独立新风系统在学校建筑中的应用

关键字：学校,独立新风系统,风机盘管

内容摘要：阐述了学校空调系统的特点以及存在的主要问题，说明了在学校建筑中采用独立新风系统的好处，通过一项工程实例分析表明，在教室采用独立新风系统时，室内无需安装空调设备，系统无回风，经济比较结果证实：无论是一次投资还是运行费用，独立新风系统均优于传统的风机盘管系统，而且人体更舒适，空气品质更好。

1 引言

随着我国经济的高速发展，人民生活水平的不断提高，国家对教育事业的投入逐年增加，学校的收费政策也相应进行了改革，因此学校的环境有了明显的改善，在大中城市，愈来愈多的学校，包括大学、中学、小学，甚至是幼儿园都采用了集中空调系统。

学校空调建筑，不同于一般办公建筑，由于人员密集，且是长时间停留，服务对象又是青、少年或儿童，因此对空调系统已经不仅仅是一个室内温度控制问题，室内空气质量和人体舒适感，都需要高度重视。另一方面，学校对空调系统的一次投资，尤其是运行费用特别关注，其经济性往往成为能否采用空调系统的关键。

最近几年，在国外，尤其是欧美等工业发达国家，对学校的空调系统也表示了极大的关注^[1-4]，空调新技术、新方法、新设备陆续应用到学校建筑中，在节能和降低一次投资，尤其是改善室内空气品质和人体舒适感方面取得了十分显著的效果，这些技术和经验值得借鉴。

2 学校空调系统的特点以及存在的问题

学校建筑，包括：教室、图书馆、会议室、办公室、实验室、多媒体教室等，在空调通风设计上具有以下特点：① 室内人员密集，人体热、湿负荷占据了夏季空调负荷的绝大部分，同时由于室内人体散湿量大，再加上照明负荷，相比之下，建筑负荷在室内空调负荷当中所占比例较小；② 室内人员密集，因此新风负荷在空调负荷当中所占比例很大；③室内人员密集，室内空气质量低下，长时间逗留容易影响人体健康；④ 即使在采用空调的情况下，由于室内人员密度高，室内相对湿度大（一般高于60%），因此室内人员容易产生闷热的感觉；⑤ 学校建筑的空调系统耗电量高，据统计，空调系统的耗电量占到建筑耗电量的７０％以上，因此空调节能任务重。

国内学校建筑的集中空调系统，一般是采用常规冷水机组为冷源，空调系统则主要是全空气系统或风机盘管系统，这些空调系统用于学校建筑时，其主要缺点是：① 空调噪声大，冷凝水盘容易滋生细菌和微生物，室内空气质量不佳；② 采用风机盘管机组时，由于空调设备除湿能力差，室内相对湿度较大，人体感觉不舒适；③采用风机盘管机组时，室内需要有吊顶；④ 采用全空气系统时，由于教室送风量大，为了降低空调系统噪声，风管采用低风速，送风和回风风管尺寸过大，布置困难；⑤ 采用全空气系统时，因为有回风，不利于抵御流行性疾病的侵袭。

3 独立新风系统的特点

独立新风系统（DOAS）是当今国际上最先进的空调系统之一^[5]，该系统的主要特点是:室外新风通过全热交换器和低温送风新风机组处理后，送入室内，室内全部潜热负荷和部分（或者全部）显热负荷被低温干燥的新风所消除，当室内显热负荷无法全部由新风消除时，则由室内显冷设备承担，空调末端装置干工况运行。独立新风的空调系统用于学校建筑时，具有以下突出的优点：① 由于采用低温送风，室内相对湿度较低，人体更加舒适，室内空气质量更高；② 人员密集的教室和会议室，由于新风量大，因此室内无需再安装显冷设备，新风可以消除全部的空调负荷；③ 当室内需要安装显冷设备时（如办公室，实验室等），空调末端设备干工况运行，避免了冷凝水产生的细菌和霉菌孳生的问题，室内空气品质得以改善，有利于人体健康；④ 室内无回风，对于学校这类人员高度集中的场所，大大改善了室内空气质量，在流行性疾病爆发期间，极大降低了传染源扩散的可能性；⑤ 送风量小，因此风管尺寸较小，末端设备运行噪声低，满足学校建筑对设备噪声要求高的需要；⑥ 系统一次投资和运行费用低于常规空调系统。

4 实例分析

本文通过一项工程实例，详细分析了在学校教室采用独立新风系统的可行性和优点。实例为广州某中学，由于篇幅有限，仅以教学楼一部分进行分析，如图1所示。其中合班教室尺寸为11.5m×9m（长×宽），普通教室尺寸9.6m×6m（长×宽）。

4.1 基本参数

图1 教室空调平面图

1） 广州室外设计参数：

夏季干球温度：33.5℃;夏季湿球温度：27.7℃;大气压力：100.5hPa；焓：88.5 kJ/kg;含湿量：0.0214kg/kg;露点温度：25.9℃

2） 室内设计参数：

① 采用低温送风独立新风系统时：

夏季干球温度：26℃,夏季相对湿度：50%；湿球温度：18.7℃，焓：53.1kJ/kg;含湿量：0.011kg/kg;露点温度：14.8℃。

② 采用常规风机盘管系统时：

夏季干球温度：26℃,夏季相对湿度：65 %；焓：61.41 kJ/kg; 含湿量： 0.0138kg/kg;露点温度：18.91℃。

3） 新风机组机器露点：

① 采用低温送风独立新风系统时：

干球温度6℃, 湿球温度：5.85℃,焓：20.4 kJ/kg;含湿量：0.0057 kg/kg; 露点温度：5.7℃。

② 采用常规风机盘管系统时：

干球温度14.64℃, 湿球温度：14.33℃,焓：40.16kJ/kg;含湿量：0.01kg/kg;露点温度：14.14℃。

4） 新风量：

每人：17m³/h，每间合班教室容纳90名学生，一名老师，每间普通教室容纳45名学生，一名老师。走廊65人，合计613人，新风量10421m³/h。

4.2 确定新风参数

由于采用独立新风系统的建筑，房间的温度和相对湿度明显低于室外，为了节能需要，独立新风系统一般均采用全热交换器。

全热交换器全热回收率为0.45～0.6，取0.5；显热回收率为0.5～0.7，取0.67。新风经过处理以后，温、湿度会明显降低。

新风机组新风出口焓值：

KJ/kg

新风出口干球温度：

℃

其它空气状态参数为

℃， kg/kg，℃

4.3 计算结果

表1：室内参数

表2：单位面积空调负荷

说明：建筑负荷是根据计算机程序计算所得平均数取值，墙体传热系数0.84,屋顶传热系数0.7,单层金属窗，窗墙比0.5，外墙高3.3m，折算成地板单位面积负荷，大教室的建筑负荷为16.88W/m²，小教室建筑负荷为20.55W/m²。按规范［6］规定，普通教室照度取150LUX，走廊取20LUX。按照度计算方法，在面积为50～120m²，且计算高度在3～4米之间的房间内，照度取150LUX时，荧光灯照度在10.2～14.6W/m²之间。照度为20LUX时，乳白玻璃罩灯照度为6.7W/m²。计算时，教室照明负荷取14W/m²。走廊位置取7W/m²。

表3：房间单位面积负荷

表4：空调负荷

表5：送风量

4.4 热平衡计算分析

（1）新风机组可承担的室内潜热负荷为：

（2）新风机组可承担的室内显热负荷为：

室内潜热负荷来自人体散湿，

由表5可得，室内空调负荷

室内显热负荷

显然，在本例中，新风标准取17m³/人时，能够完全消除房间潜热和显热。如果室内显热无法由新风消除，则应该在室内安装显冷设备来消除多余的显热，显冷设备可以是辐射吊顶，也可以是干工况运行的风机盘管机组。

4.5 风机盘管系统

下面对常规空调系统——风机盘管空调系统，进行计算。新风量和以上相同，均为10421m³/h。按照国内设计院通常采用的设计方法，新风机组不承担房间冷量，根据表3的房间负荷计算结果，合班教室的空调负荷为Q₁＝140.88×103.5/1000＝14.6kW/间，根据国家标准，风量大于和等于1000m³/h的风机盘管机组的焓降不得小于15.91kJ/kg，因此合班教室风机盘管需要的风量，选择型号FP600的风机盘管3台；普通教室空调负荷为134.55×57.6/1000＝7.75kW/间，应选择型号为FP500的风机盘管2台。如果新风机组承担房间部分冷量，新风机组性能如下：风量：12000m³/h；进风干球温度：33.5℃，进风湿球温度：27.7℃，冷量：196.9kW，进水温度：7℃，进出水温差：5℃

新风负荷为：

新风机组能够承担的室内负荷为

由风机盘管承担的冷量为

按照房间冷负荷比例分配，合班教室的风机盘管冷量为5.4kW/间，选择型号为FP400的风机盘管2台，普通教室的风机盘管冷量为3kW/间，选择型号为FP400的风机盘管1台。

4.6 经济比较

以下对独立新风系统和常规空调系统进行经济分析，进一步说明独立新风系统在学校建筑应用上的经济性。

由表6和表7可以看出，独立新风系统的一次投资和运行费用均低于常规系统。必须指出的是，由于独立新风系统采用了全热交换器，因此一次投资和运行费用有所增加，但是空调系统总冷量明显下降，节能效果明显。本文仅对空调系统部分进行了经济比较。

低温送风独立新风系统一般采用冰蓄冷，以获得更低的送风温度，更大的温差，更干燥的室内环境，冰蓄冷部分导致的一次投资增加，完全可以从采用独立新风系统和冷水大温差所减少的一次投资中获得弥补，两种系统的一次投资基本持平。在有峰谷电价差的地区，采用低温送风空调系统的冰蓄冷系统的运行费用则远远低于常规空调系统。

5 结论

在学校采用独立新风系统，由于无回风，因此室内空气品质明显优于风机盘管系统，对预防流行疾病具有独到之处；而且室内无运动部件，噪声又低，十分有利于教学；室内相对湿度明显低于常规空调系统，师生感觉更舒适。因此美国能源部、美国采暖制冷空调学会，均把低温送风独立新风系统列为学校空调系统的首选方案^[1-4]。本文通过工程实例证明，无论是一次投资还是运行费用，独立新风系统均优于常规的风机盘管系统。

独立新风系统的冷源不一定非要采用冰蓄冷技术，普通的冷水机组也可作为冷源，不过冷水机组的出水温度应控制不高于5℃，以便获得较低的送风温度，低供水温度造成冷水机组冷量减少完全可以通过采用独立新风系统所获得的经济效益而得到弥补。在设计合理的情况下，空调系统总投资仍然优于常规空调系统。

参考文献

[1] Bayer C., Crow S. ,Fischer J., 2000, “Causes of Indoor Air Quality Problems in Schools”, U.S Department of Energy Report, Oak Ridge National Laboratory ORNL/M -6633/R1

[2] Bayer C., Hendry R., Fischer J., Crow S., Hagen S., 2002.“Active Humidity Control and Continuous Ventilation for Improved Air Quality in Schools”, ASHRAE IAQ 2002 Proceedings, Atlanta, GA. pp:

[3] Wayne Morris. The ABCs of DOAS: Dedicated Outdoor Air Systems. ASHRAE Journal, vol. 45 no. 5, p. 24-29

[4] James Brodrick. Energy Consumption Characteristics of Commercial Building HVAC Systems Volume III: Energy Savings Potential.DOE, July, 2002

[5] 殷平，S Mumma. 独立新风系统研究——综述.暖通空调，2003，33（6）

[6] GBJ 99—86. 中小学校建筑设计规范

除湿机