空調系統設計對室內空氣品質的影響

空調系統設計對室內空氣品質的影響

　　摘要：近年來，隨著人民生活水平提高，室內空氣品質越來越受到人們的重視。很多國內外專家都開始研究如何創造健康建筑，避免病態建筑的產生。影響室內空氣品質的因素很多，本文主要從民用建筑空調系統設計方面，探討如何防止病態建筑產生，提高室內空氣品質，從而使人們享受舒適現代生活的同時，不會被病態建筑綜合癥侵擾。文章在新風量標準、新風處理和新風質量、空調系統運行工況及節能措施等方面展開了討論，指出空調系統設計對室內空氣品質的影響。筆者迫切希望廣大設計人員加強預防病態建筑的意識，及時參考國內外新技術研究資料，結合實際工程，優化系統設計，從而為提高室內空氣品質打下良好的基礎。

　　關鍵詞：空調系統室內空氣品質新風質量二次污染

　　引言

　　近年來，隨著人民生活水平提高，室內空氣品質IAQ(IndoorAirQuality)越來越受到人們的重視。因為人類與建筑的關系是非常密切的，人的一天中大約有80%的時間是在建筑物中度過的。人們的生活質量、工作效率及身體健康程度都與建筑內環境相關。隨著空調系統大量應用于建筑，極大地提高了室內舒適度，但也暴露出許多問題。很多國內外專家都開始研究如何創造健康建筑(HealthyBuilding)，避免病態建筑(SickBuilding)的產生。所謂健康建筑，就是空調系統運行良好，并且用較低能耗，保證優良的室內空氣品質和舒適環境。與之相反的建筑，被稱為“病態建筑”。而“病態建筑綜合癥”(SickBuildingSyndrome)，具體地講，這類建筑輕者能引起人們頭腦發昏、嗜睡、眼睛受到刺激、呼吸系統不適，嚴重的會導致疾病的傳染，造成各種各樣的健康問題。影響室內空氣品質的因素很多，從其性質來講,大至可分為三類。第一類是化學的,其成份多為揮發性的有機物，即VOC(VolatileOrganicCompounds)。這些污染主要來自裝修使用的各種建筑材料、裝飾材料等。第二類是物理方面的,主要來自室外及室內的電器設備,成份為噪聲、電磁輻射、光污染等;第三類是生物的,主要是細菌滋生等。國內外許多學者對不同建筑的室內空氣品質進行調查研究發現，大約53%的建筑（280個）中室內空氣品質問題是由于不合適的通風[1]。對空調系統設計來講，影響IAQ的原因主要有：新風量不足、新風質量、氣流組織、空調系統的二次污染、噪音等問題。

　　本文主要從民用建筑空調系統設計方面，探討如何防止病態建筑的產生，提高室內空氣品質，從而使人們享受舒適現代生活的同時，不會被病態建筑綜合癥侵擾。文章在以下幾個方面展開討論：

　　新風量標準

　　新風處理和新風質量

　　氣流組織

　　運行工況

　　節能措施

　　新風量標準

　　新風對于提高室內空氣品質有非常積極的作用，它可以稀釋和帶走在室內產生的污染物。目前國內尚無室內空氣品質評價標準。美國ASHRAE標準62-1999給出的可接受室內空氣品質(AcceptableIndoorAirQuality)定義為室內已知的污染物沒有達到權威機構所確定的有害濃度,處于該空氣中的絕大多數人員(≥80%)沒有感到不滿意[2]。它的定義包括了主、客觀評價兩個方面，比較適合我國國情。該標準還規定，由于人們對絕大多數氣味適應很快,所以最小通風量的確定是依據已適應者(室內人員)而不是未適應者(來訪者)。

　　按照現行規范，空調系統新風量的標準是取人員最小新風量和維持房間正壓所需新風量中的較大值，并不應小于總送風量的10%[3]。

　　關于人員新風標準，國內外標準不徑相同。美國ASHRAE標準62-1999給出了不同建筑物中人員新風量的標準，比以前版本提高了很多。例如辦公室人員新風標準為36m3/h.p，人員最大密度為14.3m2/人（7人/100m2）。北京市建筑設計院設備專業技術措施中，普通辦公室人員新風標準為25m3/h.p，按照國內辦公室人員密度大約為6～10m2/人（10～16人/100m2）。有文獻提出人員新風標準應為33～42m3/h.p。文獻[4]實測了7幢辦公樓的新風量發現，人員數量波動性比較大，所以人均新風量差別比較大。但是按面積平均卻相差不大，新風量實測值為2.2～3.92m3/h.m2。實際工程設計中，就目前我國辦公室人員密度來講，維持房間正壓所需新風量一般小于人員最小新風量，筆者認為新風標準應為25～30m3/h.p（2.5～5m3/h.m2）。

　　因為室內人員的數量難以估計準確，所以筆者認為制定新風量標準時，應該參考國外標準，根據建筑物功能，給出新風量標準，同時也要給出人員密度指標。

　　許多專家提出應該考慮建筑污染，通風量應為人員和消除室內污染兩部分之和。但室內污染程度難以估計，所以新風量標準如何修改，目前尚無定論。

　　新風量不是越大越好，有文獻認為新風量從25%到100%，對病態建筑綜合癥而言并沒有什么區別，所以提高新風量的同時，要注重新風的處理與品質。

　　新風處理與新風質量

　　室外空氣首先要經過濾除塵，然后再通過加熱或冷卻等手段，達到所需參數。新風過濾對維護室內空氣品質極為重要。一般空調系統應設置兩級過濾，第一級過濾采用效率30%的粗效過濾器，第二級過濾采用效率為65%～85%的中效過濾器。對于凈化空調機組，應采用三級過濾，除初中效過濾器外，還要增加亞高效過濾器。

　　需要指出的是，目前新風過濾主要考慮室外顆粒污染物的除去,而室內空氣品質涉及到的除室外固體污染物外,還有室外氣態污染物。因此,新風處理還必須考慮室外氣體污染物的過濾和吸附,從而使新風質量達到應有的標準。

　　空氣過濾器的清洗和更換是目前空調運行管理的難點，尤其是常用的玻璃纖維過濾器無法清洗，而無紡布過濾器只能清洗數次。與超聲波配合的靜電除塵器可以獲得很高的除塵效率并且不使粉塵積存在電極上，通過機械裝置可實現自動清灰。應該成為今后的發展和研究方向。空氣過濾器應設置自動清灰裝置，以減輕人工清洗的維護工作量和防止灰塵的二次飛揚污染。簡單的方法是安裝過濾器阻力聲光報警裝置，以便監督及時清洗。

　　室外空氣的質量只要不處于工業區，一般不會有太大問題。如果新風入口靠近裝卸碼頭或高速公路，應裝設一氧化碳檢測器，當室外空氣質量較差時，以減少進入建筑物的室外新風量。工程設計中新風吸入口要避免污染，百葉窗應加防水罩等措施，防止雨水或雪水滲入新風引入口污染過濾器。新風口應該與排風口保持一定距離，或在不同方向設置，不要被冷卻塔飄逸的水滴污染。新風開口面積應滿足全新風運行要求。

　　有文獻提出空氣齡的概念，指出入室新風空氣齡越小，途徑污染越少，新風品質越好，對人的作用越大。空調系統設計時，要加強新風過濾，提高入室新風的效率，縮短新風途徑，減少室內空氣停留時間，保證入室新風的品質。有人提出新風口和排風口采用“隨風轉向風帽”，通過風向標，能靈活地將風口始終迎向或背向風吹來的方向，從而有效地利用風壓的正壓或負壓，達到節能目的。

　　高品質的新風要直接送入室內，而不能只送到吊頂內。良好的室內空氣品質不僅與新風有關，很大程度上與空調系統氣流組織有關。

　　氣流組織

　　空調系統設計的氣流組織對IAQ影響很大，氣流組織設計合理,不僅可以將新鮮空氣按質按量地送到人員活動區,還可及時將污染物排出。如果設計不當，容易造成送、回風短路，房間內有空氣滯留區。

　　工程設計中受各種條件限制，房間氣流組織大多采用上送上回形式,送風散流器大都是平流型(射流的射出角度大于40°),送風形成貼附,很容易經回風口帶走而短路。因此,選用散流器時應用射出角度小于40°的直流型，這種散流器能較好地將風送至人員活動區，避免了短路，提高了人員活動區的空氣質量。布置送、回風口時，應盡量布置合理，避免產生房間死角。例如旅館標準客房的臥式安裝風機盤管，因為條件限制，只能位于門口上方位置，建議側送風口采用雙層或三層百葉送風口，以便通過調節水平、垂直葉片，改變送風傾角和射流擴散角，達到減少空氣滯留區的面積，以保證室內空氣品質。

　　如果有條件的話，盡量采用上送下回的形式，因為對工作區來講，這種送風形式比上送上回系統排除污染物的能力強。

　　作為設計人員，設計理念應該從空調為建筑服務，轉變到“以人為本”的觀點上來。在風口布置、風量選擇、風速確定等方面改善空氣分配，滿足工作區需求，及時消除污染物。

　　運行工況

　　目前，空調系統的二次污染問題日益突出，國內外研究重點已經轉移到研究建筑結構與通風空調系統的二次污染。所謂二次污染是由于空調系統自身問題如盤管、凝水盤、水封、加濕器、長期處于高濕度下的空氣過濾器所引起的局部積塵和高濕度（一次污染），或建筑結構與材料吸潮積塵導致細菌大量定植、繁殖，產生大量有害的代謝物，大大降低了空氣品質的可接受性，使人過敏，危害健康（二次污染）。

　　各項研究結果表明，當室內相對濕度高于70%,有利于微生物滋長。而降低微生物污染的最有效手段是控制塵埃和濕度。關于空氣過濾的問題，文章前面已經討論過。空調系統中盤管、凝水盤和加濕器是微生物的主要生長地。

　　對于新風加風機盤管系統，新風機組可采用低溫送風，承擔全部室內濕負荷，使風機盤管處于干工況運行，減少細菌滋生。增加的新風負荷可通過全熱或顯熱排風熱回收裝置，如轉輪式全熱交換器等，達到節能目的。

　　空調加濕介質應優先采用蒸汽源，但蒸汽中必須不含對人體有害的物質。如果采用循環水加濕時，水質應達到飲用水標準。循環水應經過處理，防止細菌滋生，如可采用紫外線消毒的方法。

　　工程中常用CO2濃度監測室內空氣，但是室內空氣中CO2濃度并不能真實反映室內空氣的污染程度。許多研究調查發現，室內VOC濃度很高，而且大多數場合室內單項的揮發性有機物往往不會超過上限值，總的揮發性有機物（TVOC）卻常常超標，從而引起對人的綜合的負面影響[5]。空調系統的室內回風中VOC濃度非常高，新型高性能吸附材料活性碳纖維具有優異的結構特點和優良的吸附性能，對各種無機物和有機化合物都能有效吸附，特別適用于低濃度物質的吸附。因此，設計時應考慮在回風管道中安裝具有吸附ＶＯＣ功能的活性碳過濾器，降低VOC濃度。

　　在空調系統實際運行中，應根據季節變化，調節新風量大小，夏、冬季保證最小新風量，過渡季盡量使用全新風。必須指出的是,在變風量系統VAV(VariableAirVolume)中，應該注意變風量控制過程中，采取措施保證新風量至少為設計值的90%以上。

　　對于雙風機組合式空調機組，設計時應該注意送、回風機風壓的匹配，使機組風壓零點達到預定點。否則，如果回風機風壓過高，新風、排風段成為正壓，新風就很難進來。如將送風機段和回風機段脫開布置，采用平行或垂直重疊布置，用新、回、排風管道及風閥在機外連接等形式，可以解決問題。

　　對空調設計工程師來講，還應注意噪音對室內IAQ的影響。空調系統的噪音大致有設備噪音、振動噪音、配件噪音等。設備噪音是由冷水機組、水泵、風機、空調機等設備運轉產生。選購產品時可選擇質量好、低噪音的名牌產品，基礎及支架處做減振處理。與設備連接的水管、風管應安裝相應的軟接頭，以免發生共振，產生噪音。在施工安裝過程中，風管應注意制作安裝質量，風管彎頭弧度應夠大并裝設導流片等。穿墻穿樓板的管道應安裝套管，套管與管道之間進行消聲處理，在建筑物伸縮縫處安裝長度大于縫寬的軟接頭和帆布軟接等。水管設計中應注意減少彎頭數量，減少急彎，管道變徑應緩和，系統高點應注意安裝排氣閥等。配件設計上應選擇消聲型的，如止回閥可采用緩閉消聲止回閥，送回風口采用固定百葉或消聲百葉等。

　　筆者迫切地希望廣大設計人員加強病態建筑意識，優化設計，從根本上杜絕病態建筑產生。建議我國應盡快制定有關通風空調系統清洗消毒的法規,以便有法可依,盡可能地降低通風空調系統本身對IAQ的污染。

　　節能措施

　　由于新風對室內IAQ的積極作用，所以今后的發展趨勢將增大系統的新風比，為了減輕或消除相應的額外負荷，可以采用全熱交換、低溫水、閉式單環路熱回收再熱系統等新風預處理技術，并與目前常規的通風空調設備和運行技術相結合組成A方案[5]。

　　目前出現了不少空調新技術，如置換通風、動態工位調節、椅下低速送風及波動送風等。文獻提出一種波動送風的工作區---背景區設備。經過計算實例，比傳統風機盤管和VAV節能20%。國家大劇院工程觀眾廳采用了變新風比的置換通風系統，經過模擬計算與常規系統比較發現，采用置換通風后，衛生狀況改善，變新風比節能效果可達到7%。

　　筆者以前研究的間接蒸發冷卻技術IEC(IndirectEvaporativeCooling)冷卻新風，節能效果也很明顯。在我國西北部地區應用效果十分顯著。我院承接的新疆體育館工程實際應用效果良好。對于我國東南部夏季室外空氣濕度大，可以先進行除濕，然后再用IEC冷卻。除濕劑的再生可用低品位能源（太陽能、廢熱等）。

　　綠化對于節能也有很大幫助。文獻[6]通過實測結果發現，在建筑物外面種植多年生攀緣類植物后，室內環境溫度較室外氣溫低3～9℃。可降低墻體外表面（極端情況）約23℃，室內表面溫度約0.8～1.7℃。西墻綠化時，在其他條件不變時，對于建筑外圍護單位面積通過或放出的熱流較普通外圍護少約397W/m2。綠化狀態下可減少空調負荷約12.7%，中午高溫時刻可達到20%。

　　結論

　　空調系統設計對IAQ的影響很大，許多建筑由于不合適的通風而室內空氣品質降低。新風標準應因地制宜，根據建筑物的不同功能，制定人員新風量標準，同時應給出人員密度。

　　新風不是越多越好，還應注重新風處理和新風質量。空調系統至少需要兩級過濾，應研制和開發新型高效和易清洗的過濾器。新風空氣齡越小對人體越有益。

　　房間氣流組織設計要合理，避免空氣短路和產生滯留區。空調系統的二次污染問題已經提到議事日程上來。控制室內相對濕度，可抑制微生物生長。對于新風加風機盤管系統，新風承擔全部濕負荷，使風機盤管干工況運行。設計雙風機系統時應合理選擇風壓，以免新風難以進入。設計和施工中要控制好系統的運行噪音。

　　未來發展趨勢會增加新風比，為了節約能源，可采用熱回收和一些空調新技術，如置換通風、IEC等手段能降低空調能耗。建筑物綠化對空調節能也有很大幫助。

　　參考文獻

　　Bearg,DavidW.IndoorairqualityandHVACsystems,LewisPub,1993:P12-20

　　ASHRAE.ASHRAEStandard62-1999,Wentilationforacceptableindoorairquality.Atlanta,1999

　　北京市建筑設計研究院《建筑設備專業設計技術措施》編寫組.建筑設備專業設計技術措施.中國建筑工業出版社1998年4月

　　潘毅群龍惟定范存養.辦公樓的室內空氣品質與新風.暖通空調.2002,32(6):P28-30

　　沈晉明.我國目前室內空氣品質改善的對策與措施.暖通空調.2002,32(2):P34-37

　　李娟.建筑物綠化隔熱與節能.暖通空調.2002,32(3):P22-26