空調系統設計對室內空氣品質(zhì)的影響

空調系統設計對室內空氣品質(zhì)的影響

　　摘要：近年來(lái)，隨著(zhù)人民生活水平提高，室內空氣品質(zhì)越來(lái)越受到人們的重視。很多國內外專(zhuān)家都開(kāi)始研究如何創(chuàng )造健康建筑，避免病態(tài)建筑的產(chǎn)生。影響室內空氣品質(zhì)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(tài)建筑產(chǎn)生，提高室內空氣品質(zhì)，從而使人們享受舒適現代生活的同時(shí)，不會(huì )被病態(tài)建筑綜合癥侵擾。文章在新風(fēng)量標準、新風(fēng)處理和新風(fēng)質(zhì)量、空調系統運行工況及節能措施等方面展開(kāi)了討論，指出空調系統設計對室內空氣品質(zhì)的影響。筆者迫切希望廣大設計人員加強預防病態(tài)建筑的意識，及時(shí)參考國內外新技術(shù)研究資料，結合實(shí)際工程，優(yōu)化系統設計，從而為提高室內空氣品質(zhì)打下良好的基礎。

　　關(guān)鍵詞：空調系統室內空氣品質(zhì)新風(fēng)質(zhì)量二次污染

　　引言

　　近年來(lái)，隨著(zhù)人民生活水平提高，室內空氣品質(zhì)IAQ(IndoorAirQuality)越來(lái)越受到人們的重視。因為人類(lèi)與建筑的關(guān)系是非常密切的，人的一天中大約有80%的時(shí)間是在建筑物中度過(guò)的。人們的生活質(zhì)量、工作效率及身體健康程度都與建筑內環(huán)境相關(guān)。隨著(zhù)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(wèn)題。很多國內外專(zhuān)家都開(kāi)始研究如何創(chuàng )造健康建筑(HealthyBuilding)，避免病態(tài)建筑(SickBuilding)的產(chǎn)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(yōu)良的室內空氣品質(zhì)和舒適環(huán)境。與之相反的建筑，被稱(chēng)為“病態(tài)建筑”。而“病態(tài)建筑綜合癥”(SickBuildingSyndrome)，具體地講，這類(lèi)建筑輕者能引起人們頭腦發(fā)昏、嗜睡、眼睛受到刺激、呼吸系統不適，嚴重的會(huì )導致疾病的傳染，造成各種各樣的健康問(wèn)題。影響室內空氣品質(zhì)的因素很多，從其性質(zhì)來(lái)講,大至可分為三類(lèi)。第一類(lèi)是化學(xué)的,其成份多為揮發(fā)性的有機物，即VOC(VolatileOrganicCompounds)。這些污染主要來(lái)自裝修使用的各種建筑材料、裝飾材料等。第二類(lèi)是物理方面的,主要來(lái)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(lèi)是生物的,主要是細菌滋生等。國內外許多學(xué)者對不同建筑的室內空氣品質(zhì)進(jìn)行調查研究發(fā)現，大約53%的建筑（280個(gè)）中室內空氣品質(zhì)問(wèn)題是由于不合適的通風(fēng)[1]。對空調系統設計來(lái)講，影響IAQ的原因主要有：新風(fēng)量不足、新風(fēng)質(zhì)量、氣流組織、空調系統的二次污染、噪音等問(wèn)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(tài)建筑的產(chǎn)生，提高室內空氣品質(zhì)，從而使人們享受舒適現代生活的同時(shí)，不會(huì )被病態(tài)建筑綜合癥侵擾。文章在以下幾個(gè)方面展開(kāi)討論：

　　新風(fēng)量標準

　　新風(fēng)處理和新風(fēng)質(zhì)量

　　氣流組織

　　運行工況

　　節能措施

　　新風(fēng)量標準

　　新風(fēng)對于提高室內空氣品質(zhì)有非常積極的作用，它可以稀釋和帶走在室內產(chǎn)生的污染物。目前國內尚無(wú)室內空氣品質(zhì)評價(jià)標準。美國ASHRAE標準62-1999給出的可接受室內空氣品質(zhì)(AcceptableIndoorAirQuality)定義為室內已知的污染物沒(méi)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(méi)有感到不滿(mǎn)意[2]。它的定義包括了主、客觀(guān)評價(jià)兩個(gè)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(fēng)量的確定是依據已適應者(室內人員)而不是未適應者(來(lái)訪(fǎng)者)。

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

　　關(guān)于人員新風(fēng)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(fēng)量的標準，比以前版本提高了很多。例如辦公室人員新風(fēng)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(zhuān)業(yè)技術(shù)措施中，普通辦公室人員新風(fēng)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(fēng)標準應為33～42m3/h.p。文獻[4]實(shí)測了7幢辦公樓的新風(fēng)量發(fā)現，人員數量波動(dòng)性比較大，所以人均新風(fēng)量差別比較大。但是按面積平均卻相差不大，新風(fēng)量實(shí)測值為2.2～3.92m3/h.m2。實(shí)際工程設計中，就目前我國辦公室人員密度來(lái)講，維持房間正壓所需新風(fēng)量一般小于人員最小新風(fēng)量，筆者認為新風(fēng)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(fēng)量標準時(shí)，應該參考國外標準，根據建筑物功能，給出新風(fēng)量標準，同時(shí)也要給出人員密度指標。

　　許多專(zhuān)家提出應該考慮建筑污染，通風(fēng)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(fēng)量標準如何修改，目前尚無(wú)定論。

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

　　新風(fēng)處理與新風(fēng)質(zhì)量

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

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

　　空氣過(guò)濾器的清洗和更換是目前空調運行管理的難點(diǎn)，尤其是常用的玻璃纖維過(guò)濾器無(wú)法清洗，而無(wú)紡布過(guò)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(guò)機械裝置可實(shí)現自動(dòng)清灰。應該成為今后的發(fā)展和研究方向?？諝膺^(guò)濾器應設置自動(dòng)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(jiǎn)單的方法是安裝過(guò)濾器阻力聲光報警裝置，以便監督及時(shí)清洗。

　　室外空氣的質(zhì)量只要不處于工業(yè)區，一般不會(huì )有太大問(wèn)題。如果新風(fēng)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(zhì)量較差時(shí)，以減少進(jìn)入建筑物的室外新風(fēng)量。工程設計中新風(fēng)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(fēng)引入口污染過(guò)濾器。新風(fēng)口應該與排風(fēng)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(fēng)開(kāi)口面積應滿(mǎn)足全新風(fēng)運行要求。

　　有文獻提出空氣齡的概念，指出入室新風(fēng)空氣齡越小，途徑污染越少，新風(fēng)品質(zhì)越好，對人的作用越大?？照{系統設計時(shí)，要加強新風(fēng)過(guò)濾，提高入室新風(fēng)的效率，縮短新風(fēng)途徑，減少室內空氣停留時(shí)間，保證入室新風(fēng)的品質(zhì)。有人提出新風(fēng)口和排風(fēng)口采用“隨風(fēng)轉向風(fēng)帽”，通過(guò)風(fēng)向標，能靈活地將風(fēng)口始終迎向或背向風(fēng)吹來(lái)的方向，從而有效地利用風(fēng)壓的正壓或負壓，達到節能目的。

　　高品質(zhì)的新風(fēng)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(zhì)不僅與新風(fēng)有關(guān)，很大程度上與空調系統氣流組織有關(guān)。

　　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(zhì)按量地送到人員活動(dòng)區,還可及時(shí)將污染物排出。如果設計不當，容易造成送、回風(fēng)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(fēng)散流器大都是平流型(射流的射出角度大于40°),送風(fēng)形成貼附,很容易經(jīng)回風(fēng)口帶走而短路。因此,選用散流器時(shí)應用射出角度小于40°的直流型，這種散流器能較好地將風(fēng)送至人員活動(dòng)區，避免了短路，提高了人員活動(dòng)區的空氣質(zhì)量。布置送、回風(fēng)口時(shí)，應盡量布置合理，避免產(chǎn)生房間死角。例如旅館標準客房的臥式安裝風(fēng)機盤(pán)管，因為條件限制，只能位于門(mén)口上方位置，建議側送風(fēng)口采用雙層或三層百葉送風(fēng)口，以便通過(guò)調節水平、垂直葉片，改變送風(fēng)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(zhì)。

　　如果有條件的話(huà)，盡量采用上送下回的形式，因為對工作區來(lái)講，這種送風(fēng)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(wù)，轉變到“以人為本”的觀(guān)點(diǎn)上來(lái)。在風(fēng)口布置、風(fēng)量選擇、風(fēng)速確定等方面改善空氣分配，滿(mǎn)足工作區需求，及時(shí)消除污染物。

　　運行工況

　　目前，空調系統的二次污染問(wèn)題日益突出，國內外研究重點(diǎn)已經(jīng)轉移到研究建筑結構與通風(fēng)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(wèn)題如盤(pán)管、凝水盤(pán)、水封、加濕器、長(cháng)期處于高濕度下的空氣過(guò)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(chǎn)生大量有害的代謝物，大大降低了空氣品質(zhì)的可接受性，使人過(guò)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(cháng)。而降低微生物污染的最有效手段是控制塵埃和濕度。關(guān)于空氣過(guò)濾的問(wèn)題，文章前面已經(jīng)討論過(guò)?？照{系統中盤(pán)管、凝水盤(pán)和加濕器是微生物的主要生長(cháng)地。

　　對于新風(fēng)加風(fēng)機盤(pán)管系統，新風(fēng)機組可采用低溫送風(fēng)，承擔全部室內濕負荷，使風(fēng)機盤(pán)管處于干工況運行，減少細菌滋生。增加的新風(fēng)負荷可通過(guò)全熱或顯熱排風(fēng)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(zhì)應優(yōu)先采用蒸汽源，但蒸汽中必須不含對人體有害的物質(zhì)。如果采用循環(huán)水加濕時(shí)，水質(zhì)應達到飲用水標準。循環(huán)水應經(jīng)過(guò)處理，防止細菌滋生，如可采用紫外線(xiàn)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(shí)反映室內空氣的污染程度。許多研究調查發(fā)現，室內VOC濃度很高，而且大多數場(chǎng)合室內單項的揮發(fā)性有機物往往不會(huì )超過(guò)上限值，總的揮發(fā)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]?？照{系統的室內回風(fēng)中VOC濃度非常高，新型高性能吸附材料活性碳纖維具有優(yōu)異的結構特點(diǎn)和優(yōu)良的吸附性能，對各種無(wú)機物和有機化合物都能有效吸附，特別適用于低濃度物質(zhì)的吸附。因此，設計時(shí)應考慮在回風(fēng)管道中安裝具有吸附ＶＯＣ功能的活性碳過(guò)濾器，降低VOC濃度。

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

　　對于雙風(fēng)機組合式空調機組，設計時(shí)應該注意送、回風(fēng)機風(fēng)壓的匹配，使機組風(fēng)壓零點(diǎn)達到預定點(diǎn)。否則，如果回風(fēng)機風(fēng)壓過(guò)高，新風(fēng)、排風(fēng)段成為正壓，新風(fēng)就很難進(jìn)來(lái)。如將送風(fēng)機段和回風(fēng)機段脫開(kāi)布置，采用平行或垂直重疊布置，用新、回、排風(fēng)管道及風(fēng)閥在機外連接等形式，可以解決問(wèn)題。

　　對空調設計工程師來(lái)講，還應注意噪音對室內IAQ的影響?？照{系統的噪音大致有設備噪音、振動(dòng)噪音、配件噪音等。設備噪音是由冷水機組、水泵、風(fēng)機、空調機等設備運轉產(chǎn)生。選購產(chǎn)品時(shí)可選擇質(zhì)量好、低噪音的名牌產(chǎn)品，基礎及支架處做減振處理。與設備連接的水管、風(fēng)管應安裝相應的軟接頭，以免發(fā)生共振，產(chǎn)生噪音。在施工安裝過(guò)程中，風(fēng)管應注意制作安裝質(zhì)量，風(fēng)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(jìn)行消聲處理，在建筑物伸縮縫處安裝長(cháng)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(diǎn)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(fēng)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(tài)建筑意識，優(yōu)化設計，從根本上杜絕病態(tài)建筑產(chǎn)生。建議我國應盡快制定有關(guān)通風(fēng)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(fēng)空調系統本身對IAQ的污染。

　　節能措施

　　由于新風(fēng)對室內IAQ的積極作用，所以今后的發(fā)展趨勢將增大系統的新風(fēng)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(huán)路熱回收再熱系統等新風(fēng)預處理技術(shù)，并與目前常規的通風(fēng)空調設備和運行技術(shù)相結合組成A方案[5]。

　　目前出現了不少空調新技術(shù)，如置換通風(fēng)、動(dòng)態(tài)工位調節、椅下低速送風(fēng)及波動(dòng)送風(fēng)等。文獻提出一種波動(dòng)送風(fēng)的工作區---背景區設備。經(jīng)過(guò)計算實(shí)例，比傳統風(fēng)機盤(pán)管和VAV節能20%。國家大劇院工程觀(guān)眾廳采用了變新風(fēng)比的置換通風(fēng)系統，經(jīng)過(guò)模擬計算與常規系統比較發(fā)現，采用置換通風(fēng)后，衛生狀況改善，變新風(fēng)比節能效果可達到7%。

　　筆者以前研究的間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)IEC(IndirectEvaporativeCooling)冷卻新風(fēng)，節能效果也很明顯。在我國西北部地區應用效果十分顯著(zhù)。我院承接的新疆體育館工程實(shí)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(jìn)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(yáng)能、廢熱等）。

　　綠化對于節能也有很大幫助。文獻[6]通過(guò)實(shí)測結果發(fā)現，在建筑物外面種植多年生攀緣類(lèi)植物后，室內環(huán)境溫度較室外氣溫低3～9℃?？山档蛪w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(shí)，在其他條件不變時(shí)，對于建筑外圍護單位面積通過(guò)或放出的熱流較普通外圍護少約397W/m2。綠化狀態(tài)下可減少空調負荷約12.7%，中午高溫時(shí)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(fēng)而室內空氣品質(zhì)降低。新風(fēng)標準應因地制宜，根據建筑物的不同功能，制定人員新風(fēng)量標準，同時(shí)應給出人員密度。

　　新風(fēng)不是越多越好，還應注重新風(fēng)處理和新風(fēng)質(zhì)量?？照{系統至少需要兩級過(guò)濾，應研制和開(kāi)發(fā)新型高效和易清洗的過(guò)濾器。新風(fēng)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(chǎn)生滯留區?？照{系統的二次污染問(wèn)題已經(jīng)提到議事日程上來(lái)?？刂剖覂认鄬穸?，可抑制微生物生長(cháng)。對于新風(fēng)加風(fēng)機盤(pán)管系統，新風(fēng)承擔全部濕負荷，使風(fēng)機盤(pán)管干工況運行。設計雙風(fēng)機系統時(shí)應合理選擇風(fēng)壓，以免新風(fēng)難以進(jìn)入。設計和施工中要控制好系統的運行噪音。

　　未來(lái)發(fā)展趨勢會(huì )增加新風(fēng)比，為了節約能源，可采用熱回收和一些空調新技術(shù)，如置換通風(fēng)、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。

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