高大空間建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與節(jié)能作用分析

劉雅明，王超民

（1.中國(guó)新興建筑工程有限責(zé)任公司，北京 100009；2.北京市工業(yè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100055）

0 引言

隨著國(guó)家城市化建設(shè)的不斷發(fā)展，基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)步伐也在逐漸加快，國(guó)家對(duì)大型基建工程建設(shè)的投入也在增多，同時(shí)，要求加快更新建筑節(jié)能、市政基礎(chǔ)設(shè)施等標(biāo)準(zhǔn)，提高節(jié)能降碳要求。對(duì)于高大空間建筑，在實(shí)際的設(shè)計(jì)過(guò)程中往往都需要設(shè)置暖通空調(diào)系統(tǒng)，但受制于此類(lèi)建筑本身的特殊性，在實(shí)際的暖通空調(diào)設(shè)計(jì)中還存在著較多提升的空間。在高大空間建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計(jì)中，必須充分遵循功能達(dá)標(biāo)原則、綠色環(huán)保原則、經(jīng)濟(jì)適用原則以及以人文本原則。如果設(shè)計(jì)效果較差，會(huì)很大程度上影響暖通空調(diào)后續(xù)的正常性使用，還會(huì)對(duì)室內(nèi)的采暖通風(fēng)效果造成不利的影響。對(duì)此，就需要設(shè)計(jì)者重視對(duì)高大空間建筑暖通空調(diào)設(shè)計(jì)的分析，后續(xù)采取合理性的措施來(lái)實(shí)現(xiàn)其節(jié)能設(shè)計(jì)，以此提高資源的利用率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能分析及設(shè)計(jì)帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

1 建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計(jì)原則

1.1 功能達(dá)標(biāo)原則

在高大空間建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計(jì)中必須充分遵循功能達(dá)標(biāo)原則。暖通空調(diào)系統(tǒng)的主要功能是為建筑室內(nèi)提供采暖、通風(fēng)和空氣調(diào)節(jié)，所以無(wú)論如何設(shè)計(jì)，前提都必須確保其達(dá)到相關(guān)功能標(biāo)準(zhǔn)。由于不同建筑物的室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)各不相同，暖通空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計(jì)必須與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)保持一致，在此基礎(chǔ)上不斷對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行完善和優(yōu)化做到空調(diào)系統(tǒng)功能的達(dá)標(biāo)。

1.2 節(jié)能原則

暖通空調(diào)系統(tǒng)在日常運(yùn)行中，對(duì)能源的需求量較多，由此引發(fā)的環(huán)保問(wèn)題也日益突出。所以，設(shè)計(jì)人員要對(duì)高大空間暖通空調(diào)系統(tǒng)工作原理、功能性充分了解，堅(jiān)持綠色節(jié)能設(shè)計(jì)理念，對(duì)溫度進(jìn)行調(diào)整，在保證系統(tǒng)功能充分發(fā)揮的同時(shí)，將能源消耗降到最低值。在具體設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)可以使用高效節(jié)能的技術(shù)及設(shè)備，制定完善的方案，科學(xué)合理簡(jiǎn)化整個(gè)系統(tǒng)流程，在施工成本方面嚴(yán)格控制。

1.3 安全性原則

高大空間建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)是否具備安全性，不僅影響空調(diào)系統(tǒng)功能的發(fā)揮，且直接影響用戶(hù)的安全。它不同于普通分體空調(diào)，其系統(tǒng)具有一定的復(fù)雜性，設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中，維護(hù)工作也比較煩瑣。以北方為例，熱源如采用鍋爐房提供，則設(shè)計(jì)時(shí)需要對(duì)鍋爐房進(jìn)行合理規(guī)劃，以便日后維護(hù)及維修，設(shè)計(jì)時(shí)管道工作壓力等需要做詳細(xì)計(jì)算，設(shè)備運(yùn)行前做好壓力試驗(yàn)，泄漏試驗(yàn)等，避免存在安全隱患或在后續(xù)運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)問(wèn)題[1]。對(duì)漏氣事故進(jìn)行預(yù)防，做好事故通風(fēng)等系統(tǒng)措施等?？傊?，在設(shè)計(jì)暖通空調(diào)系統(tǒng)時(shí)，不管是在哪個(gè)環(huán)節(jié)，都需要嚴(yán)格按照行業(yè)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，確保達(dá)到安全標(biāo)準(zhǔn)。

2 建筑工程暖通空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)應(yīng)用中存在的問(wèn)題

2.1 設(shè)計(jì)理念落后重視程度不夠

設(shè)計(jì)者很難改變固有思維的設(shè)計(jì)理念，如選用系統(tǒng)單一、選用設(shè)備安全系數(shù)較大，容量過(guò)大等，造成空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能性差。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，當(dāng)今社會(huì)面臨著能源短缺的嚴(yán)重挑戰(zhàn)，必須盡最大努力開(kāi)發(fā)能源利用最大化的方法，合理使用所有能源。近年來(lái)我國(guó)開(kāi)始實(shí)行節(jié)能減排政策，空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)得到逐漸推廣。設(shè)計(jì)者一定要具先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念，要有節(jié)能設(shè)計(jì)的意識(shí)，要增強(qiáng)低碳和綠色生態(tài)意識(shí)，通過(guò)設(shè)計(jì)提高人們對(duì)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能的重視，以能夠進(jìn)一步推廣空調(diào)節(jié)能系統(tǒng)的應(yīng)用。

2.2 空調(diào)系統(tǒng)方案的選擇

對(duì)于不同的高大空間建筑的使用功能及建筑特點(diǎn)，要通過(guò)計(jì)算、模擬等對(duì)比選出比較適合的空調(diào)方案，能源供給方案，保證所選方案的最優(yōu)化。如蓄冷技術(shù)方案、吸收式制冷方案、熱泵空調(diào)系統(tǒng)與氟系統(tǒng)等。每種方案都有各自的優(yōu)勢(shì)與特點(diǎn)，分別適用于不同環(huán)境與條件下的建筑。在冷熱源方案選擇方面，應(yīng)需要經(jīng)過(guò)多方比較分析，選擇既適合建筑功能特點(diǎn)與使用要求，又能保證空調(diào)系統(tǒng)可靠性與高效性的方案。同時(shí)，設(shè)計(jì)過(guò)程中要驗(yàn)證計(jì)算數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，是否存在系數(shù)過(guò)大等情況，嚴(yán)格按照規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)。因此設(shè)計(jì)、計(jì)算、檢查和分析每個(gè)環(huán)節(jié)均很重要。

3 高大空間建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與節(jié)能策略

3.1 高大空間建筑分層空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

①由于高大空間公共建筑跨度較大，在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)置風(fēng)口位置時(shí)需考慮其風(fēng)速與溫差的有效控制，回風(fēng)口與送風(fēng)噴口盡量安裝在同側(cè)，使工作區(qū)與回流區(qū)重疊，確保工作區(qū)能夠正常使用空調(diào)系統(tǒng)。②采用分層空調(diào)系統(tǒng)時(shí)應(yīng)注意在進(jìn)行冷負(fù)荷計(jì)算時(shí)，要充分考慮工作區(qū)和非工作區(qū)域存在的熱輻射和對(duì)流問(wèn)題，需采用分層計(jì)算的方式計(jì)算，而熱負(fù)荷計(jì)算時(shí)要以全空間為準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算。③若采用側(cè)送形式應(yīng)根據(jù)季節(jié)對(duì)送風(fēng)角度、相關(guān)閥門(mén)等進(jìn)行調(diào)節(jié)，提高分層空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行效率的同時(shí)豐富高大空間暖通空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)內(nèi)容。高大空間公共建筑采用分層空調(diào)系統(tǒng)能在保證室內(nèi)空調(diào)要求的前提下最大限度地節(jié)省能源，達(dá)到節(jié)能環(huán)保的效果。氣流組織形式的合理設(shè)計(jì)對(duì)于分層空調(diào)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)至關(guān)重要，而側(cè)送下回的氣流組織方式不僅實(shí)現(xiàn)了工作區(qū)的空調(diào)要求，還能使經(jīng)濟(jì)節(jié)能與舒適性有效統(tǒng)一，因此側(cè)送下回的送風(fēng)方式被廣泛應(yīng)用。

3.2 下送風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)

下送風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)常見(jiàn)于大型劇院或影院等觀眾相對(duì)集中的高大空間建筑，這類(lèi)建筑對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的降噪水平要求較高，因而設(shè)計(jì)實(shí)踐中大多使用“下方送風(fēng)、上方回風(fēng)”的低速空調(diào)系統(tǒng)。下送風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的送風(fēng)口一般設(shè)置在座椅下方，設(shè)計(jì)人員通常會(huì)將送風(fēng)通道隱藏在座椅地面的夾層結(jié)構(gòu)中，并在安裝后及時(shí)做降噪和防火處理；下送風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的回風(fēng)口則設(shè)置在觀眾密集區(qū)域的建筑頂棚上。與此同時(shí)，為保證觀眾的舒適度，設(shè)計(jì)人員還需要嚴(yán)格控制送風(fēng)溫差，一般將溫差控制在4℃左右即可。下送風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行期間，室內(nèi)溫度自下而上逐漸上升，但觀眾密集區(qū)域卻能保持相對(duì)穩(wěn)定的濕度和溫度。區(qū)域內(nèi)氣流分布比較均勻，空調(diào)送風(fēng)量較小，運(yùn)行負(fù)荷不大，因而設(shè)計(jì)人員在選擇空調(diào)時(shí)不需要過(guò)多考慮參數(shù)。此外，還應(yīng)注意的是，因?yàn)樽蜗路降乃惋L(fēng)口離觀眾比較近，所以設(shè)計(jì)人員要在確保溫差達(dá)標(biāo)的基礎(chǔ)上，嚴(yán)格控制該區(qū)域的送風(fēng)流量和實(shí)際溫度，使系統(tǒng)的送風(fēng)速度不超過(guò)1.8m/s，以確?？照{(diào)氣流傳送到觀眾腿部的實(shí)際速度不超過(guò)0.2m/s，從而在落實(shí)節(jié)能環(huán)保理念的同時(shí)，滿(mǎn)足觀眾的舒適度等需求。

3.3 通風(fēng)與防排煙系統(tǒng)

高大空間建筑工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮建筑本身的結(jié)構(gòu)特征、使用規(guī)律、功能需求，平面布局等設(shè)置相適用的通風(fēng)排煙系統(tǒng)。

（1）高大空間的通風(fēng)設(shè)計(jì)可結(jié)合空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)共同設(shè)置，如空調(diào)系統(tǒng)為全空氣系統(tǒng)，可采用一次回風(fēng)系統(tǒng)，滿(mǎn)足房間通風(fēng)換氣要求。若空調(diào)系統(tǒng)非全空氣系統(tǒng)，則需單獨(dú)設(shè)置送排風(fēng)系統(tǒng)。通?？紤]經(jīng)濟(jì)及節(jié)能性，設(shè)計(jì)優(yōu)先采用自然通風(fēng)系統(tǒng)。若無(wú)自然通風(fēng)條件，則采用機(jī)械送排風(fēng)系統(tǒng)，自然通風(fēng)面積及機(jī)械通風(fēng)換氣次數(shù)均應(yīng)滿(mǎn)足規(guī)范要求。

（2）高大空間建筑的排煙系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)同樣優(yōu)先采用自然排煙系統(tǒng)，其次選擇采用機(jī)械排煙系統(tǒng)。對(duì)于公共建筑及工業(yè)建筑中空間凈高大于6m 的場(chǎng)所，排煙量均比較大且按空間凈高遞增，凈高大于9m 的空間，均按9m 取值。排煙量及自然排煙口的面積、設(shè)置原則應(yīng)滿(mǎn)足《建筑防煙排煙系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[2]的規(guī)定?？傊徽撃姆N建筑必須滿(mǎn)足消防要求，保證消防系統(tǒng)安全性，才能確保人員安全，降低突發(fā)事故時(shí)人們的財(cái)產(chǎn)經(jīng)濟(jì)的損失。

3.4 高大空間射流角度優(yōu)化設(shè)計(jì)

對(duì)于高大空間，分層空調(diào)是采用比較廣泛的一種空調(diào)方式，分層空調(diào)是指僅對(duì)下部區(qū)域設(shè)置空調(diào)系統(tǒng)，而對(duì)上部區(qū)域不設(shè)置空調(diào)系統(tǒng)的空調(diào)方式，與全室空調(diào)相比，具有節(jié)省初投資和運(yùn)行能耗低等特點(diǎn)。分層空調(diào)通常采用噴口送風(fēng)方式，做法是將噴口安裝在空間的周邊側(cè)墻，以4~12m/s 的速度、8~12℃的溫差及一定的角度射流，經(jīng)氣流衰減，使回流經(jīng)過(guò)人員活動(dòng)區(qū)帶走熱量和濕量。如高鐵站換乘大廳這種跨度較大的高大空間一般采用了雙側(cè)對(duì)噴的送風(fēng)方式。從資料調(diào)研發(fā)現(xiàn)，噴射角度是影響送風(fēng)效果的關(guān)鍵因素。在設(shè)計(jì)中，利用流體仿真軟件Fluent 對(duì)不同送風(fēng)角度下[3]，換乘廳的速度場(chǎng)及溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬計(jì)算，以便得到整個(gè)設(shè)計(jì)空間的空氣流速及溫度的分布，分析不同送風(fēng)角度對(duì)室內(nèi)氣流流動(dòng)與溫度分布的影響。通過(guò)模擬結(jié)果可以將系統(tǒng)送風(fēng)口的設(shè)計(jì)安裝角度做到最優(yōu)的調(diào)整，以達(dá)到最佳的使用效果。

3.5 引進(jìn)變流量節(jié)能系統(tǒng)，合理使用變頻技術(shù)

暖通空調(diào)在使用的過(guò)程中，由于外界的溫度和濕度都會(huì)發(fā)生改變，導(dǎo)致空調(diào)系統(tǒng)的負(fù)荷有所改變，在這種情況下，如空調(diào)設(shè)備及水泵等一直都使用原來(lái)所設(shè)定的頻率運(yùn)行，那么就會(huì)耗費(fèi)大量的電能。設(shè)計(jì)時(shí)可選用變頻設(shè)備，根據(jù)負(fù)荷的變化實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)，通過(guò)變頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)達(dá)到節(jié)能減排的目標(biāo)。

在高大空間建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，大多數(shù)都會(huì)使用中央空調(diào)，而7℃是中央空調(diào)冷水機(jī)組冷凍水供水溫度最佳數(shù)值，設(shè)置時(shí)不要太低或太高。如果冷凍水供水溫度提高到9～10℃，高大空間建筑中室內(nèi)舒適度變化不會(huì)太大，但會(huì)降低冷水機(jī)組能耗。冷凍水供回水溫差5℃是中央空調(diào)供回水溫差最佳數(shù)值，可靈活調(diào)節(jié)至8℃左右，流量、溫差保持反比例，如果流量小則選擇的溫差要大，以免大流量時(shí)出現(xiàn)小溫差運(yùn)行情況。32℃是中央空調(diào)冷卻水進(jìn)水溫度最佳值，可自由調(diào)節(jié)在24～32℃。目前，高大空間建筑中暖通空調(diào)設(shè)計(jì)中，要保證溫度、節(jié)能需求，就要結(jié)合運(yùn)行試驗(yàn)情況，對(duì)不同機(jī)組進(jìn)行選擇，確保空調(diào)內(nèi)冷凍水進(jìn)水的溫度，同時(shí)，使冷水機(jī)組處于合理溫度時(shí)COP 值是最高的。將5℃設(shè)定為冷凍水進(jìn)出口水溫差最佳值，45Hz 設(shè)定為循環(huán)泵變頻器上限，30Hz 為變頻器下限[4]。如果空調(diào)冷水機(jī)組冷凍水供水量比最小流量要高，那么表明變頻器下限頻率設(shè)計(jì)是合理且高效的。中央空調(diào)符合高大空間建筑節(jié)能減排要求，但是，需要重視變頻器運(yùn)行過(guò)程中頻率的設(shè)計(jì)，在保證運(yùn)行安全平穩(wěn)的同時(shí)，達(dá)到節(jié)能目的。

3.6 地面輻射供冷供暖系統(tǒng)

根據(jù)高大空間建筑功能設(shè)計(jì)使用需求，可通過(guò)采用地面輻射供冷供暖系統(tǒng)，可減小室內(nèi)垂直方向上的溫度梯度、提高熱舒適性。地面輻射供冷系統(tǒng)供回水由冷水機(jī)組提供，經(jīng)板換后供回水溫為16℃/19℃；地面輻射供暖系統(tǒng)供回水由鍋爐提供，經(jīng)板換后水溫為35~45℃。使用時(shí)可根據(jù)室溫打開(kāi)或關(guān)閉集分水器閥門(mén)。特別對(duì)于密集型的高大空間建筑，人員本身發(fā)熱，使得人員區(qū)域的溫度偏高，送風(fēng)與室內(nèi)空氣摻混后，溫度提升，全空氣系統(tǒng)不能有效地送至下部區(qū)域。而當(dāng)采用地面輻射供冷時(shí)，地面溫度較低，一方面可以承擔(dān)室內(nèi)顯熱負(fù)荷，另一方面能夠促使送風(fēng)更加緊密地貼近地面，讓處于地面一定高度的人員能夠呼吸到新鮮的空氣。

3.7 合理應(yīng)用可再生能源

在人們生活的自然環(huán)境中存在著很多的可再生資源，如潮汐能、地?zé)崮芤约疤?yáng)能等，在暖通空調(diào)系統(tǒng)安裝的過(guò)程中，如果想要充分發(fā)揮節(jié)能環(huán)保的理念，就可以通過(guò)運(yùn)用這些可再生資源來(lái)實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)人員可以利用電能等高品位能源方法來(lái)進(jìn)行低品位和高品位能源的轉(zhuǎn)換，在夏天，可以利用地源熱泵將冷源傳遞至溫度較高的地方來(lái)，降低室內(nèi)溫度，而且也可以應(yīng)用太陽(yáng)能來(lái)收集熱量或設(shè)置太陽(yáng)能集熱墻等減少暖通空調(diào)對(duì)環(huán)境的消耗，通過(guò)利用可再生能源，也可以維持暖通空調(diào)正常的運(yùn)行[5]。

3.8 提高冷熱循環(huán)回收利用的工作效率

在進(jìn)行暖通空調(diào)的設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)將舒適、舒緩的送風(fēng)方式視為基本設(shè)計(jì)原則?；诖?，暖通空調(diào)系統(tǒng)需要回收熱量并將排風(fēng)中的熱量轉(zhuǎn)化為新的能源。這樣不僅可以降低暖通空調(diào)的能耗，還可以減少余熱污染到環(huán)境。實(shí)施回收設(shè)計(jì)需要正確選擇設(shè)備以確保能源消耗的回收。在污染或能源消耗增加的情況下，設(shè)計(jì)應(yīng)基于使用者的位置來(lái)考慮，確保暖通空調(diào)系統(tǒng)熱回收的高效率應(yīng)用。

4 結(jié)語(yǔ)

如今，形式多樣、功能復(fù)雜的高大空間建筑越來(lái)越多，這給暖通空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和安裝帶來(lái)許多新挑戰(zhàn)。另外，隨著國(guó)家大力提倡節(jié)能環(huán)保理念以及國(guó)民環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，設(shè)計(jì)人員需要根據(jù)建筑工程的不同情況來(lái)綜合考慮建筑布局、使用功能、使用時(shí)間、室內(nèi)環(huán)境要求等內(nèi)容來(lái)制訂最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案，從而滿(mǎn)足建筑使用需求，實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保目標(biāo)。