空调系统设计对室内空气品质的影响

空调系统设计对室内空气品质的影响

摘要： 近年来，随着人民生活水平提高，室内空气品质越来越受到人们的重视。很多国内外专家都开始研究如何创造健康建筑，避免病态建筑的产生。影响室内空气品质的因素很多，本文主要从民用建筑空调系统设计方面，探讨如何防止病态建筑产生，提高室内空气品质，从而使人们享受舒适现代生活的同时，不会被病态建筑综合症侵扰。文章在新风量标准、新风处理和新风质量、空调系统运行工况及节能措施等方面展开了讨论，指出空调系统设计对室内空气品质的影响。笔者迫切希望广大设计人员加强预防病态建筑的意识，及时参考国内外新技术研究资料，结合实际工程，优化系统设计，从而为提高室内空气品质打下良好的基础。

关键词： 空调系统 室内空气品质 新风质量 二次污染

引言
　　近年来，随着人民生活水平提高，室内空气品质IAQ(Indoor Air Quality)越来越受到人们的重视。因为人类与建筑的关系是非常密切的，人的一天中大约有80%的时间是在建筑物中度过的。人们的生活质量、工作效率及身体健康程度都与建筑内环境相关。随着空调系统大量应用于建筑，极大地提高了室内舒适度，但也暴露出许多问题。很多国内外专家都开始研究如何创造健康建筑(Healthy Building)，避免病态建筑(Sick Building)的产生。所谓健康建筑，就是空调系统运行良好，并且用较低能耗，保证优良的室内空气品质和舒适环境。与之相反的建筑，被称为“病态建筑”。而“病态建筑综合症” (Sick Building Syndrome)，具体地讲，这类建筑轻者能引起人们头脑发昏、嗜睡、眼睛受到刺激、呼吸系统不适，严重的会导致疾病的传染，造成各种各样的健康问题。影响室内空气品质的因素很多，从其性质来讲,大至可分为三类。第一类是化学的,其成份多为挥发性的有机物，即VOC(Volatile Organic Compounds)。这些污染主要来自装修使用的各种建筑材料、装饰材料等。第二类是物理方面的,主要来自室外及室内的电器设备,成份为噪声、电磁辐射、光污染等;第三类是生物的,主要是细菌滋生等。国内外许多学者对不同建筑的室内空气品质进行调查研究发现，大约53%的建筑（280个）中室内空气品质问题是由于不合适的通风[1]。对空调系统设计来讲，影响IAQ的原因主要有：新风量不足、新风质量、气流组织、空调系统的二次污染、噪音等问题。

　　本文主要从民用建筑空调系统设计方面，探讨如何防止病态建筑的产生，提高室内空气品质，从而使人们享受舒适现代生活的同时，不会被病态建筑综合症侵扰。文章在以下几个方面展开讨论：

新风量标准

新风处理和新风质量

气流组织

运行工况

节能措施

新风量标准
　　新风对于提高室内空气品质有非常积极的作用，它可以稀释和带走在室内产生的污染物。目前国内尚无室内空气品质评价标准。美国ASHRAE标准62-1999给出的可接受室内空气品质(Acceptable Indoor Air Quality)定义为室内已知的污染物没有达到权威机构所确定的有害浓度,处于该空气中的绝大多数人员(≥80%)没有感到不满意[2]。它的定义包括了主、客观评价两个方面，比较适合我国国情。该标准还规定，由于人们对绝大多数气味适应很快,所以最小通风量的确定是依据已适应者(室内人员)而不是未适应者(来访者)。

　　按照现行规范，空调系统新风量的标准是取人员最小新风量和维持房间正压所需新风量中的较大值，并不应小于总送风量的10%[3]。

　　关于人员新风标准，国内外标准不径相同。美国ASHRAE标准62-1999给出了不同建筑物中人员新风量的标准，比以前版本提高了很多。例如办公室人员新风标准为36m3/h.p，人员最大密度为14.3m2/人（7人/100m2）。北京市建筑设计院设备专业技术措施中，普通办公室人员新风标准为25m3/h.p，按照国内办公室人员密度大约为6～10m2/人（10～16人/100m2）。有文献提出人员新风标准应为33～42m3/h.p。文献[4]实测了7幢办公楼的新风量发现，人员数量波动性比较大，所以人均新风量差别比较大。但是按面积平均却相差不大，新风量实测值为2.2～3.92m3/h.m2。实际工程设计中，就目前我国办公室人员密度来讲，维持房间正压所需新风量一般小于人员最小新风量，笔者认为新风标准应为25～30m3/h.p（2.5～5m3/h.m2）。

　　因为室内人员的数量难以估计准确，所以笔者认为制定新风量标准时，应该参考国外标准，根据建筑物功能，给出新风量标准，同时也要给出人员密度指标。

许多专家提出应该考虑建筑污染，通风量应为人员和消除室内污染两部分之和。但室内污染程度难以估计，所以新风量标准如何修改，目前尚无定论。

　　新风量不是越大越好，有文献认为新风量从25%到100%，对病态建筑综合症而言并没有什么区别，所以提高新风量的同时，要注重新风的处理与品质。

新风处理与新风质量
室外空气首先要经过滤除尘，然后再通过加热或冷却等手段，达到所需参数。新风过滤对维护室内空气品质极为重要。一般空调系统应设置两级过滤，第一级过滤采用效率30%的粗效过滤器，第二级过滤采用效率为65%～85%的中效过滤器。对于净化空调机组，应采用三级过滤，除初中效过滤器外，还要增加亚高效过滤器。

　　需要指出的是，目前新风过滤主要考虑室外颗粒污染物的除去,而室内空气品质涉及到的除室外固体污染物外,还有室外气态污染物。因此,新风处理还必须考虑室外气体污染物的过滤和吸附,从而使新风质量达到应有的标准。

　　空气过滤器的清洗和更换是目前空调运行管理的难点，尤其是常用的玻璃纤维过滤器无法清洗，而无纺布过滤器只能清洗数次。与超声波配合的静电除尘器可以获得很高的除尘效率并且不使粉尘积存在电极上，通过机械装置可实现自动清灰。应该成为今后的发展和研究方向。空气过滤器应设置自动清灰装置，以减轻人工清洗的维护工作量和防止灰尘的二次飞扬污染。简单的方法是安装过滤器阻力声光报警装置，以便监督及时清洗。

　　室外空气的质量只要不处于工业区，一般不会有太大问题。如果新风入口靠近装卸码头或高速公路，应装设一氧化碳检测器，当室外空气质量较差时，以减少进入建筑物的室外新风量。工程设计中新风吸入口要避免污染，百叶窗应加防水罩等措施，防止雨水或雪水渗入新风引入口污染过滤器。新风口应该与排风口保持一定距离，或在不同方向设置，不要被冷却塔飘逸的水滴污染。新风开口面积应满足全新风运行要求。

　　有文献提出空气龄的概念，指出入室新风空气龄越小，途径污染越少，新风品质越好，对人的作用越大。空调系统设计时，要加强新风过滤，提高入室新风的效率，缩短新风途径，减少室内空气停留时间，保证入室新风的品质。有人提出新风口和排风口采用“随风转向风帽”，通过风向标，能灵活地将风口始终迎向或背向风吹来的方向，从而有效地利用风压的正压或负压，达到节能目的。

　　高品质的新风要直接送入室内，而不能只送到吊顶内。良好的室内空气品质不仅与新风有关，很大程度上与空调系统气流组织有关。

气流组织
　　空调系统设计的气流组织对IAQ影响很大，气流组织设计合理,不仅可以将新鲜空气按质按量地送到人员活动区,还可及时将污染物排出。如果设计不当，容易造成送、回风短路，房间内有空气滞留区。

　　工程设计中受各种条件限制，房间气流组织大多采用上送上回形式,送风散流器大都是平流型(射流的射出角度大于40°),送风形成贴附,很容易经回风口带走而短路。因此,选用散流器时应用射出角度小于40°的直流型，这种散流器能较好地将风送至人员活动区，避免了短路，提高了人员活动区的空气质量。布置送、回风口时，应尽量布置合理，避免产生房间死角。例如旅馆标准客房的卧式安装风机盘管，因为条件限制，只能位于门口上方位置，建议侧送风口采用双层或三层百叶送风口，以便通过调节水平、垂直叶片，改变送风倾角和射流扩散角，达到减少空气滞留区的面积，以保证室内空气品质。

　　如果有条件的话，尽量采用上送下回的形式，因为对工作区来讲，这种送风形式比上送上回系统排除污染物的能力强。

　　作为设计人员，设计理念应该从空调为建筑服务，转变到“以人为本”的观点上来。在风口布置、风量选择、风速确定等方面改善空气分配，满足工作区需求，及时消除污染物。

运行工况
　　目前，空调系统的二次污染问题日益突出，国内外研究重点已经转移到研究建筑结构与通风空调系统的二次污染。所谓二次污染是由于空调系统自身问题如盘管、凝水盘、水封、加湿器、长期处于高湿度下的空气过滤器所引起的局部积尘和高湿度（一次污染），或建筑结构与材料吸潮积尘导致细菌大量定植、繁殖，产生大量有害的代谢物，大大降低了空气品质的可接受性，使人过敏，危害健康（二次污染）。

各项研究结果表明，当室内相对湿度高于70%,有利于微生物滋长。而降低微生物污染的最有效手段是控制尘埃和湿度。关于空气过滤的问题，文章前面已经讨论过。空调系统中盘管、凝水盘和加湿器是微生物的主要生长地。

　　对于新风加风机盘管系统，新风机组可采用低温送风，承担全部室内湿负荷，使风机盘管处于干工况运行，减少细菌滋生。增加的新风负荷可通过全热或显热排风热回收装置，如转轮式全热交换器等，达到节能目的。

　　空调加湿介质应优先采用蒸汽源，但蒸汽中必须不含对人体有害的物质。如果采用循环水加湿时，水质应达到饮用水标准。循环水应经过处理，防止细菌滋生，如可采用紫外线消毒的方法。

　　工程中常用CO2浓度监测室内空气，但是室内空气中CO2浓度并不能真实反映室内空气的污染程度。许多研究调查发现，室内VOC浓度很高，而且大多数场合室内单项的挥发性有机物往往不会超过上限值，总的挥发性有机物（TVOC）却常常超标，从而引起对人的综合的负面影响[5]。空调系统的室内回风中VOC浓度非常高，新型高性能吸附材料活性碳纤维具有优异的结构特点和优良的吸附性能，对各种无机物和有机化合物都能有效吸附，特别适用于低浓度物质的吸附。因此，设计时应考虑在回风管道中安装具有吸附ＶＯＣ功能的活性碳过滤器，降低VOC浓度。

　　在空调系统实际运行中，应根据季节变化，调节新风量大小，夏、冬季保证最小新风量，过渡季尽量使用全新风。必须指出的是,在变风量系统VAV(Variable Air Volume)中，应该注意变风量控制过程中，采取措施保证新风量至少为设计值的90%以上。

　　对于双风机组合式空调机组，设计时应该注意送、回风机风压的匹配，使机组风压零点达到预定点。否则，如果回风机风压过高，新风、排风段成为正压，新风就很难进来。如将送风机段和回风机段脱开布置，采用平行或垂直重叠布置，用新、回、排风管道及风阀在机外连接等形式，可以解决问题。

　　对空调设计工程师来讲，还应注意噪音对室内IAQ的影响。空调系统的噪音大致有设备噪音、振动噪音、配件噪音等。设备噪音是由冷水机组、水泵、风机、空调机等设备运转产生。选购产品时可选择质量好、低噪音的名牌产品，基础及支架处做减振处理。与设备连接的水管、风管应安装相应的软接头，以免发生共振，产生噪音。在施工安装过程中，风管应注意制作安装质量，风管弯头弧度应够大并装设导流片等。穿墙穿楼板的管道应安装套管，套管与管道之间进行消声处理，在建筑物伸缩缝处安装长度大于缝宽的软接头和帆布软接等。水管设计中应注意减少弯头数量，减少急弯，管道变径应缓和，系统高点应注意安装排气阀等。配件设计上应选择消声型的，如止回阀可采用缓闭消声止回阀，送回风口采用固定百叶或消声百叶等。

　　笔者迫切地希望广大设计人员加强病态建筑意识，优化设计，从根本上杜绝病态建筑产生。建议我国应尽快制定有关通风空调系统清洗消毒的法规,以便有法可依,尽可能地降低通风空调系统本身对IAQ的污染。

节能措施
　　由于新风对室内IAQ的积极作用，所以今后的发展趋势将增大系统的新风比，为了减轻或消除相应的额外负荷，可以采用全热交换、低温水、闭式单环路热回收再热系统等新风预处理技术，并与目前常规的通风空调设备和运行技术相结合组成A方案[5]。

　　目前出现了不少空调新技术，如置换通风、动态工位调节、椅下低速送风及波动送风等。文献提出一种波动送风的工作区---背景区设备。经过计算实例，比传统风机盘管和VAV节能20%。国家大剧院工程观众厅采用了变新风比的置换通风系统，经过模拟计算与常规系统比较发现，采用置换通风后，卫生状况改善，变新风比节能效果可达到7%。

　　笔者以前研究的间接蒸发冷却技术IEC(Indirect Evaporative Cooling)冷却新风，节能效果也很明显。在我国西北部地区应用效果十分显著。我院承接的新疆体育馆工程实际应用效果良好。对于我国东南部夏季室外空气湿度大，可以先进行除湿，然后再用IEC冷却。除湿剂的再生可用低品位能源（太阳能、废热等）。

　　绿化对于节能也有很大帮助。文献[6]通过实测结果发现，在建筑物外面种植多年生攀缘类植物后，室内环境温度较室外气温低3～9℃。可降低墙体外表面（极端情况）约23℃，室内表面温度约0.8～1.7℃。西墙绿化时，在其他条件不变时，对于建筑外围护单位面积通过或放出的热流较普通外围护少约397W/m2。绿化状态下可减少空调负荷约12.7%，中午高温时刻可达到20%。

结论
　　空调系统设计对IAQ的影响很大，许多建筑由于不合适的通风而室内空气品质降低。新风标准应因地制宜，根据建筑物的不同功能，制定人员新风量标准，同时应给出人员密度。

　　新风不是越多越好，还应注重新风处理和新风质量。空调系统至少需要两级过滤，应研制和开发新型高效和易清洗的过滤器。新风空气龄越小对人体越有益。

　　房间气流组织设计要合理，避免空气短路和产生滞留区。空调系统的二次污染问题已经提到议事日程上来。控制室内相对湿度，可抑制微生物生长。对于新风加风机盘管系统，新风承担全部湿负荷，使风机盘管干工况运行。设计双风机系统时应合理选择风压，以免新风难以进入。设计和施工中要控制好系统的运行噪音。

　　未来发展趋势会增加新风比，为了节约能源，可采用热回收和一些空调新技术，如置换通风、IEC等手段能降低空调能耗。建筑物绿化对空调节能也有很大帮助。

参考文献

Bearg,David W.Indoor air quality and HVAC systems,Lewis Pub,1993:P12-20
ASHRAE.ASHRAE Standard 62-1999,Wentilation for acceptable indoor air quality.Atlanta,1999
北京市建筑设计研究院《建筑设备专业设计技术措施》编写组.建筑设备专业设计技术措施.中国建筑工业出版社1998年4月
潘毅群龙惟定范存养.办公楼的室内空气品质与新风.暖通空调.2002,32(6):P28-30
沈晋明.我国目前室内空气品质改善的对策与措施. 暖通空调.2002,32(2):P34-37
李娟.建筑物绿化隔热与节能. 暖通空调.2002,32(3):P22-26