　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　图2 附设热回收新风预处理的一次回风再热式系统

　　一次回风再热式空调系统在焓湿图上的处理过程如图2所示。实线表示的为原系统的空气处理过程，W、N、C、L、O分别为室外空气状态点，室内空气状态点，在原新风量的新、回风混合点，机器露点和送风状态点；如附设热回收式新风预处理系统，则虚线表示为按国标修改稿规定的新风量设计的一次回风再热式系统空气处理过程，W1，C1分别为室外空气经热回收后的状态点，在国标修改稿规定的新风量下的新、回风混合点。为使原空调系统仍能满足要求，即新系统所需的冷量小于等于原系统能提供的冷量，则应使新风热回收后与回风的混合点C1的焓值小于等于原系统C的焓值，即：i_c1≤i_c。
　　由上述条件可得热加收式新风预处理系统的适用性判据为：
　　显热回收式：
　　全热回收式：
　　2．2 蒸发冷却新风预处理系统适用性判据
　　对于夏季工况，若设定室内空调设计状态N，通过N点的等含湿量线等湿球温度线可以把工程所在地的室外气象包络线范围分隔为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ四个气象区，如图3。第Ⅰ区室温外空气湿球温度和含湿量都低于室内设计值，这表明直接蒸发冷却和间接蒸发冷却都可以使用，甚至可以不用机械制冷，而直接处理到送风状态点；第Ⅱ区室温外空气湿球温度高于室内设计值，含湿量低于室内设计值，显然只适合用间接蒸发冷却；第Ⅲ区室温外空气湿球温度和含湿量都高于室内设计值，适合用间接蒸发冷却对新风进行预处理；第Ⅳ区室温外空气湿球温度低于室内设计值，含湿量高于室内设计值，不适合用蒸发冷却技术。对于区Ⅰ、Ⅱ可用直接蒸发或间接蒸发直接供冷的技术国内外已有大量研究，这里仅讨论在Ⅲ区应用间接蒸发冷却对新风进行预处理的技术适用性。
　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　图3 蒸发冷却式新风预处理系统的气象范围
　　　　　　　　
　　　　　　　　　图4 附设间接蒸发冷却新风预处理的一次回风再热式系统
　　
　　附设蒸发冷却式新风预处理的空调系统工程焓湿图上的表示如图4。与热回收式新风预处理系统相同，为保证原空调系统仍能满足要求的条件为：i_c1≤i_c
　　则在Ⅲ区间接蒸发冷却式新风预处理系统的适用性判据为：
　　2．3 除湿式新风预处理系统的适用性判据
　　对于夏季工况，若设定室内空调设计状态N，通过N点的等含湿量线可以把工程所在地的室外气象包络线范围分隔为Ⅰ、Ⅱ两个气象区，如图5。第Ⅰ区室外空气含湿量低于室内设计值，这表明该区域不仅不需要除湿反而要加湿；第Ⅱ区空气含湿量高于室内设计值，显然可以采用除湿技术。
　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　图5 除湿式新风预处理系统的气象范围
　　
　　　　　　　　　　
　　　　　图6 附设新风与回风混合预冷除湿热回收（蒸发冷却）式预处理的一次回风再热式系统
　　
　　为使除湿机在高效率下运行，通常先将新风预冷，再除湿；为充分利用排风冷量，常将除湿以后的高温干空气通过热回收或蒸发冷却设备，进行降温；根据除湿量的大小，可采用仅对新风除湿和对新风与部分中全部回风的混合风除湿的方式。这里新风与回风混合预冷除湿热回收（蒸发冷却）式为例，介绍其适用性判据的确定方法。室外空气状态点W与N按国标修改稿规定的新风量混合至C4，预冷至C3，然后全部除湿至C2（或部分除湿）再与未除湿的混合风混合至C1，通过热加收或蒸发冷却至C11，最后由原空调系统冷却至送风状态点O。为使原空调系统仍能满足要求，即新系统所需的冷量不于等于原系统能提供的冷量，则应使混合风的预冷量与由C11冷却至O点所需冷量之和小于等于原系统的冷量，即：
　　全部除湿：
　　部分除湿：
　　
　　则除湿式新风预处理系统的适用性判据为：
　　全部除湿：
　　部分除湿：
　　
　　其他几种附设除湿式新风预处理的空调系统在焓湿图上的表示及适用性分析的判据见表1。由于除湿热回收式与除湿蒸发冷却式的示意图相似，判据相同，故放在一起讨论，但由于热回收与蒸发冷却设备的效率不同，所以得到的C11点参数实际是不同的。
　　
　　除湿式新风预处理系统的适用性判据 表1

附设新风预冷除湿热回收（蒸发冷却）式新风预处理系统
附设新风与回风混合除湿热回收（蒸发冷却）式预处理系统		全部除湿： 部分除湿：
附设新风与回风混合预冷除湿热回收（蒸发冷却）式预处理系统		全部除湿： 部分除湿：

3 新风预处理系统适用范围
　　
　　根据上述分析及具体判断条件，应用C语言进行编程计算，将全国主要城市的空调室外设计气象参数，原有空调建筑物的室内设计温湿度，新风比，热湿比，采用的热回收装置的热回收效率，国标修改稿规定的新风比，室内设计温湿度作为输入文件，通过空气状态参数计算公式，编写计算程序OAPS（Outdoor Air Preconditioning System），可以用于判断全国主要城市不同条件下原一次回风再热式空调系统中，各种机关预处理系统的适用范围。
　　下面以对上海市某一次回风再热式空调系统（按旧标准设计）的改造为例，说明新风预处理系统的应用。室内设计条件为：原系统（旧标准）：t_N=26℃，φ_N=65% ，新风比：15%；新系统（GBJ19-87国标修改稿）：t_N=26℃，φ_N=65%，新风比：30%；室外设计条件为：t_W=34℃，t_WS=28.2℃；送风量为2000m³/h；室内热湿比ε=6100，要求的送风状态：原系统：t_O=34℃，d_O=12.3g/kg ；新系统与原系统一样，转轮式全热交换器的效率为：η_Z=70%；间接蒸发冷却器的热交换效率为：E₁=70%，以排风为二次风。对不更换原有空调系统的冷源、末端装置，仅附设上述新风预处理系统进行改建的方法在全国范围的技术适用性作一分析计算。
　　计算结果见表2。其中"·"表示适用；"-"表示不适用。表中只列出适用城市的新风预处理系统形式。
　　
　　新风预处理系统的技术适用范围 表2

城市名称	热回收式	蒸发冷却式	除湿式
			新风预冷除湿热回收	混合预冷除湿热回收 （蒸发冷却）	混合预冷除湿热回收	新风预冷除湿热蒸发冷却	混合预冷除湿蒸发冷却
北京	·	-	·	·	-	·	·
天津	·	-	·	·	-	·	·
石家庄	·	·	·	·	-	·	·
太原	·	·	·	·	-	·	·
呼和浩特	·	-	-	-	-	-	-
沈阳	·	·	·	·	-	·	·
长春	·	·	·	·	-	·	·
哈尔滨	·	·	·	·	·	·	·
上海	·	·	-	·	-	·	-
南京	·	·	-	·	-	·	-
杭州	·	·	-	·	-	·	-
合肥	·	·	-	·	-	·	-
福州	·	-	-	·	-	·	-
南昌	·	-	-	·	-	·	-
济南	·	-	·	·	-	·	·
郑州	·	-	·	·	-	·	-
武汉	·	·	-	·	-	·	-
长沙	·	-	-	·	-	·	-
广州	·	-	-	·	-	·	-
南宁	·	·	·	·	-	·	-
成都	·	·	·	·	-	·	-
重庆	·	-	·	·	-	·	-
贵阳	·	·	·	·	-	·	-
昆明	-	·	-	-	-	-	-
拉萨	-	·	-	-	-	-	-
西安	·	·	·	·	-	·	·
兰州	·	·	-	-	-	-	-
西宁	-	·	-	-	-	-	-
银川	·	·	-	-	-	-	-
乌鲁木齐	·	·	-	-	-	-	-
台北	·	·	·	·	-	·	·
香港	·	·	·	·	-	·	-

4 结论
　　
　　（1）针对GBJ 19-87国标修改稿的要求，对原有高档商业建筑中常用的一次回风再热式空调系统的改建问题，确定了各种新风预处理系统的技术适用性判据。
　　（2）几种新风预处理系统的适用范围基本可以覆盖全国各直辖市和省会城市，即任何一个城市中的原一次回风再热式空调系统都至少可以采用一种新风预处理系统进行改造。
　　（3）热回收式、蒸发冷却式和除湿式中的新负预冷除湿蒸发冷却式、混合除湿热回收式（蒸发冷却）新风预处理系统的适宜和范围最广；新风预冷除湿热回收式和混合预冷除湿蒸发冷却式新风预处理系统的适用范围较小；混合预冷除湿热回收式新风预处理系统只适用于一个城市。
　　（4）如GBJ 19-87 国标修改稿正式颁布，全国各地将有大量建筑的空调系统要改建，新风预处理系统是一种很的解决方法，本文提出的适用性判据将有助于业主和设计方的选择与决策。
　　

参考文献

　　
　　1 ANSI/ASHRAE Standard 62～1989. Ventilation for acceptable indoor air quality. Atlanta， GA: ASHRAE Inc.
　　2 ASHRAE Public Review Draft 62～1989R. Ventilation for acceptable indoor air quality.
　　3 ANSI/ASHRAE Standard 62～1989. Ventilation for acceptable indoor air quality. Atlanta， GA: ASHRAE Inc.
　　4 沈晋明，《ASHRAE标准62～1989》的修正对通风空调行业的影响，暖通空调，1998，28（5）：28～33。
　　5 李芃，沈晋明，新风预处理概念及系统形式，空调暖通技术，2001，（1）：11～17。