论文部分内容阅读
摘要:暖通空调系统的節能占建筑节能的主要部分，暖通空调的节能设计对于降低建筑物的能耗有着重要的作用。通过大空间建筑暖通空调系统设计工程实例，阐述了该设计过程的重要环节，对达到节能降耗的最终目标有一定的参考价值。
关键词:高大空间; 置换通风; 节能
Abstract: the hvac system energy saving accounts for the main part of the building energy efficiency, energy saving of the hvac design for reducing the energy consumption of the building has an important role. Through the large space building hvac system design engineering examples, this paper expounds the important link of the design process, to achieve the ultimate goal of saving energy and reducing consumption is of certain reference value.
Keywords: tall space; Displacement ventilation; Energy saving
中图分类号：S210.4 文献标识码：A 文章编号
前言
随着人类生活质量的提高，人们的生活内容越来越丰富，各种体育、休闲设施等公共建筑应运而生，这类建筑大都体积庞大，结构复杂，功能灵活(建筑功能多样化)，传统的空调通风方式已经不能充分发挥这类建筑的功能并创造优质的环境，同时随着能源问题的日趋紧张，如何进行暖通空调的设计、运行及管理既能满足人们对大空间建筑的舒适要求又能节约能源，是一个非常值得探索的研究方向。本文将结某体育馆的空调系统设计来分析大空间建筑的一些节能措施。
一、大空间暖通空调设计的难点
大空间暖通空调设计的难点主要体现在以下四个方面：
(1)大空间建筑设计往往需要有单独的冷热源，以满足空调、采暖、制冷、热水供应等方面的需求。由于用地紧张和其他一些原因，很多大空问建筑需要在地下室或屋顶上设置锅炉房，这使得大空间建筑的热源设计变得更为复杂。
(2)大空间建筑往往高度较高，这也加重了采暖系统的坚向失调，同时由于系统水静压力较大，直接影响到室外管网的水力工况，其系统的形式及与室外管网的连接与多层建筑有较大差异。
(3)大空间建筑的空调设计气流组织因温度梯度较大，需采用合理的送风方式。上送下回方式为从顶棚送风下部回风，现工程多采用可调节风量和射程的风口，提高冬季的送风风速；侧送下回方式送风口高度大多在3m左右，需要结合建筑装修设计布置风口位置以达到室内美观，同时需要精确的空调气流组织计算。
二、大空间建筑暖通空调系统设计实例
2．1 工程概况
某体育馆是一座单体建筑，该建筑主体在地上只有一层，建筑面积19795m 。体育馆平面呈半径约为56m的圆形，比赛大厅平面呈半径约为43m的圆形，可举办、篮球、排球、羽毛球、乒乓球等单项比赛。比赛大厅设2层看台，1层看台下空间主要用于布置运动员、管理人员、贵宾、后勤服务人员用房，2层主要用于布置观众休息厅、小卖部、卫生间等。
2．2 空调室内设计参数
室内空调设计参数见表1。
表1 室内主要空调设计参数
夏季 冬季新风量
室内温度/℃ 相对湿度/℃ 室内温度/℃ (m3 /(人.h))
26-28 55-65 16-18 20
注：乒乓球、羽毛球比赛时风速控制在0．2m／s以内，其余比赛控制在0．5m／s以内。
2．3 冷热源及空调水系统
2．3．1 热源
体育馆冬季采用市政热网供热，供水温度为110℃，回水温度为70℃，市政热源一次水供回水管道采用直埋敷设，直接接至冷热源机房。空调和供暖系统与市政热网均采用间接连接，分别经换热机组换热后提供空调和供暖系统用热水；空调系统热水供水温度为60℃ ，回水温度为50℃ ；散热器供暖系统热水供水温度为85℃，回水温度为60℃ ；低温地板辐射供暖系统热水供水温度为55℃，回水温度为45℃。有比赛时的设计计算总热负荷为4146 kW(包括新风负荷)，热负荷指标为203w/m2 ；无比赛时和满足值班供暖的设计计算总热负荷为761kW，热负荷指标为37 w/m2 。空调及供暖系统补水为市政自来水经全自动软水器处理后的软化水，由低位闭式膨胀定压罐自动补给。
2．3．2 冷源
夏季集中空调系统设计计算冷负荷为4202kW(包括新风负荷)，冷负荷指标为206 w/m2 。选用3台1410kW水冷螺杆式冷水机组，冷水供回水温度为7℃／12℃ ，冷却水供回水温度为32℃／37℃，制冷机房独立设置于体育馆西北侧。
2．3．3 空调水系统
由于体育馆使用的间歇性，在比赛与非比赛期间房间使用负荷差异较大，故选用3台水冷螺杆式冷水机组，空调水系统设计采用一次泵变流量系统，在系统供回水总管处设压差旁通阀进行负荷侧流量调节。空调水系统分为两部分：一部分为风机盘管水系统；另一部分为空调机组水系统。系统定压补水采用低位闭式膨胀定压罐，定压点位于系统回水总管处。
2．3．4 其他
在各类设备控制机房和布置电子显示屏等散热量较大的设备的地方，设计独立的分体空调系统，在设备运行使用期间制冷降温，满足分区空调要求。
2．4 空调自动控制系统及比赛大厅气流组织
2．4．1 制冷机房控制
自动检测冷却水供回水温度：自动检测制冷机、冷却塔的运行状态、故障报警并根据测量值计算系统冷负荷，以实现制冷机运行台数的最优控制。根据冷水供回水压力，自动调节冷水供回水管间旁通阀的开度，以保证管网的压差和流量平衡。
2．4．2 空气调节系统
自动检测各机组回风口(新风)温度，各机组盘管回水管上的回水温度，实现防冻保护；各机组防火阀的状态，并实现与送风机连锁；各机组送风机前后压差状态，实现风机故障报警。根据送风温度及设定值，自动调节各机组管回水阀开度，以保证房间温度达到设定值。
2．4．3 观众区送、回风方式
综合考虑建筑使用功能和节能要求，将比赛大厅观众区划分为8个空调风系统，设计了座椅下送风、屋架顶部回风、排风，空调机组设置在空调机房内的空调送风方式，这样既能使观众得到充足的新风，又能避免把灯光负荷和屋顶吸热产生的空调负荷带入观众区，使空调负荷大为减小，节能效果明显。
2．4．4 比赛区送回风方式
将比赛场地及活动座位观众区划分为4个空调风系统，设计了喷口上送风、看台下侧回风的空调送风方式，这样既可保证比赛场地及活动座位观众区平时的空调送风，又可在比赛区有小球比赛时关掉喷口侧送风，保证比赛区的风速不大于0．2m/s，满足比赛要求；尤其是在冬季使用场馆时，可提前运行此系统使场地内温度迅速提高，满足使用要求。
2．5 供暖系统
2．5．1 供暖方式
对于位于建筑出入口的2层观众休息大厅，考虑到建筑空间高度和使用功能及落地玻璃窗的装修要求，采用散热器供暖系统难以满足使用要求，因此，设计了独立的低温地板辐射供暖系统，以满足大空间的供暖效果和建筑美观要求；训练厅及其他辅助用房考虑比赛使用时的空调运行和平时的值班温度供暖，设计了散热器供暖系统，并配置了温控阀，，这样既满足了使用功能要求，又节约了能源。
2．5．2 供暖系统
本工程供暖系统为一次泵变流量系统，供暖系统以下供下回双管同程式系统为主。散热器供暖系统和低温地板辐射供暖系统分别设计换热机组，换热机组和系统定压补水装置集中设置在冷热源机房内，系统采用低位闭式膨胀定压罐自动补水定压，系统定压点位于循环水泵吸入口处。散热器均采用装饰型内防腐钢制散热器，承压1.OMPa。在连接散热器的供水支管上设温控调节阀。管道系统采用镀锌钢管，管径小于等于32mm的，采用螺纹连接；管径大于32mm的，采用焊接或法兰连接。低温地板辐射供暖管道采用PB聚丁烯管材，埋地管道不允许有接头。穿过非采暖房间的供暖管道及其他需保温的供暖管道，其保温材料采用外包铝箔保护层的离心玻璃棉。供暖系统设备及附件未特别注明的，要求承压不小于1.OMPa。
2．5．3 供暖系统运行调节
为提高环境的舒适性和节能，在冬季比赛时采用空调系统和散热器供暖系统联合供暖的运行模式；在冬季非比赛时段，仅利用散热器供暖系统进行供暖，满足值班供暖温度，换热机组的一次水进口处设有电动调节阀，根据二次水出水温度调节一次水的水量，以达到环保、节能的目的。
3 节能设计
3．1 合理选取设计参数是基础
空调室内计算温、湿度的确定应取合理值，不能过低(夏季)或过高(冬季)。新风量的计算与取值，在保证卫生要求、生产工艺要求、符合规范要求的前提下尽量节省。
(1)室内温、湿度从节能的角度来确定其标准是节能的重要因素。空调系统能耗大小除与当地室外气象参数、建筑物的外围护结构及室内发热散湿量有关外，室内设计温、湿度标准也是直接影响负荷大小的重要因素。在保证生产工艺和人体健康的条件下，夏季将室内空气的设计温度每提高1℃ ，约可减少热负荷11．2％ ，节省量是极为可观的。同样，在夏季如将室内空气湿度由60％提高到70％ ，则可节约能量17％左右。据资料测算，仅仅将夏季室内空气的设计温度提高1℃ ，就可使空调初投资总额减低约6％ ，运行费用减少8％ 左右。
(2)新风量新风负荷占空调总负荷的20％ ～40％ ，对其标准值高低的取舍，与节能关系重大，不可忽视。引进新风主要是为了满足人员的卫生需求及部分工艺空调所需维持的室内外压差。而新风量的多少直接影响空调的负载，从而影响空调系统的主机、冷却塔、水泵、风机盘管等的耗电。
3．2 应尽量使用配有能量回收装置的空调器
工程设计中，经常由于空调房间某些工艺要求将空调系统设计成直流系统(如制药厂此类房间很多)，其排风和室外新风之间的温差在冬夏季很大，而这部分排风又带有一些污染物，所以不能直接进入空调系统，此时应对排风进行显热回收。室内回风在排至室外以前，先和室外进入的新风经显热回收器进行显热交换，经能量回收后再排到室外。而室外进入的新风则经过显热回收器后夏季温度降低，冬季温度升高，而达到能量回收目的。使用显热回收器在北方寒冷地区应注意防冻问题。新风应有二个入口，并在空调器排风出口处设一温度传感器，调节二新风入口处的电动阀开度，以保证排风出口处的温度高于5~C。否则显热回收器排风侧有结冰的危险，影响系统正常工作。带能量回收装置的空调器在其他排风量较大的空调系统也适用，如果排风无交叉污染问题，则可以用转轮式的全热回收器代替显热回收器，这样能量回收效率则更高。一般来讲，显热回收器最大能回收50％左右的能量，而全热回收器则最大能回收80％ 左右的能量。
3．3 从节能角度总体审核设计方案
(1)考虑逐时系数和同时使用系数。采用全空气系统时，空调机组应按负担房间的情况考虑各朝向房间的逐时系数(定风量系统为各房间逐时最大值之和，变风量系统为各房间逐时之和的最大值)，对水系统而言还应考虑各风系统的同时使用系数。
(2)根据建筑物的功能划分，对空调区域采取不同的空调方案在设计时将功能相近的各功能区采用一套空调系统，这样可以在提高系统的同时使用系数和空调负载率，有利于空调设备的高效运行。
结语
随着社会的进步，人民对生活质量的追求使得大空间建筑越来越多，对于这些大空间建筑的环境设备也要求在健康、舒适，以及能源有效利用等方面更趋合理，并不断完善。因此，暖通空调设备如何适应这种需要也是现代大空间建筑暖通空调设计中值得注意和探讨的问题。此外，由于暖通空调系统的节能占建筑节能的主要部分，所以进行暖通空调的节能设计对于降低建筑物的能耗有着重要的作用。此外这还关系到国家能源安全、资源消耗和環境污染是关系国计民生和国家可持续发展的重要行业，因此，暖通空调设计的从业人员应给予足够的重视。
参考文献
[1]公共建筑节能设计标准中国建筑工业出版社2005．5
[2]陆耀庆.HVAC暖通空调设计指南.中国建筑工业出版社.1996
[3]李强民.置换通风原理设计及应用.2000
[4]范存养.大空间建筑空调设计及工程实录.中国建筑工业出版社.2001
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
关键词:高大空间; 置换通风; 节能
Abstract: the hvac system energy saving accounts for the main part of the building energy efficiency, energy saving of the hvac design for reducing the energy consumption of the building has an important role. Through the large space building hvac system design engineering examples, this paper expounds the important link of the design process, to achieve the ultimate goal of saving energy and reducing consumption is of certain reference value.
Keywords: tall space; Displacement ventilation; Energy saving
中图分类号：S210.4 文献标识码：A 文章编号
前言
随着人类生活质量的提高，人们的生活内容越来越丰富，各种体育、休闲设施等公共建筑应运而生，这类建筑大都体积庞大，结构复杂，功能灵活(建筑功能多样化)，传统的空调通风方式已经不能充分发挥这类建筑的功能并创造优质的环境，同时随着能源问题的日趋紧张，如何进行暖通空调的设计、运行及管理既能满足人们对大空间建筑的舒适要求又能节约能源，是一个非常值得探索的研究方向。本文将结某体育馆的空调系统设计来分析大空间建筑的一些节能措施。
一、大空间暖通空调设计的难点
大空间暖通空调设计的难点主要体现在以下四个方面：
(1)大空间建筑设计往往需要有单独的冷热源，以满足空调、采暖、制冷、热水供应等方面的需求。由于用地紧张和其他一些原因，很多大空问建筑需要在地下室或屋顶上设置锅炉房，这使得大空间建筑的热源设计变得更为复杂。
(2)大空间建筑往往高度较高，这也加重了采暖系统的坚向失调，同时由于系统水静压力较大，直接影响到室外管网的水力工况，其系统的形式及与室外管网的连接与多层建筑有较大差异。
(3)大空间建筑的空调设计气流组织因温度梯度较大，需采用合理的送风方式。上送下回方式为从顶棚送风下部回风，现工程多采用可调节风量和射程的风口，提高冬季的送风风速；侧送下回方式送风口高度大多在3m左右，需要结合建筑装修设计布置风口位置以达到室内美观，同时需要精确的空调气流组织计算。
二、大空间建筑暖通空调系统设计实例
2．1 工程概况
某体育馆是一座单体建筑，该建筑主体在地上只有一层，建筑面积19795m 。体育馆平面呈半径约为56m的圆形，比赛大厅平面呈半径约为43m的圆形，可举办、篮球、排球、羽毛球、乒乓球等单项比赛。比赛大厅设2层看台，1层看台下空间主要用于布置运动员、管理人员、贵宾、后勤服务人员用房，2层主要用于布置观众休息厅、小卖部、卫生间等。
2．2 空调室内设计参数
室内空调设计参数见表1。
表1 室内主要空调设计参数
夏季 冬季新风量
室内温度/℃ 相对湿度/℃ 室内温度/℃ (m3 /(人.h))
26-28 55-65 16-18 20
注：乒乓球、羽毛球比赛时风速控制在0．2m／s以内，其余比赛控制在0．5m／s以内。
2．3 冷热源及空调水系统
2．3．1 热源
体育馆冬季采用市政热网供热，供水温度为110℃，回水温度为70℃，市政热源一次水供回水管道采用直埋敷设，直接接至冷热源机房。空调和供暖系统与市政热网均采用间接连接，分别经换热机组换热后提供空调和供暖系统用热水；空调系统热水供水温度为60℃ ，回水温度为50℃ ；散热器供暖系统热水供水温度为85℃，回水温度为60℃ ；低温地板辐射供暖系统热水供水温度为55℃，回水温度为45℃。有比赛时的设计计算总热负荷为4146 kW(包括新风负荷)，热负荷指标为203w/m2 ；无比赛时和满足值班供暖的设计计算总热负荷为761kW，热负荷指标为37 w/m2 。空调及供暖系统补水为市政自来水经全自动软水器处理后的软化水，由低位闭式膨胀定压罐自动补给。
2．3．2 冷源
夏季集中空调系统设计计算冷负荷为4202kW(包括新风负荷)，冷负荷指标为206 w/m2 。选用3台1410kW水冷螺杆式冷水机组，冷水供回水温度为7℃／12℃ ，冷却水供回水温度为32℃／37℃，制冷机房独立设置于体育馆西北侧。
2．3．3 空调水系统
由于体育馆使用的间歇性，在比赛与非比赛期间房间使用负荷差异较大，故选用3台水冷螺杆式冷水机组，空调水系统设计采用一次泵变流量系统，在系统供回水总管处设压差旁通阀进行负荷侧流量调节。空调水系统分为两部分：一部分为风机盘管水系统；另一部分为空调机组水系统。系统定压补水采用低位闭式膨胀定压罐，定压点位于系统回水总管处。
2．3．4 其他
在各类设备控制机房和布置电子显示屏等散热量较大的设备的地方，设计独立的分体空调系统，在设备运行使用期间制冷降温，满足分区空调要求。
2．4 空调自动控制系统及比赛大厅气流组织
2．4．1 制冷机房控制
自动检测冷却水供回水温度：自动检测制冷机、冷却塔的运行状态、故障报警并根据测量值计算系统冷负荷，以实现制冷机运行台数的最优控制。根据冷水供回水压力，自动调节冷水供回水管间旁通阀的开度，以保证管网的压差和流量平衡。
2．4．2 空气调节系统
自动检测各机组回风口(新风)温度，各机组盘管回水管上的回水温度，实现防冻保护；各机组防火阀的状态，并实现与送风机连锁；各机组送风机前后压差状态，实现风机故障报警。根据送风温度及设定值，自动调节各机组管回水阀开度，以保证房间温度达到设定值。
2．4．3 观众区送、回风方式
综合考虑建筑使用功能和节能要求，将比赛大厅观众区划分为8个空调风系统，设计了座椅下送风、屋架顶部回风、排风，空调机组设置在空调机房内的空调送风方式，这样既能使观众得到充足的新风，又能避免把灯光负荷和屋顶吸热产生的空调负荷带入观众区，使空调负荷大为减小，节能效果明显。
2．4．4 比赛区送回风方式
将比赛场地及活动座位观众区划分为4个空调风系统，设计了喷口上送风、看台下侧回风的空调送风方式，这样既可保证比赛场地及活动座位观众区平时的空调送风，又可在比赛区有小球比赛时关掉喷口侧送风，保证比赛区的风速不大于0．2m/s，满足比赛要求；尤其是在冬季使用场馆时，可提前运行此系统使场地内温度迅速提高，满足使用要求。
2．5 供暖系统
2．5．1 供暖方式
对于位于建筑出入口的2层观众休息大厅，考虑到建筑空间高度和使用功能及落地玻璃窗的装修要求，采用散热器供暖系统难以满足使用要求，因此，设计了独立的低温地板辐射供暖系统，以满足大空间的供暖效果和建筑美观要求；训练厅及其他辅助用房考虑比赛使用时的空调运行和平时的值班温度供暖，设计了散热器供暖系统，并配置了温控阀，，这样既满足了使用功能要求，又节约了能源。
2．5．2 供暖系统
本工程供暖系统为一次泵变流量系统，供暖系统以下供下回双管同程式系统为主。散热器供暖系统和低温地板辐射供暖系统分别设计换热机组，换热机组和系统定压补水装置集中设置在冷热源机房内，系统采用低位闭式膨胀定压罐自动补水定压，系统定压点位于循环水泵吸入口处。散热器均采用装饰型内防腐钢制散热器，承压1.OMPa。在连接散热器的供水支管上设温控调节阀。管道系统采用镀锌钢管，管径小于等于32mm的，采用螺纹连接；管径大于32mm的，采用焊接或法兰连接。低温地板辐射供暖管道采用PB聚丁烯管材，埋地管道不允许有接头。穿过非采暖房间的供暖管道及其他需保温的供暖管道，其保温材料采用外包铝箔保护层的离心玻璃棉。供暖系统设备及附件未特别注明的，要求承压不小于1.OMPa。
2．5．3 供暖系统运行调节
为提高环境的舒适性和节能，在冬季比赛时采用空调系统和散热器供暖系统联合供暖的运行模式；在冬季非比赛时段，仅利用散热器供暖系统进行供暖，满足值班供暖温度，换热机组的一次水进口处设有电动调节阀，根据二次水出水温度调节一次水的水量，以达到环保、节能的目的。
3 节能设计
3．1 合理选取设计参数是基础
空调室内计算温、湿度的确定应取合理值，不能过低(夏季)或过高(冬季)。新风量的计算与取值，在保证卫生要求、生产工艺要求、符合规范要求的前提下尽量节省。
(1)室内温、湿度从节能的角度来确定其标准是节能的重要因素。空调系统能耗大小除与当地室外气象参数、建筑物的外围护结构及室内发热散湿量有关外，室内设计温、湿度标准也是直接影响负荷大小的重要因素。在保证生产工艺和人体健康的条件下，夏季将室内空气的设计温度每提高1℃ ，约可减少热负荷11．2％ ，节省量是极为可观的。同样，在夏季如将室内空气湿度由60％提高到70％ ，则可节约能量17％左右。据资料测算，仅仅将夏季室内空气的设计温度提高1℃ ，就可使空调初投资总额减低约6％ ，运行费用减少8％ 左右。
(2)新风量新风负荷占空调总负荷的20％ ～40％ ，对其标准值高低的取舍，与节能关系重大，不可忽视。引进新风主要是为了满足人员的卫生需求及部分工艺空调所需维持的室内外压差。而新风量的多少直接影响空调的负载，从而影响空调系统的主机、冷却塔、水泵、风机盘管等的耗电。
3．2 应尽量使用配有能量回收装置的空调器
工程设计中，经常由于空调房间某些工艺要求将空调系统设计成直流系统(如制药厂此类房间很多)，其排风和室外新风之间的温差在冬夏季很大，而这部分排风又带有一些污染物，所以不能直接进入空调系统，此时应对排风进行显热回收。室内回风在排至室外以前，先和室外进入的新风经显热回收器进行显热交换，经能量回收后再排到室外。而室外进入的新风则经过显热回收器后夏季温度降低，冬季温度升高，而达到能量回收目的。使用显热回收器在北方寒冷地区应注意防冻问题。新风应有二个入口，并在空调器排风出口处设一温度传感器，调节二新风入口处的电动阀开度，以保证排风出口处的温度高于5~C。否则显热回收器排风侧有结冰的危险，影响系统正常工作。带能量回收装置的空调器在其他排风量较大的空调系统也适用，如果排风无交叉污染问题，则可以用转轮式的全热回收器代替显热回收器，这样能量回收效率则更高。一般来讲，显热回收器最大能回收50％左右的能量，而全热回收器则最大能回收80％ 左右的能量。
3．3 从节能角度总体审核设计方案
(1)考虑逐时系数和同时使用系数。采用全空气系统时，空调机组应按负担房间的情况考虑各朝向房间的逐时系数(定风量系统为各房间逐时最大值之和，变风量系统为各房间逐时之和的最大值)，对水系统而言还应考虑各风系统的同时使用系数。
(2)根据建筑物的功能划分，对空调区域采取不同的空调方案在设计时将功能相近的各功能区采用一套空调系统，这样可以在提高系统的同时使用系数和空调负载率，有利于空调设备的高效运行。
结语
随着社会的进步，人民对生活质量的追求使得大空间建筑越来越多，对于这些大空间建筑的环境设备也要求在健康、舒适，以及能源有效利用等方面更趋合理，并不断完善。因此，暖通空调设备如何适应这种需要也是现代大空间建筑暖通空调设计中值得注意和探讨的问题。此外，由于暖通空调系统的节能占建筑节能的主要部分，所以进行暖通空调的节能设计对于降低建筑物的能耗有着重要的作用。此外这还关系到国家能源安全、资源消耗和環境污染是关系国计民生和国家可持续发展的重要行业，因此，暖通空调设计的从业人员应给予足够的重视。
参考文献
[1]公共建筑节能设计标准中国建筑工业出版社2005．5
[2]陆耀庆.HVAC暖通空调设计指南.中国建筑工业出版社.1996
[3]李强民.置换通风原理设计及应用.2000
[4]范存养.大空间建筑空调设计及工程实录.中国建筑工业出版社.2001
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。