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摘要：介绍了上海国际航运服务中心项目中的1号办公楼的暖通设计节能技术运用，其中包括冷热源的选用，空调水系统的变频设置，末端CO2监控，排风热回收的综合权衡，直到选定最符合目标建筑要求的节能措施组合。
关键词：节能、江水源热泵、VAV系统、排风热回收
中图分类号： TE08文献标识码：A 文章编号：
0 引言
节约能源是国家战略建设中的重要环节。在所有的能耗中，建筑能耗所占的比重非常大，而空调能耗又占据了建筑能耗的主要部分。通过对空调节能措施的综合运用，实施优化运行策略，对实现大楼舒适、节能和高智能化水平运行有重要意义。本文拟通过对一栋办公建筑的空调节能措施的实例分析，来探应对LEED标准的现代5A级办公楼的节能措施组合。
1 工程概况
项目为上海国际航运服务中心，在项目的地块内布置有4幢商业办公建筑，地上部分总建筑面积约为105000平方米，地下部分总建筑面积约为91208平方米。其中1号楼为34层的超高层办公楼，建筑总高度为180米，地上部分建筑面积为64306平方米；
该项目设计于2012年上半年，设计严格按照国家《公共建筑节能设计标准》(GB 50189-2005)进行。本工程在设计时依照美国LEED评价体系中的金级要求开展。
1 空调系统节能设计
1.1节能要求
依照美国的LEED体系标准，本次暖通设计有如下节能评价要求：
表1
对于国家节能规范条款，一般暖通设计均可满足，但是LEED评价要求对暖通设计提出了比较高的要求，为应对此类评价体系，此次设计过程对表1中的内容进行了逐条分析应对。
1.2空调冷热源
上海国际航运服务中心项目具有地块广、建筑功能多样等特点，若冷源采用传统的风冷或者冷却塔冷却的制冷机组的话，室外设备势必会占用大量的面积，影响地块的利用。项目地块紧靠黄浦江，条件得天独厚，为天然的冷热源，故拟采用江水源热泵系统作为冷热源。
使用江水源热泵最大的问题是排水热污染，换热后的江水温度将升高5℃，经计算，即使在最不利情况下，排水的黄浦江段的温升为0.37℃。根据《地表水环境质量标准》（GB 3838-2002）中对水温的规定，人为造成的环境温度的变化应限制在：周平均最大温升1℃，周平均最大温降2℃。通过上面的分析，本工程对黄浦江的水温影响，完全满足规定的要求。
经过充分评估分析后，整个项目空调冷源采用江水冷却和冰蓄冷相结合的区域供冷方式。整个地块制冷主机选用4台1800冷吨和1台900冷吨的双工况冷水机组以及3台400冷吨的水源热泵机组。制热主机选用了12台1750kw的水源热泵机组。
对于主机设备的COP与IPLV值满足《公共建筑节能设计标准》的要求，市场上各主流生产厂商均比较容易达到。相应的,ASHRAE90.1-2007 中针对非标工况水冷式冷机提供了计算转化的方法，采用该方法可以得到不同冷却水进水温度/冷冻水出水温度与不同单位冷量冷却水流量下，冷机效率的最低要求值。如果水冷式冷机无法提供ASHRAE标准测试工况下的COP 及IPLV，可以证明其设计工况/GB测试工况满足表2 中转化后的对应的最小COP 和IPLV 值。
表2
GB 测试工况依据GB/T 18430.1-2007 蒸汽压缩循环冷水（热泵）机组：第一部分：工业或商业用及类似用途的冷水（热泵）机组定义的名义制冷量（冷却水进出水温度：30/35℃，冷冻水进出水温度6/12℃；冷却水侧水流量0.215m3/ (h*kW) 。
1.3排风热回收
空调区域排风中所含的能量十分可观，若加以回收利用可以取得很好的节能效益和环境效益。空气热回收设备利用建筑物的排风与新风进行热交换，在夏季回收空调冷量、冬季回收热量。
本次设计的办公楼标准层的层高为4.5m，其中11层和21层为避难层（设备层）。如果在当层进行全热交换，则全热交换器及其风管会占用较大的吊顶空间，1号楼业主对办公区域层高高度较为敏感，故此方案不可行。若集中各层的新排风后再引到避难层（设备层）中进行全热交换，则在避难层中安装平时用空调风管也不尽合理，故此方案也不可行。办公层排风均为各层公共卫生间的排风，若直接采用全热交换会带来卫生问题。为了解决矛盾，实际采用了热回收效率相对较低，但是应用灵活方便的液体循环式空气热回收方式回收排风显热。回收的排风冷（热）量用以预冷（热）新风，从而达到节能的效果。1号楼热回收分段进行，其中1到11层热交换设备设置在11层避难层（设备层），12到20层热交换设备设置在21层避难层（设备层），22层到34层的热交换设备设置于屋顶层。每层的卫生间设置离心风机箱，通过立管集中收集到设备层进入ERU（能量回收排风箱）。
图1液体循环式空气热回收原理图
能量回收排风机和新风机均比常规送排风机多出了液体盘管段，且液体循环泵也使系统的整体能耗增加，需要对热回收装置的性能系数COP进行整体考量。
以冬季为例， ERU（能量回收排风箱）将办公区域的排风集中回收，通过乙二醇溶液泵将热量传递给PAU（能量回收新风空调箱）的乙二醇盘管，对新风进行预热。选用25%的乙二醇C2H(OH)2溶液作为载冷剂，溶液的密度为1029.72（kg/m3）, 溶液的比热容为3.73(kJ/kg•℃)。
1号楼1~11层总的排风量为53790 m3/h，总新风量为43040 m3/h，则系统的新排风比LX/LP=1.25。ERU（能量回收排风箱）和PAU（能量回收新风空调箱）的盘管阻力约为200Pa，故能量回收新排风机增加的能耗根据式N=•K进行计算，增加的风机耗功率约为16.5Kw。
冬季新风进风参数：-1.2℃，房间空调设计温度为20℃，相对湿度40%。
根据《实用供热空调设计手册》对热回收装置的显热效率的计算方法，
公式①：
ηt=0.5•(ηx+ηp)+Δη1+Δη2
ηt－热回收装置的显热效率
ηx－新风换热器的显热效率
ηp－排风换热器的顯热效率
Δη1－新排风比修正
Δη2－新排风温度及含湿量修正
计算得全热交换效率ηt=0.62。
相应计算出1号楼1~11层总排风热回收量为184.3kw，即每1000 m3/h风量的室内排风可以回收到约4.28kw的热量。换算成冬季新风预热的话，可以将每1000m3/h的冬季室外新风提升12.7℃。
综合各换热设备生产厂家的实际经验，乙二醇溶液的进出盘管的温差设定为4℃，乙二醇溶液泵的流量可根据下式计算，
公式②：
L=
Q-乙二醇回收的热负荷（kw）
L-乙二醇溶液流量（m3/h）
乙二醇溶液循环泵的扬程H(m)可按《实用供热空调设计手册》提供的公式计算，
公式③：
H=［1.2•(ΔP1+ΔP2+ΔP3)•K］•0.1
式中ΔP1=排风换热器（ERU）的压力降，一般为10～30kPa；
ΔP2=新风换热器（PAU）的压力降，一般为10～30kPa；
ΔP3=液体循环管路系统的压力降，kPa；
K—乙二醇水溶液管道压力降修正系数，设计时取1.55。
经过选型计算后确定，乙二醇溶液泵总的电机耗功率为8kw。
对热回收装置的COP值进行计算，回收总热量为184.3kw，由此增加的功耗为风机耗功率与溶液泵耗功率之和，即24.5kw。计算得热回收装置的COP为7.5，满足《全国民用建筑工程设计技术措施—节能专篇 暖通空调•动力》4.3.1条的COP需大于5的要求，故在1号楼采用液体循环式热回收系统是可行的。夏季与过渡季运用此技术经济性无法满足要求，故排风做旁通排放。
1.4空调风系统
1号楼标准层办公空调面积约为1900m2，外侧为玻璃幕墙结构，内区暂为开敞式大办公区，常年为人员、照明及办公设备等散热的冷负荷。通过对1号楼用途及定位的分析，结合表1中第4条的节能要求，在满足高舒适度的前提下，还应兼顾空调风量可根据负荷变化作出适时调配，故标准层选用变风量空调系统。变风量末端设置为：外区，压力无关型并联型FPB（风机动力型末端装置），并且带热水盘管。内区，压力无关型节流型BOX。风系统全年供冷，夏季时内、外区末端装置均送冷风；过渡季和冬季，外区的热负荷抵消了部分内区冷负荷，带加热器的末端装置减小冷风送风量，从而达到节能运行的目的。作为变风量空调最重要的节能手段，空调箱为全年送冷风且风机需要变频调速。变风量空调系统具有控制灵活，风量可按需分配等特点，它可以根据空调内外区负荷的变化，自动改变送风量；随着系统送风量的减少，风机的输送能耗相应减少。LEED标准对空气品质也提出了相应的要求，标准层空调箱的过滤器为G4级加F7级的组合，经过计算，变风量空调箱风机全压需要1000Pa左右，为满足表1中第3条“风机单位风量耗功率≤0.4W/(m3/h)”的限值，必须提高空调箱风机的效率，选型时风机的效率需＞70%，这对于空调箱产品的选择也提出了较高的标准。
图2标准层空调风管平面图
表1中的第5条要求可调新风比， LEED顾问根据《室内空气质量标准》(GB/T 18883)的要求并结合本次设计大楼的实际定位，提出办公室内的CO2浓度控制在1000ppm。设计时遵循按需控制新风量的原则，在办公区域和会议室设置CO2浓度传感器，并在标准层的每台空调箱的新风风管入口处安装CAV定风量阀。当室内CO2浓度超过标准值时，连锁CAV阀加大开度，反之则认为新风量已满足需要，连锁CAV阀减小开度，减少多余新风负荷带来的能耗。
1.5空调水系统
考虑到整个项目占地面积大，各栋建筑与中央机房的距离相差较大，且对管理的要求较高，空调及采暖水系统均采用二级泵变流量系统，空调水系统均采用4管制。一级泵设于地块中区的中央机房内，而二级泵在设置时采用变频控制的方式。在1号楼的空调回水总管上设置能量计从而实现对各用户进行计量。根据表1第5条的要求并参考LEED标准，空调冷冻水二级泵的能效比（ER）值应≤0.015，且效率须≥75%。
为了尽量利用河水冷却系统，达到节能的目的，将在江水板换后预留一组24小时冷却水管，以满足办公楼部分需24小时供冷区域（如计算机房及数据中心等）的特殊要求，实现免费冷却，达到节能的目的。
3 结语
空调系统的节能手段多样且复杂，在各环节都有相应的方式，从冷热源的比较选用到空调末端设备的选择，设计中可因地制宜，从舒适度、节能效果、成本權衡等方面入手，但求选择最符合目标建筑要求的节能措施的组合。本项目在设计初期就根据高要求的节能标准进行设计，虽然项目尚未投入实际运行，但是期待项目的初期投入能够尽快的收回，实际节能效果等定量数据留待运行实践阶段的检验。
参考文献：
《实用供热空调设计手册》（第二版） 陆耀庆主编中国建筑工业出版社
《变风量空调系统设计》叶大法、杨国荣编著中国建筑工业出版社
《公共建筑节能设计标准》(GB 50189-2005) 中国建筑工业出版社
《全国民用建筑工程设计技术措施—节能专篇 暖通空调•动力》 中国计划出版社
关键词：节能、江水源热泵、VAV系统、排风热回收
中图分类号： TE08文献标识码：A 文章编号：
0 引言
节约能源是国家战略建设中的重要环节。在所有的能耗中，建筑能耗所占的比重非常大，而空调能耗又占据了建筑能耗的主要部分。通过对空调节能措施的综合运用，实施优化运行策略，对实现大楼舒适、节能和高智能化水平运行有重要意义。本文拟通过对一栋办公建筑的空调节能措施的实例分析，来探应对LEED标准的现代5A级办公楼的节能措施组合。
1 工程概况
项目为上海国际航运服务中心，在项目的地块内布置有4幢商业办公建筑，地上部分总建筑面积约为105000平方米，地下部分总建筑面积约为91208平方米。其中1号楼为34层的超高层办公楼，建筑总高度为180米，地上部分建筑面积为64306平方米；
该项目设计于2012年上半年，设计严格按照国家《公共建筑节能设计标准》(GB 50189-2005)进行。本工程在设计时依照美国LEED评价体系中的金级要求开展。
1 空调系统节能设计
1.1节能要求
依照美国的LEED体系标准，本次暖通设计有如下节能评价要求：
表1
对于国家节能规范条款，一般暖通设计均可满足，但是LEED评价要求对暖通设计提出了比较高的要求，为应对此类评价体系，此次设计过程对表1中的内容进行了逐条分析应对。
1.2空调冷热源
上海国际航运服务中心项目具有地块广、建筑功能多样等特点，若冷源采用传统的风冷或者冷却塔冷却的制冷机组的话，室外设备势必会占用大量的面积，影响地块的利用。项目地块紧靠黄浦江，条件得天独厚，为天然的冷热源，故拟采用江水源热泵系统作为冷热源。
使用江水源热泵最大的问题是排水热污染，换热后的江水温度将升高5℃，经计算，即使在最不利情况下，排水的黄浦江段的温升为0.37℃。根据《地表水环境质量标准》（GB 3838-2002）中对水温的规定，人为造成的环境温度的变化应限制在：周平均最大温升1℃，周平均最大温降2℃。通过上面的分析，本工程对黄浦江的水温影响，完全满足规定的要求。
经过充分评估分析后，整个项目空调冷源采用江水冷却和冰蓄冷相结合的区域供冷方式。整个地块制冷主机选用4台1800冷吨和1台900冷吨的双工况冷水机组以及3台400冷吨的水源热泵机组。制热主机选用了12台1750kw的水源热泵机组。
对于主机设备的COP与IPLV值满足《公共建筑节能设计标准》的要求，市场上各主流生产厂商均比较容易达到。相应的,ASHRAE90.1-2007 中针对非标工况水冷式冷机提供了计算转化的方法，采用该方法可以得到不同冷却水进水温度/冷冻水出水温度与不同单位冷量冷却水流量下，冷机效率的最低要求值。如果水冷式冷机无法提供ASHRAE标准测试工况下的COP 及IPLV，可以证明其设计工况/GB测试工况满足表2 中转化后的对应的最小COP 和IPLV 值。
表2
GB 测试工况依据GB/T 18430.1-2007 蒸汽压缩循环冷水（热泵）机组：第一部分：工业或商业用及类似用途的冷水（热泵）机组定义的名义制冷量（冷却水进出水温度：30/35℃，冷冻水进出水温度6/12℃；冷却水侧水流量0.215m3/ (h*kW) 。
1.3排风热回收
空调区域排风中所含的能量十分可观，若加以回收利用可以取得很好的节能效益和环境效益。空气热回收设备利用建筑物的排风与新风进行热交换，在夏季回收空调冷量、冬季回收热量。
本次设计的办公楼标准层的层高为4.5m，其中11层和21层为避难层（设备层）。如果在当层进行全热交换，则全热交换器及其风管会占用较大的吊顶空间，1号楼业主对办公区域层高高度较为敏感，故此方案不可行。若集中各层的新排风后再引到避难层（设备层）中进行全热交换，则在避难层中安装平时用空调风管也不尽合理，故此方案也不可行。办公层排风均为各层公共卫生间的排风，若直接采用全热交换会带来卫生问题。为了解决矛盾，实际采用了热回收效率相对较低，但是应用灵活方便的液体循环式空气热回收方式回收排风显热。回收的排风冷（热）量用以预冷（热）新风，从而达到节能的效果。1号楼热回收分段进行，其中1到11层热交换设备设置在11层避难层（设备层），12到20层热交换设备设置在21层避难层（设备层），22层到34层的热交换设备设置于屋顶层。每层的卫生间设置离心风机箱，通过立管集中收集到设备层进入ERU（能量回收排风箱）。
图1液体循环式空气热回收原理图
能量回收排风机和新风机均比常规送排风机多出了液体盘管段，且液体循环泵也使系统的整体能耗增加，需要对热回收装置的性能系数COP进行整体考量。
以冬季为例， ERU（能量回收排风箱）将办公区域的排风集中回收，通过乙二醇溶液泵将热量传递给PAU（能量回收新风空调箱）的乙二醇盘管，对新风进行预热。选用25%的乙二醇C2H(OH)2溶液作为载冷剂，溶液的密度为1029.72（kg/m3）, 溶液的比热容为3.73(kJ/kg•℃)。
1号楼1~11层总的排风量为53790 m3/h，总新风量为43040 m3/h，则系统的新排风比LX/LP=1.25。ERU（能量回收排风箱）和PAU（能量回收新风空调箱）的盘管阻力约为200Pa，故能量回收新排风机增加的能耗根据式N=•K进行计算，增加的风机耗功率约为16.5Kw。
冬季新风进风参数：-1.2℃，房间空调设计温度为20℃，相对湿度40%。
根据《实用供热空调设计手册》对热回收装置的显热效率的计算方法，
公式①：
ηt=0.5•(ηx+ηp)+Δη1+Δη2
ηt－热回收装置的显热效率
ηx－新风换热器的显热效率
ηp－排风换热器的顯热效率
Δη1－新排风比修正
Δη2－新排风温度及含湿量修正
计算得全热交换效率ηt=0.62。
相应计算出1号楼1~11层总排风热回收量为184.3kw，即每1000 m3/h风量的室内排风可以回收到约4.28kw的热量。换算成冬季新风预热的话，可以将每1000m3/h的冬季室外新风提升12.7℃。
综合各换热设备生产厂家的实际经验，乙二醇溶液的进出盘管的温差设定为4℃，乙二醇溶液泵的流量可根据下式计算，
公式②：
L=
Q-乙二醇回收的热负荷（kw）
L-乙二醇溶液流量（m3/h）
乙二醇溶液循环泵的扬程H(m)可按《实用供热空调设计手册》提供的公式计算，
公式③：
H=［1.2•(ΔP1+ΔP2+ΔP3)•K］•0.1
式中ΔP1=排风换热器（ERU）的压力降，一般为10～30kPa；
ΔP2=新风换热器（PAU）的压力降，一般为10～30kPa；
ΔP3=液体循环管路系统的压力降，kPa；
K—乙二醇水溶液管道压力降修正系数，设计时取1.55。
经过选型计算后确定，乙二醇溶液泵总的电机耗功率为8kw。
对热回收装置的COP值进行计算，回收总热量为184.3kw，由此增加的功耗为风机耗功率与溶液泵耗功率之和，即24.5kw。计算得热回收装置的COP为7.5，满足《全国民用建筑工程设计技术措施—节能专篇 暖通空调•动力》4.3.1条的COP需大于5的要求，故在1号楼采用液体循环式热回收系统是可行的。夏季与过渡季运用此技术经济性无法满足要求，故排风做旁通排放。
1.4空调风系统
1号楼标准层办公空调面积约为1900m2，外侧为玻璃幕墙结构，内区暂为开敞式大办公区，常年为人员、照明及办公设备等散热的冷负荷。通过对1号楼用途及定位的分析，结合表1中第4条的节能要求，在满足高舒适度的前提下，还应兼顾空调风量可根据负荷变化作出适时调配，故标准层选用变风量空调系统。变风量末端设置为：外区，压力无关型并联型FPB（风机动力型末端装置），并且带热水盘管。内区，压力无关型节流型BOX。风系统全年供冷，夏季时内、外区末端装置均送冷风；过渡季和冬季，外区的热负荷抵消了部分内区冷负荷，带加热器的末端装置减小冷风送风量，从而达到节能运行的目的。作为变风量空调最重要的节能手段，空调箱为全年送冷风且风机需要变频调速。变风量空调系统具有控制灵活，风量可按需分配等特点，它可以根据空调内外区负荷的变化，自动改变送风量；随着系统送风量的减少，风机的输送能耗相应减少。LEED标准对空气品质也提出了相应的要求，标准层空调箱的过滤器为G4级加F7级的组合，经过计算，变风量空调箱风机全压需要1000Pa左右，为满足表1中第3条“风机单位风量耗功率≤0.4W/(m3/h)”的限值，必须提高空调箱风机的效率，选型时风机的效率需＞70%，这对于空调箱产品的选择也提出了较高的标准。
图2标准层空调风管平面图
表1中的第5条要求可调新风比， LEED顾问根据《室内空气质量标准》(GB/T 18883)的要求并结合本次设计大楼的实际定位，提出办公室内的CO2浓度控制在1000ppm。设计时遵循按需控制新风量的原则，在办公区域和会议室设置CO2浓度传感器，并在标准层的每台空调箱的新风风管入口处安装CAV定风量阀。当室内CO2浓度超过标准值时，连锁CAV阀加大开度，反之则认为新风量已满足需要，连锁CAV阀减小开度，减少多余新风负荷带来的能耗。
1.5空调水系统
考虑到整个项目占地面积大，各栋建筑与中央机房的距离相差较大，且对管理的要求较高，空调及采暖水系统均采用二级泵变流量系统，空调水系统均采用4管制。一级泵设于地块中区的中央机房内，而二级泵在设置时采用变频控制的方式。在1号楼的空调回水总管上设置能量计从而实现对各用户进行计量。根据表1第5条的要求并参考LEED标准，空调冷冻水二级泵的能效比（ER）值应≤0.015，且效率须≥75%。
为了尽量利用河水冷却系统，达到节能的目的，将在江水板换后预留一组24小时冷却水管，以满足办公楼部分需24小时供冷区域（如计算机房及数据中心等）的特殊要求，实现免费冷却，达到节能的目的。
3 结语
空调系统的节能手段多样且复杂，在各环节都有相应的方式，从冷热源的比较选用到空调末端设备的选择，设计中可因地制宜，从舒适度、节能效果、成本權衡等方面入手，但求选择最符合目标建筑要求的节能措施的组合。本项目在设计初期就根据高要求的节能标准进行设计，虽然项目尚未投入实际运行，但是期待项目的初期投入能够尽快的收回，实际节能效果等定量数据留待运行实践阶段的检验。
参考文献：
《实用供热空调设计手册》（第二版） 陆耀庆主编中国建筑工业出版社
《变风量空调系统设计》叶大法、杨国荣编著中国建筑工业出版社
《公共建筑节能设计标准》(GB 50189-2005) 中国建筑工业出版社
《全国民用建筑工程设计技术措施—节能专篇 暖通空调•动力》 中国计划出版社