01.28 “非典”以後對民用建築通風空調工程的反思和預期

1 通風空調工程有利於改善建築空間的衛生條件


  設置完善通風空調系統的建築,比之於完全依靠自然通風的建築,應該更有利於改善建築空間的衛生條件,而不是相反。所謂“完善”,是指通風空調系統的各個環節符合現行有關標準,並能夠經常進行維護和正常運行。民用建築通風空調工程的目的,是在達到必要的衛生標準前提下,滿足建築環境的舒適度,包括:一定範圍的溫度、相對溼度、空氣流動速度和新鮮空氣量等。特別是在現代建築中,由於建築的大體量和大進深、難於避免有許多無法和室外直接相通的空間(如地下室等)、對空間的自由分隔要求、巨大的內部熱溼負荷等,單純自然通風不僅難以滿足基本使用要求,更談不上滿足良好的衛生條件,必須依靠機械的通風空調工程。體現了現代技術的通風空調工程,正是在不斷滿足上述要求的過程中不斷得到發展和進步。現行有關通風空調工程的技術標準,反映了這種發展和進步。

  在對“非典”的致病機理和傳播規律還不完全清楚的應急情況下,對建築設計包括對通風空調工程做出有點“過度”的反應,是必要和可以理解的。但是,不區分情況,把通風空調視若“洪水猛獸”,做出“儘可能不使用中央空調”的片面判斷,則大可不必。

2 合理確定安全性和經濟性的“度”

  任何工程問題,安全性和經濟性,從來就是有矛盾的。現代的工程技術條件,完全有可能達到很高的安全性標準,但同時必須付出相應的經濟代價,包括投資費用和能源消耗等。合理確定安全性和經濟性的“度”,是工程標準的主要任務。

  對於通風空調工程而言,例如:抵禦不同機率的大氣炎熱或寒冷因素、抵抗自然或人為災害的能力、衛生或舒適度的不同標準等,都可以根據經濟和其它因素靈活確定。顯然,不能用生物淨化的標準來要求一般舒適性空調工程,也不能以特殊情況為依據,不計較代價地提高各種標準。這就提出了正確區分和處理“常規”和“應急”的問題。即:根據現實的經濟條件確定“常規”標準,而在發生突然災害時,能夠有效地實現“應急”轉換。正確處理常規運行和應急措施的關係,是合理確定安全性和經濟性的“度”的主要途徑。

  現有的通風空調工程,雖然大多可以基本滿足疫情突然發生時的應急轉換,但在某些環節上有明顯的缺陷,這是應對“非典”疫情給我們的啟示。

3 避免使用“中央空調”的模糊稱謂

  有的媒體宣稱“傳統中央空調存在病毒交叉感染的隱患”,“一些新的寫字樓已經開始考慮安裝多組戶式中央空調取代傳統中央空調的計劃”,這是比較片面的帶有商業傾向性的誤導。所謂“中央空調”,是概念比較模糊的一種不規範的稱謂,此名稱未見於《採暖通風與空氣調節術語標準》(GB50155-92)。通常主要是指空調的冷源(或熱源)設備集中配置,由比較大型的冷源設備和熱源設備,提供空氣處理所需要的冷媒或熱媒,既包括如高大空間的集中送回風的全空氣制式,也包括如酒店客房的風機盤管加集中新風制式等。顯然,這種冷源或熱源的集中配置方式,和“存在病毒交叉感染的隱患”根本毫不相干。

  空調冷源正在向多元化的方向發展,比較小型的分散冷源有其便於計量、使用靈活等優點,在某些條件下(例如住宅)也是一種相對合理的選擇。但是從總體上講,集中設置大型的冷源設備,較分散設置小型冷源設備,可以得到更高的能效比,因而,它仍然應該是大型公共建築空調冷源的主體方式。

  在集中冷源和熱源的條件下,採用何種具體的通風空調系統向房間提供冷源和熱源,則應該根據各類建築的類型和使用特點。例如:可以採用集中送回風的全空氣制式的多種方式、無迴風的直流制式、風機盤管加集中新風的水——空氣制式等。每種具體的通風空調系統,既非必然“存在病毒交叉感染的隱患”,也並不是萬無一失。每一種方式,都應該從衛生角度出發揚長避短,進行切實的改進。

4 全空氣制式空調系統宜適當縮小系統規模

  全空氣制式空調系統,一般是指加入部分新風的集中送回風循環系統,但也包括其它多種型式。除傳統意義上同一送風溫度“吃大鍋飯”的集中系統外,還有可以適合不同建築熱工特性房間分別控制溫度的多分區型式或帶有各種不同變風量末端的型式。相對於水——空氣制式空調系統的弊病而言,全空氣系統仍是較大空間的比較適宜的空調方式,例如:影劇院、體育館、展覽館、商場、侯機或候車大廳、公共建築大堂、開敞式的現代化寫字樓等。在較大的同一建築空間內,即使採用其它形式的空調製式,或不運行空調,疫情在人群中的傳播同樣可以發生。

  但是,適當縮小系統的規模,儘可能減少同一建築空間內各區間空氣的交互性,是有條件的。例如:寫字樓可以按照樓層(或同一樓層內進一步按照銷售和出租單元)劃分為獨立的系統;商業大廈可以在建築防火分區範圍內進一步劃分系統;劇院、體育館、展覽館、侯機或候車大廳等,也可以在一個較大的空間內,劃分為由若干個相對獨立的空調機組和管道系統,使送回風循環系統自成體系。這對於建築防火、減少風管佔用空間、節約能源、系統的均勻性和可調節性,都會十分有利。而出租寫字樓按照銷售或出租單元劃分為獨立的系統,更可以便於空調費用的計量。

5 新風量偏小的狀況急待改進

  在民用建築的通風空調工程中,無論採用何種空調製式,新風量偏少是目前一個帶普遍性的缺陷。平時就達不到標準所要求的衛生條件,更無法適應疫情發生時加大新風量的應急轉換。

  儘管在設計標準中一再強調,在過渡季節或可以利用新風作為冷源時,應該儘可能最大限度地使用新風,但在一般工程中,由於建築條件的限制和自身的觀念,常常按照主要根據二氧化碳濃度限制確定的最小新風量標準進行設計。加以新風進口的裝飾性遮檔、機組的實際出力折減、輸送過程中的滲漏、過濾器不及時清洗等因素,大多達不到最小新風量。

  在空調的能耗中,新風負荷所佔的比例較大。按照最小新風量標準計算,在設計條件下的新風負荷佔總負荷的比例,寫字樓和酒店約可佔50%,商業大廈約可佔40%。因此在實際運行中,為減少能源費用,經常採用減少新風或間斷運行集中新風系統的不當方法。多年以前進行的一次旅遊旅館空調系統運行情況調查發現,集中新風系統運行最好的某工程,其實際新風量也只有設計新風量的30%。

  新風量偏小的狀況,在通風空調工程的設計中急待改進,應該採用各種技術措施,確保有可能最大限度地使用新風。例如:採用變風量新風機組,並且用低檔轉速下的風量對應最小新風量標準選擇機組,在過渡季節或可以利用新風作為冷源時,轉換為中速或高速運行。同時,也要解決好最大限度地使用新風條件下的進風口和排風出路,以及配套相應的節能措施。

6 合理地應用全新風直流式空調系統

  “非典”以後,全新風直流式空調系統成為一種“時尚”。筆者在參與北京一個頗具影響的高檔寫字樓工程中,就遇到了開發建設單位配置這種系統的執著要求,其目的十分明確:提高樓盤的“賣點”。為了合理地應用這種很有特點的系統,需要深入研究其利弊得失。

  不使用迴風循環的全新風直流式空調系統,當然可以在一定程度上防止或減少建築內同一系統中空氣的交互性。但是,即使採用普通的加入部分新風的集中送回風循環空調系統,也可以把它當作一種備用的運行方式,如果遇到通過空氣途徑傳染疫情發生時,用作應急轉換措施。類同於防空地下室通風系統的平戰結合和轉換。

  眾所周知,通風空調系統不僅要滿足由衛生要求確定的最小新風量,還要滿足室內空氣的熱—溼平衡和合適的送風溫差。如果不區分各類建築的使用特點,一概採用不使用迴風循環的直流式全新風空調系統,就會產生一系列、首先是巨大的能耗和運行的經濟性問題。

  對於全新風直流式空調系統,應該有如下基本認識:

(1) 全新風直流式空調系統並不能夠等同於“清潔”空調系統。建築空調可以達到的衛生標準,除了合理的新風量標準以外,還要全面解決好空氣過濾、氣流組織、建築空間的壓力控制、空氣的熱溼處理方式、通風系統的“迴流”、空調冷凝水等諸多方面的問題。在其中,“全新風”不一定可以成為提高衛生標準的主導因素。

(2) 不能用一般全空氣送回風循環空調系統的概念,來設計全新風直流式空調系統。全新風直流式空調系統在不同負荷特徵建築中應用,其技術經濟效益相差較大。空調系統的風量,主要取決於空調房間的熱溼負荷、室內空氣過程的熱溼比、空氣處理設備的能力、房間允許的送風溫差等因素。人員密度不大、圍護結構和內部顯熱負荷較大的建築,如果用一般全空氣送回風循環空調系統的概念,來設計全新風直流式空調系統,進入的新風量將達到規定最小新風量的7~8倍,能耗將是常規系統的3~4倍。

(3) 為了克服上述負面後果,特別是對待具備上述特徵的空調建築,應該通過深入的技術經濟論證,採用不同的配置方式和一系列的配套措施,以達到相對合理的回報。例如:用較小的風量提供足夠的冷量,就需要採用降低製冷機組的能效比的低溫冷媒,為彌補這種損失,往往利用電網谷電的冰蓄冷技術;採用高效率的熱回收裝置,儘可能多的回收冷量和熱量,但是又不宜採用轉輪式全熱回收裝置;採用幹工況的顯熱末端設備,擔負房間的顯熱負荷;採用特殊的送風口裝置和氣流組織,以避免由於過大的送風溫差而影響舒適度等。

7 改進空氣過濾裝置

  為達到必要的衛生標準,和新風量同樣重要的,是空調系統中的空氣過濾裝置。有兩個問題需要解決:

(1)宜採用中效空氣過濾器

  任何細菌或病毒不能單獨存在,在空氣中的存在,必須附著在一定粒徑的微粒上。醫院潔淨室的空氣淨化手段,主要是使用各種不同級別的空氣過濾器和採用不同的空氣循環過濾次數。大氣塵埃中約70%(按重量計)為粒徑小於10μ的固態或液態的微粒, 以氣溶膠的形態存在, 稱為大氣塵, 或稱為飄塵, 可吸入肺內危及人體健康。《公共場所衛生標準》(GB9663—9673-1996)稱之為“可吸入顆粒物”(IP)。大多數民用建築空調設備的空氣過濾裝置採用粗效過濾器。粗效空氣過濾器只能過濾粒徑為10—100μ的微粒。因此, 即使從平時的衛生條件出發,也宜採用能過濾粒徑為1—10μ微粒的中效空氣過濾器。

(2)應開發便於清洗的空氣過濾器

  筆者在許多通風空調工程看到,由於空氣過濾裝置不能及時清洗,使阻力增大風量減少,為保證風量有時就將過濾器拆掉,灰塵和冷凝水使表冷器上形成堅硬的汙垢。這當然主要是由於運行管理上的不規範化,但是大多空調機組配帶的空氣過濾裝置不便於清洗,也是一個重要的因素。因此,在有條件時,應該重新開發和採用例如可以自動清洗或自動卷繞的空氣過濾裝置,這種裝置應該是體型緊湊和靈活可靠的。

8 冬季空氣加溼技術的困惑

  冬季空氣的加溼,一直是較難解決好的課題。以北京地區為例,為保證室內相對溼度不低於30%,在設計工況下,每m3 新風的加溼量一般不應少於5克,以每萬m2寫字樓為例,最小新風量約需30000 m3/h,則加溼量約需150kg/h。

  使用幹蒸汽加溼雖然比較理想,調節控制問題現在也能夠解決好。但是,難以取得不間斷的汽源,特別是在例如北京地區,質量技術監督部門不允許在建築內設置鍋爐,蒸汽管道也難免惡化室內環境,因而大多數民用建築均無法採用幹蒸汽加溼,只能採用例如離心、超聲波、高壓噴霧、溼膜等絕熱加溼裝置。

  最近,建設部、衛生部和科技部關於印發《建築空調通風系統預防“非典”、確保安全使用的應急管理措施》的通知中,有如下規定:“在醫院空調系統中禁止採用任何形式的絕熱加溼裝置。”雖然是列入“對醫院隔離區空調裝置與空調通風系統的特殊附加要求”內,但是否說明任何一種絕熱加溼方法,都不能滿足潔淨衛生標準?因此,應該認真界定各種加溼方式在衛生方面的可行性,避免形成在空氣加溼技術方面留下空白。

9 關於空調器冷凝水

  夏季空調除溼過程形成的冷凝水,有可能滋生有害微生物,是通風空調系統的一個衛生死角。在全空氣制式空調系統中,集中空調機組一般可以設置於機房內,可以有組織的排入建築的汙水管系內,存在較好的冷凝水排放條件,並不需要加以特殊處理。有的工程將冷凝水集中後,作為建築中水的水源,由於有嚴格的建築中水標準,也不致造成汙染。

  問題較為突出的,是例如嵌裝於頂板棚的風機盤管機組、直接蒸發式空調機的室內機、小型吊掛式的新風機和空調器等。由於採用在頂棚內安裝,清洗十分困難。當冷凝水管系較長、又難以保證足夠坡度時,常發生堵塞和洩漏。冷凝水管系位於機組的負壓端,沒有水封,冬季是乾的,當採用垂直排水管系時,會發生建築各部分空氣的交互性。這也是風機盤管機組加集中新風系統的致命缺陷。標準較高的寫字樓,逐漸用末端變風量的全空氣系統加以替代,是其中的一個重要原因。

  儘管可以採用對冷凝水排水部件經常清洗消毒等具體措施,但都不能根本解決冷凝水系統對建築環境的汙染問題。這就提出了採用關於“顯熱末端”的課題。即:夏季空氣的除溼過程,全部由集中新風系統負擔,末端設備(例如風機盤管機組表冷器和頂棚冷輻射裝置等)的表面溫度,不低於室內空氣的露點溫度,在幹工況條件下運行,只負擔顯熱負荷。這需要有良好的建築熱工條件相配合,冷負荷(尤其是溼負荷)較大的建築,難以取得理想的效果。

  對於住宅建築房間空調器的冷凝水排除,《住宅設計規範》(GB50096-1999)中,已經提出了關於“綜合解決好冷凝水引流”等要求,許多工程都設置有專用的冷凝水管道,而不應該是無組織的自由飄灑。

10 防止排風系統的“迴流”現象

  通風空調系統中,容易使建築各部分的空氣發生交互性的另一環節是排風管系,即排風系統的“迴流”。“迴流”是指排氣口氣流的反方向流動。即使不從流行病傳播的角度出發,也是個使人厭煩的老問題。《住宅設計規範》中,兩處明確提出應加以防止:“當排油煙機的排氣管排至豎向通風道時,豎向通風道的斷面應根據所負擔的排氣量計算確定,應採取支管無迴流、豎井無洩漏的措施”。“無外窗的衛生間,應設置有防迴流的排氣通風道”。在實際工程中,不僅是住宅的廚房和衛生間,公共建築的排風系統,也都存在不同程度的“迴流”現象。

  防止發生排風系統的“迴流”現象最基本的要求是:在排風系統運行時,所有排風管系內均應保持負壓;在排風系統停止運行時,防止因為熱壓煙囪效應發生“迴流”,不使冬季下層的室內空氣流向上層,夏季上層的室內空氣流向下層。從設計和產品兩個方面,都需要進行改進。

  有些通風空調工程採用室外空氣的公共進風豎井,也有與此類似的問題。在實際工程中可以看到,當斷面較小致使風速較高時,公共進風豎井內存在不同程度的負壓,當某一層機組停止運行時,即使進風閥門處在關閉狀態,該層室內空氣會向負壓狀態的公共進風豎井發生“迴流”。

11 關於建築內不同空間的壓力控制

  空調建築一般要求維持適度正壓,以防止室外空氣的無組織滲入,有利於清潔度和室內參數少受外界干擾。但這是一個原則規定,對於空調建築內的不同空間,應該有不同的壓力控制要求。例如:醫院潔淨區的設計,就要根據不同潔淨度區域保證不同的“靜壓程度”,即各區間的相對程度,使潔淨度要求高區域的壓力,按順序略高於次潔淨區域。有些區域還應該保持適當的負壓。

  在一般民用公共建築中,也應該注意遵循與此類似的原則,確定不同區域的壓力分佈。例如:廚房、汽車庫、洗衣房、浴室和衛生間、中水或汙水處理站房等發生不良氣體的區域,應該確保其適度的負壓狀態。

  形成正壓或負壓狀態的基本辦法,是調整送風和排風的比例。一般區域的新風補充量應該大於排風量,或只送不排,以保持適度正壓;而某些區域的新風補充量則應該小於排風量,或只排不送。但是,一般民用公共建築的平面佈置,往往又不可能嚴格按照潔淨區的設計的規則。不同空間雖然分屬不同的通風空調系統,由於壓力差也會形成交叉汙染,應該儘可能減少或杜絕空間之間由於壓力差形成的空氣流動。

  特別應該改進廚房的通風設計。既需要排除不良氣體、又需要補入清潔氣體的廚房,最大排風量高達30-50h-1,並根據炊事狀態改變排風量,但其空調送風量常固定為10-20h-1,因此常發生空間壓力的劇烈波動,時而出現正壓致使廚房氣味瀰漫至其它空間,時而又有較大負壓致使從餐廳或其它空間補入大量不清潔的空氣。除空調送風量以外,廚房應該配置有過濾裝置的室外新風進風系統,直接送至排氣罩部位,並採用有效的調節控制裝置,實現保持空間微負壓的風量動態平衡。

12 關於風管系統

  風管系統對於確保通風空調工程的衛生條件也是十分重要的環節。

  風機盤管機組加集中新風系統的新風管道,基本上屬於直流式送風系統,一般認為不存在不同建築空間的空氣交互性。其實,當系統停止運行時,如果管系是豎向佈置的,筆者就觀察到由於熱壓作用造成的各層間少量空氣的流動。因此,有條件時宜橫向劃分系統。必須豎向佈置時,宜分層設置可以在系統停止運行時關斷的風閥。

  風管及相應構配件(如消聲器等)的材質種類很多,宜按照衛生要求加以重新界定。內壁粗糙的土建材料,不應用作送風管道。尤其是用土建材料砌築的風道加以分隔,分別做為送風、迴風和排風管道的做法,應予廢止。

13 通風空調系統的運行、維修和管理

  大多數民用公共建築的通風空調系統的運行、維修和管理,停留在比較粗放的水平。很多單位對通風空調系統運行的主要關注點,僅是溫度和運行費用。有些配置很好的系統及其控制裝置,常常出現“一年自動、兩年手動、三年不動”的現象。應該制定和完善通風空調系統的運行、維修和管理的標準,作為物業管理的重要內容,逐步改變落後狀態。


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