高校圖書館室內(nèi)熱環(huán)境分析

韓善韜

摘要：室內(nèi)熱環(huán)境質(zhì)量的高低對人們的身體健康、生活水平、工作學(xué)習(xí)效率將產(chǎn)生重大影響。而對于高校圖書館來說，控制室內(nèi)熱環(huán)境，

提高高校師生的學(xué)習(xí)和辦公效率就變得尤為重要。本文通過對高校圖書館空調(diào)機(jī)組的選型及冷熱負(fù)荷的分析、循環(huán)水系統(tǒng)的運(yùn)行分析對室內(nèi)熱環(huán)境進(jìn)行初步分析。再使用revit軟件，以圖書館一層為例對圖書館中庭風(fēng)管系統(tǒng)進(jìn)行建模，并使用phoenics對實(shí)際空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行流體模擬。最終對高校圖書館室內(nèi)熱環(huán)境進(jìn)行相關(guān)評價并對一些不足給予部分改進(jìn)建議。

關(guān)鍵詞：圖書館、熱舒適、冷熱負(fù)荷、水系統(tǒng)、氣流組織

中圖分類號： G258.6;TU111???? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

1 概述

隨著現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)與科技的發(fā)展，人們對建筑綜合環(huán)境的重視程度也越來越高，其中，室內(nèi)熱環(huán)境對建筑綜合環(huán)境的影響占有主導(dǎo)地位。而圖書館作為重要的公共建筑，室內(nèi)熱環(huán)境是否舒適便格外重要。除此之外，世界能源與環(huán)境問題方面日益突出，而建筑能耗目前占總能耗的三分之一，許多系統(tǒng)都存在“大馬拉小車”的現(xiàn)象，造成能源的大量浪費(fèi)。因此，平衡室內(nèi)熱環(huán)境與建筑能耗顯得十分重要。本文旨在以同濟(jì)大學(xué)嘉定校區(qū)圖書館為例，從圖書館冷熱負(fù)荷、水系統(tǒng)運(yùn)行和氣流組織三方面對圖書館室內(nèi)熱環(huán)境以及其中存在的問題進(jìn)行分析評價。

2 冷熱負(fù)荷分析

嘉定校區(qū)圖書館選配機(jī)組的制冷量為3420kW，由專業(yè)計算軟件計算本建筑物的冷熱負(fù)荷，得出圖書館全年最大冷負(fù)荷值是3378.31kW，數(shù)據(jù)表明在所設(shè)條件下，機(jī)組的運(yùn)行情況存在問題。經(jīng)統(tǒng)計得，嘉定圖書館的冷負(fù)荷在900～2400kW區(qū)間的小時數(shù)最多，冷負(fù)荷值超過3000kW的時間僅為40h。

因此圖書館的3臺額定冷量為1140kW的機(jī)組，大部分時候運(yùn)行在低負(fù)荷的工作狀況中，這使得機(jī)組產(chǎn)生的冷量不能被充分利用，進(jìn)而造成了能源的嚴(yán)重浪費(fèi)。若機(jī)組的數(shù)目及功率無法進(jìn)行改變，那么建議僅運(yùn)行3臺機(jī)組中的1-2臺，另外的機(jī)組留作備用。

再分析圖書館的熱負(fù)荷值，機(jī)組的制熱量為3600kW，計算得圖書館全年最大熱負(fù)荷值為269.80kW，故圖書館只需要一臺風(fēng)冷式熱泵制熱，即可滿足整體的熱量需求，且部分負(fù)荷率只要25%即可。在冬天往往同學(xué)們在圖書館外被凍得瑟瑟發(fā)抖，但進(jìn)入圖書館后卻會熱的出汗。室內(nèi)外的巨大溫差造成了能源的巨大浪費(fèi)。這是由于圖書館的空調(diào)機(jī)組的設(shè)計時，是按照內(nèi)部人員處于飽和狀態(tài)計算的。然而并非所有時間段圖書館都為滿員狀態(tài)，這就導(dǎo)致了熱量的浪費(fèi)。因此要改進(jìn)圖書館冬季體感過熱的現(xiàn)狀，就是要根據(jù)實(shí)際情況，制定合理的機(jī)組使用方案和負(fù)荷率，在提供足夠的熱量同時，盡可能的減少能源浪費(fèi)。

3 水系統(tǒng)運(yùn)行分析

城市自來水以大于0.2MP的壓力進(jìn)入圖書館水循環(huán)系統(tǒng)，進(jìn)入膨脹水箱。各AHU的冷、熱水回水通過管井一路向下，和旁流循環(huán)水處理器凈化后的冷、熱水回水一起，經(jīng)過水泵送至頂層的風(fēng)冷熱泵。冷、熱水回水（水泵進(jìn)水）首先經(jīng)過蝶閥、Y型過濾器、橡膠軟接管等等，然后才進(jìn)入水泵。值得注意的是水泵進(jìn)水端底部多設(shè)一截帶有閘閥的管道，經(jīng)求證，其有著儲存、排出雜質(zhì)的作用。冷、熱水回水（水泵出水）則經(jīng)過一個調(diào)節(jié)止回關(guān)斷閥和一個蝶閥，不僅可以調(diào)整出水流量，還可以防止出水倒流，損傷水泵。當(dāng)然，水泵進(jìn)、出水側(cè)都裝有壓力計。

冷、熱水回水（熱泵進(jìn)水）在天臺通過蝶閥、Y型過濾器進(jìn)入風(fēng)冷熱泵。同樣地，熱泵進(jìn)水側(cè)底部留有一截存儲、排出雜質(zhì)的管道。經(jīng)過熱泵后，冷、熱水供水（熱泵出水）就供給到各末端和AHU以進(jìn)行換熱，同時熱泵出水側(cè)有單獨(dú)水管通過管井與壓差旁通裝置和膨脹水箱相連，以穩(wěn)定冷、熱水供水的壓力，控制供水流量。

不難發(fā)現(xiàn)，圖書館采用了全集中、半集中混合式空調(diào)系統(tǒng)。其末端形式主要有兩種——方形散流、百葉等風(fēng)口、風(fēng)機(jī)盤管。每層一般設(shè)有兩臺AHU送風(fēng)。不同的是，一、三、十四層采用風(fēng)機(jī)盤管，四層計算機(jī)房和音響儲藏室采用VRV。此外，某些樓層具有與公共空間相隔離的辦公室、會議室，這些樓層都加裝了新風(fēng)空調(diào)器，保證充足的新風(fēng)量。

風(fēng)機(jī)盤管供水側(cè)裝有閘閥、Y型過濾器，回水側(cè)裝有閘閥、電動雙位閥。我們知道，風(fēng)機(jī)盤管一定連著三根水管，還有一根就是冷凝水管。有趣的是，一層的冷凝水管接到室外花壇供澆灌，是一項(xiàng)別出心裁的綠色設(shè)計。其余冷凝水則統(tǒng)一接至地下室積水井。

AHU的分布也十分講究。一至四層中庭內(nèi)，二、三層AHU風(fēng)量大于一、四層。五六層中庭與七八層中庭結(jié)構(gòu)相似，然而五層AHU和六層AHU風(fēng)量相近，七層AHU風(fēng)量（32000CMH）則遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于八層AHU（20000CMH）。不免想起同學(xué)們共同的經(jīng)歷，八層總是顯得格外悶熱，也許與此有關(guān)。

4? 氣流組織分析

我們主要研究了圖書館一層中庭的風(fēng)管系統(tǒng)，使用revit建立了圖書館一層中庭的風(fēng)管系統(tǒng)模型圖，并使用phoenics進(jìn)行了模擬。風(fēng)管標(biāo)高基本處于3.75m的高度，考慮到風(fēng)管當(dāng)中的壓降，風(fēng)管系統(tǒng)的末段截面積要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于初段。風(fēng)管末端采用了雙層格柵形風(fēng)口和噴口兩種形式，如圖1-3所示。

噴口是一種覆蓋范圍很廣的風(fēng)口形式，首先對噴口單獨(dú)進(jìn)行了模擬，模擬中只有一側(cè)的風(fēng)口出風(fēng)。模擬條件如下：噴口風(fēng)速2.8m/s，噴口壓力400pa，出風(fēng)溫度22℃，環(huán)境溫度36℃，熱負(fù)荷20W/m。模擬結(jié)果如圖4-5所示。

我們發(fā)現(xiàn)，噴口的出風(fēng)覆蓋區(qū)域很大，圖書館中庭與二樓聯(lián)通部分有四分之一左右的區(qū)域風(fēng)速達(dá)到了0.3m/s以上，八分之一左右的區(qū)域風(fēng)速達(dá)到了1m/s以上。而且全局平均溫度下降到了27℃，風(fēng)覆蓋區(qū)域的溫度下降到了25℃。

之后，我們對圖書館一層整體進(jìn)行了模擬，格柵風(fēng)口的模擬條件如下：風(fēng)速3.4m/s，壓力300pa，出風(fēng)溫度22℃，其余條件與前一次模擬相同。得到的結(jié)果如6圖所示。

格柵風(fēng)口的覆蓋區(qū)域明顯小于噴口，但是噴口的布置十分合理，使得在1.5的高度處，風(fēng)速均能達(dá)到0.1m/s左右，能夠基本的覆蓋到全部的區(qū)域，而且風(fēng)速幾乎全部維持在了1m/s一下，既不會產(chǎn)生對正對風(fēng)口處紙張的擾動，也不會使人產(chǎn)生明顯的不適感。

對比之下，不難發(fā)現(xiàn)，格柵的覆蓋能力要弱于噴口，但是格柵很適合與垂直方向的送風(fēng)。因此在機(jī)場候車廳、禮堂、大廳等層高較高、跨度較大而管線布置收到一定限制的區(qū)域通常使用噴管進(jìn)行送風(fēng);而格柵則可以提供適宜的送風(fēng)速度，提升人體的舒適度。

結(jié)束語

（1）高校圖書館對于空調(diào)設(shè)備選型較大，在空調(diào)實(shí)際運(yùn)行時，也沒有完全考慮到圖書館實(shí)際人數(shù)，使得實(shí)際冷熱負(fù)荷較需要值偏大，造成能源浪費(fèi)。

（2）實(shí)際圖書館七層AHU風(fēng)量明顯高于八層風(fēng)量，使得圖書館八層在實(shí)際使用過程中存在悶熱等情況。

（3）噴口和格柵風(fēng)口的不同布置，使得送風(fēng)效率有所提高，進(jìn)而提高人體熱舒適度。

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