2020, Vol. 37
夏季湿热地区的实验室，特别是进行生物、化学实验的这类实验室，空调能耗为一般公共建筑的5~10倍[1]。其原因主要是这类实验室常配备许多通风柜等大排风量的排风设备，同时为了维持室内的微负压，实验室内的新风补风量约为排风量的80%~90%。而湿热地区的夏季大量室外新风若不经过处理直接送进室内，易造成室内制冷达不到舒适性要求[2]，若全部新风处理会导致空调系统新风负荷过大。目前国内外的研究设计[3-13]多倾向于采用“直流式全新风+变风量”的空调系统方案，即不采用回风，将室外新风经过热湿处理后送至实验室内以满足室内舒适和排风设备排风量的补风要求，同时通过调节排风与空调送风的联动风量来减少风量和能耗。这在一定程度上能降低全新风空调的能耗，但并未从根源上解决问题。本文从室内舒适度、安全性和节能等多方面考虑，提出一种“分功能新风−补风”的空调送风系统，在满足室内安全舒适的前提下，从新风处入手，较大程度地降低能耗。
1 “分功能新风−补风”系统模型构建 1.1 物理模型构建当前湿热地区实验室常用的空调系统形式为“多联机+新风”的空调系统，即采用多联机空调系统维持实验室内的热舒适性，同时增设一套新风系统向室内补充新风。常规“多联机+新风”空调系统如图1所示，其中多联机空调系统主要负责室内的温湿度调节，排风系统负责实验室内排风设备的排风，而新风系统则负责将室内所需的新风量从远离实验污染区的地方经由室内区域通向排风区域。这种系统的特点是多联机空调系统能耗低[14]运行灵活、管路简单、控制方便和室内空气质量有保证。缺点则是由于排风量很大，为维持室内微负压所需的新风处理量也十分大。
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图 1 “多联机+新风”空调系统 Figure 1 The “multi-split air conditioner + fresh air” air-conditioning system |
新风系统一方面要提供足够的新风到室内供室内人员呼吸和补充排风设备的排风量，维持室内的负压在一定范围内；另一方面是要将大量未经处理的新风处理到室内空气状态点后，经风管输送到室内，使新风负荷比常规空调房间的空调负荷大得多。另外，多联机空调一般采用多联机空调的专用冷媒直接对新风机组的送风进行热湿处理，由于新风补风量大，处理新风时所需的巨大冷量也带来了多联机空调处理机组选型不合理和成本过大等问题。
基于“多联机+新风”空调系统的众多问题，本文对其进行改造设计，提出了“多联机+分功能的新风−补风”空调系统，如图2所示。
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图 2 “多联机+分功能新风−补风”空调系统 Figure 2 The “multi-split air conditioner + divided function fresh air-supplementary air” air-conditioning system |
从图2中可以看出，“分功能的新风−补风”系统在多联机空调系统和排风系统不改变的基础上，将单一功能的新风系统分成人员卫生新风系统和设备排风补风系统。(1) 人员卫生新风系统将根据人员卫生要求所确定的新风量通过新风机组处理后送入实验室内用于满足实验室内的空气品质。(2) 排风设备补风系统中，补风管道设电动风阀，与通风柜排风管上电动风阀联动，当通风柜作业时，补风管道将室外未经过热湿处理(但经过过滤处理)的室外风直接送至通风柜柜门上方，自上往下进行补风，通风柜排风时抽吸来自补风系统的室外补风，在柜内循环后通过排风管道排出室外。如此可达到减少新风负荷和维持室内微负压的效果，其实现的室内气流效果大致如图3所示。
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图 3 “多联机＋分功能新风−补风”空调系统气流分布 Figure 3 Air flow distribution of “multi-online + divided function fresh air-supplementary air” air-conditioning system |
与普通的“多联机+新风”空调系统相比，该“多联机+分功能新风−补风”空调系统的主要优点在于把原本新风中大比例的仅为补足设备排风的那部分新风分离出来而不进行热湿处理，降低了新风负荷，从而达到了节能的效果。同时补风直接送到通风柜柜门前，不与室内空气环境进行热湿交换而直接被排风设备排出室外，保证了室内的环境舒适性和安全性。
1.2 能耗对比分析模型构建为了更好地分析上述“多联机+分功能新风−补风”空调系统的节能效果，下面分别从“多联机+新风”空调系统与“多联机+分功能新风−补风”空调系统的冷负荷入手，构建能耗对比分析模型。
2个系统中，多联机空调系统部分负担全部室内冷负荷，这一部分负荷由房间本身属性和室内的设备、人员情况等确定，对于2个空调系统这部分参数均一致。室内冷负荷Ql可根据设计规范[15]中的冷负荷系数法求得，此处不再赘述。
对于“多联机+新风”空调系统，其新风系统部分将全部室外新风处理到室内空气状态点，其新风负荷公式为
| ${Q_{\rm{x}}}{\rm{ = }}{G_{\rm{x}}}{\rm{(}}{h_{\rm{w}}}{\rm{ - }}{h_{\rm{n}}}{\rm{)}}$ | (1) |
其中，Qx为该系统下的新风负荷，kW；hw为室外新风比焓值，kJ/kg；hn为室内空气比焓值，kJ/kg；Gx为该系统下所需新风量，m3/h。
根据设计手册[16]，室内新风应同时满足3个要求：(1) 保持室内空气满足人员健康卫生要求的标准；(2) 不小于空调总送风量的10%；(3) 维持室内的微负压，并在三者中取新风量要求最大的那一个作为设计的新风量。由于实验室房间内有大量的排风设备，为了维持室内微负压所需的新风量远大于其他两者，因此新风量按这个标准，可选取排风量的80%~90%，即新风量为
| ${G_{\rm{x}}}{\rm{ = 0}}{\rm{.8}}G \sim 0{\rm{.9}}G$ | (2) |
其中，G为实验室排风系统的排风量，其计算公式为
| $G{\rm{ = \Sigma }}{n_i}{G_i}$ | (3) |
其中，Gi为各个排风设备的额定排风量，m3/h；ni为设备同时使用系数。
从而可得，在不考虑附加负荷的情况下，该“多联机+新风”空调系统总负荷为
| $Q{\rm{ = }}{Q_{\rm{l}}}{\rm{ + }}{Q_{\rm{x}}}$ | (4) |
对于“多联机+分功能的新风−补风”空调系统，系统的新风负荷为
| $Q_{\rm{x}}'{\rm{ = }}{G_{{\rm{xr}}}}{\rm{(}}{h_{\rm{w}}}{\rm{ - }}{h_{\rm{n}}}{\rm{)}}$ | (5) |
其中，Q′x为该系统下的新风负荷，kW；hw为室外新风比焓值，kJ/kg；hn为室内空气比焓值，kJ/kg；Gxr为人员卫生新风量，m3/h。
根据设计手册[16]可知人员卫生新风量为
| ${G_{{\rm{xr}}}}{\rm{ = }}{G_{{\rm{xr,p}}}}{\rm{ \times }}n$ | (6) |
其中，Gxr,p为每人每小时所需新风量，m3/(h·人)，其数值由房间性质决定；n为室内人员数，人。
由上述描述可知，总新风量Gx在“多联机+分功能新风−补风”空调系统中，按照服务对象的不同，将其分为2部分，即
| ${G_{\rm{x}}}{\rm{ = }}{G_{{\rm{xb}}}}{\rm{ + }}{G_{{\rm{xr}}}}$ | (7) |
其中，Gx为实验室所需总新风量，m3/h；Gxb为排风设备补风量，m3/h；Gxr为人员卫生新风量，m3/h. 从而可得，在不考虑附加负荷的情况下，该系统空调总负荷为
| ${Q'} = {Q_{\rm{l}}}{\rm{ + }}Q_{\rm{x}}'$ | (8) |
根据空调相关知识可知，在其他条件相同的前提下，空调负荷越大能耗越高，因此可通过负荷的比较得出不同空调系统的节能效果。综上所述，与常规“多联机+新风”空调系统相比，“多联机+分功能立新风−补风”空调系统的新风节能率为
| ${\eta _{\rm{x}}}{\rm{ = }}\frac{{{Q_{\rm{x}}}{\rm{ - }}Q_{\rm{x}}'}}{{{Q_{\rm{x}}}}}{\rm{ \times 100\%}}$ | (9) |
空调总负荷节能率为
| $\eta {\rm{ = }}\frac{{Q - {Q'}}}{Q}{\rm{ \times 100\% }}{\rm{}}$ | (10) |
为研究分功能空调系统的节能效果，本文将以广州某高校实验室为例，对比分析“多联机+新风”空调系统与“多联机+分功能的新风−补风”空调系统的能耗差异。
实验室位于一栋实验楼的5层，共5间，总面积约980 m2，配备通风柜77台，可容纳学生人数80~100人。各实验室内的大致设备布局(以501室为例)，如图4所示。
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图 4 501室平面示意图 Figure 4 The plan sketch of room 501 |
根据设计规范[15]选取夏季广州地区(大气压力为1 004 hPa)室外计算参数、空调室内计算参数，并通过焓湿表查得室内外焓值等数据，如表1所示。
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表 1 室内外计算参数表 Table 1 Parameter list of indoor and outdoor calculation |
由产品手册可得通风柜在正常工作时的额定风量为1 000 m3/h，选取同时使用系数为0.6，可由式(3)求得实验室总排风量G=0.6×(1 000×77)=46 200 m3/h。
对实验室分别采用“多联机+新风”空调系统(系统A)和“多联机+分功能的新风−补风”空调系统(系统B)，由式(1)、(4)、(5)、(8)计算得到的实验室空调系统各项负荷如表2所示。其中(1) “多联机+新风”空调系统的处理新风量根据式(2)，选取排风量的90%作为新风量，得到系统A的处理新风量Gx=0.9 G=41 580 m3/h。(2) “多联机+分功能的新风−补风”空调系统中的人员卫生新风量根据式(6)，选取人数n=95 人，人均每小时所需新风量Gxr,p=30 m3/(h·人)，计算得系统B的处理新风量Gxr=30×95=2 850 m3/h，从而排风补风新风量Gxb=Gx–Gxr= 41 580–2 850=38 730 m3/h。
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表 2 实验室空调各项负荷参数表 Table 2 Parameter list of air-conditioning system load |
综上所述，由式(9)、(10)可得新风节能率为
本文针对湿热地区实验室能耗大的问题提出“分功能新风−补风”系统，并在“多联机+新风”空调系统的基础上建立“多联机+分功能的新风−补风”空调系统模型. 结合案例分析表明，“分功能新风−补风”系统能使一般的实验室空调能耗得到很好的改善，相比于常规“多联机+新风”空调系统的新风负荷和空调总负荷节能率分别达到了93.1%和65.8%，节能效果明显。因此可以认为该新系统对于实验室，尤其是湿热地区实验室的空调节能设计以及改造具有一定的参考价值。
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