建筑是人类生活与工作的场所,建筑室内环境对人类的寿命、工作效率、产品质量等起着极为重要的作用。人们对现代建筑的要求,不仅只有挡风遮雨的功能,而且还应是一个温度适宜、空气清新、宁静和舒适的环境。生产与科学实验对环境提出了更为苛刻的要求,如标准量具生产、计量室要求空气温度恒定(称恒温),纺织车间要求空气湿度恒定(称恒湿),半导体、磁头等生产要求对空气中的灰尘量有严格要求,抗生素生产和分装、大输液生产、无菌实验室动物饲养等要求无菌环境等。正是人类自身对环境的要求和生产、科学实验对环境的要求导致了供暖、通风与空气调节(简称空调)技术的产生与发展。供暖、通风与空调这三个分支是在长期的发展过程中自然形成的。虽同为环境控制技术,但它们主要控制的对象与功能有所不同,也有一定交叉,详见相应词条。供暖、通风与空调简称为暖通空调,英文缩写为HVAC(heating ventilating and avir conditioning)已为世界上业内人士所熟知。
暖通空调有着悠久的历史。从考古或古籍记载中发现,中国在新石器时代的仰韶时期就有了火坑供暖;夏、商、周时有了火炉供暖;汉代有了用烟气作介质的火地供暖(地面辐射供暖的雏形);在秦、汉年间,以天然冰作冷源对宫殿进行冷却的“空调房间”;自然通风也已在古老的建筑中被利用,如在建筑布局上利用穿堂风,在屋顶上设置气楼进行通风等。
现代意义上的供暖、通风与空调技术起源于西方。1673年,英国工程师发明了热水在管内流动以加热房间的方法,是热水供暖系统的雏形。1777年,法国人把热水供暖应用于建筑中。1784年,英国的工厂和公共建筑中应用了蒸汽供暖。1904年,美国纽约的斯托克斯交易所建筑内建成了空气调节系统,同一时期在德国一剧院建成了类似的空调系统。1911年,美国W.H.开利(W.H.Carrier)博士发表了湿空气的热力参数计算公式,而后根据公式制成了现在广为应用的湿空气焓湿图,使得空调的计算更为方便。在1949年以前,中国只有大城市的高级建筑中才有现代的暖通空调系统,所用的设备都是舶来品。供暖、通风与空气调节设备的制造基本上是空白,只有一些修配厂。1949年中华人民共和国成立后,现代的暖通空调技术得到长足的进步;尤其在20世纪80~90年代,发展更是突飞猛进,设有供暖、通风或空调系统的建筑到处可见,而且已是暖通空调设备的制造大国,有的产品的产量占世界首位,还涌现出不少著名品牌。
作为建筑环境控制技术的供暖、通风与空调3个分支,既有不同点,又有共同点,他们经常被联系在一起。
向建筑供给热量,保持室内一定温度。这是人类最早发展起来的建筑环境控制技术。人类自从懂得利用火以来,为抵御寒冷对生存的威胁,发明了火炕、火炉、火墙、火地等供暖方式,是最早的供暖设备与系统,有的一直被应用。随着科学技术的发展,供暖设备与系统在对人的舒适感和卫生、设备的美观和灵巧、系统和设备的自动控制、系统形式的多样化、能量的有效利用等方面都有长足的进步。
按供暖所采用的热媒,将常见供暖系统分为热水供暖系统和蒸汽供暖系统。按系统中水的循环动力将热水供暖系统分为重力(自然)循环供暖系统和机械循环供暖系统(见图)。按建筑物室内的供暖设备终端分为散热器供暖、暖风机供暖、风机盘管供暖、地板供暖等。
1 锅炉 2 散热器 3 膨胀水箱 4 循环水泵 5 集气罐 6 主立管 7 散热器支管按系统循环动力分类的热水供暖系统
利用自然或机械的动力,向某一房间或空间送入室外空气,和由某一房间或空间排出空气,以满足室内人员对空气品质的要求的技术。送入室内的室外空气称为新鲜空气或新风,可以是经过处理的,也可以是不经处理的。换言之,通风是利用新风来置换建筑室内空气。通风的主要功能有:①稀释室内污染物或气味。②提供人生命过程需要的氧气。③控制工业生产过程中污染物的传播。④提供室内燃烧设备所需的空气。⑤消除室内多余的热量(余热)或湿量(余湿),但此功能是有限的,它受室外空气状态所制约。
根据空气流动的动力,通风分为机械通风和自然通风。机械通风是依靠风机的动力来控制空气的流动;自然通风是依靠室内外空气温度差形成的热压或室外风形成的风压使空气通过门、窗洞或缝的流动。根据控制污染物的机理,通风又可分为全面通风和局部通风。全面通风又称稀释通风,是利用清洁的新风稀释室内污染物;局部通风是直接从污染源处排除污染物,或在局部区域保持良好的空气环境。
民用建筑污染物主要来源是人、宠物(狗、猫、鸟等)、建筑所用的材料、家具、设备、日用品等。这些污染物发生强度低,有害性较小。有空调的建筑,通常由空调系统来实现通风,以保证室内空气品质。不设空调的建筑,通常利用自然通风来保证室内空气品质。
工业建筑污染物主要是伴随生产工艺过程产生的,污染物发生强度一般较大,危害性也较大。当污染物集中于某处发生时,首先应采用局部通风来治理,并辅以全面通风。
通风还用于突发事故(如设备因故障产生大量有毒有燃烧爆炸危害的气体、粉尘等物质)时防止对人员的伤害和事故进一步扩大,或建筑物火灾时防止大量烟气产生的危害。前者设置事故通风系统,把突发事故产生的有害物质迅速排出;后者在建筑设置防烟、排烟系统,在火灾建筑中创造无烟或含烟量很低的通道,以保证室内人员安全疏散和消防人员顺利到达火灾区进行扑救。
实现对某一房间或空间内的温度、湿度、洁净度和空气流动速度等进行调节与控制,并提供足够量的新鲜空气,称为空气调节,简称空调。空调按其用途或服务对象不同可分舒适性空调和工艺性空调。前者为室内人员创造舒适健康环境的空调,可令人精神愉快,精力充沛,工作学习效率提高,有益于身心健康。由于人的舒适感在一定的空气参数范围内,所以这类空调对温度和湿度波动的控制,要求并不严格。后者为生产工艺过程或设备运行创造必要环境条件的空调,工作人员的舒适要求有条件时可兼顾。由于工业生产类型不同、各种高精度设备的运行条件也不同,因此,工艺性空调的功能、系统形式等差别很大。
空调按空气处理设备的集中程度分为集中式空调、半集中式空调和分散式空调。①集中式空调,空气集中于机房进行处理(冷却、去湿、加热、加湿等),而房间内只有空气分配装置。常用的全空气空调系统中大部分是属于集中式空调,集中式空调机房需要在建筑物内占用一定面积,控制、管理比较方便。②半集中式空调,在被调节和控制的房间内,对室内空气处理(加热或冷却、去湿)的设备分设在各个房间内,而又集中部分处理设备,如冷冻水或热水集中制备或新风进行集中处理等。半集中式系统在建筑中机房占用面积少,易满足各个房间各自的温湿度控制要求,但房间内设置空气处理设备后,管理维修不方便,如设备中有风机,还会给室内带来噪声。③分散式空调,对室内进行热湿处理的设备全部分散于各房间内,如家庭中常用的房间空调器。这种系统在建筑内不需要机房,不需要进行空气分配的风道,但维修管理不便,分散的小机组能量效率一般比较低,其中制冷压缩机、风机会给室内带来噪声。
空调可以实现对建筑热湿环境、空气品质全面进行控制,或是说它包含了供暖功能和通风的部分功能,然而空调并不能完全取代供暖与通风,其原因是:①实际应用中并不是任何场合都需要对所有的环境参数进行调节与控制,例如,寒冷地区,有些建筑只需供暖,并不需要空调降噪;又如有些生产场所,只需用通风对污染物进行控制,而对温湿度并无严格要求。②利用通风,尤其是利用自然通风来消除室内余热余湿,可以大大减少能量消耗和设备费用,应尽量优先采用,而不必一定采用空调。③通风中排除工艺生产中污染物(如灰尘、有害气体)功能,空调并不具备。空调也被称为冷气,这是因为空调必须有对空气冷却去湿的功能,因此,有无冷却功能被认为是区分空调系统和通风系统的标志之一。如果一个系统只有对空气进行加热、过滤、分配的功能,那它不是一个空调系统,而仅是一个通风系统或是一个热风供暖系统。