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【菱泰能源】浅谈公共建筑空调系统的绿色节能设计

本文来源: 菱泰能源 责任编辑: 发布日期:2017-11-02

    2015年起实施的 GB/ T 50378 2014 绿色建筑评价标准 为绿色节能建筑规定了一系列评价标准 也为绿色建筑的节能设计指出了努力方向 舒适和节能历来是暖通空调设计的不懈追求 以能耗换舒适 在适当舒适的条件下求节能 两者辩证统一 缺一不可 在当下建筑业绿色节能的大背景下 科学 创新和优化暖通空调专业的设计技术 使之达到绿色建筑的评价标准尤为重要

笔者多年从事空调系统的设计与研究 有一些初浅的体会与同行分享

1  系统设置与分区控制

    空调系统设计应合理考虑系统设置与分区 以降低在部分负荷 部分空间使用下的系统能耗

1.1  空调风系统设置与分区原则

    1) 使用时间、温湿度参数等要求条件不同和新风比相差悬殊的空调区域,宜各自设置独立的空调风系统。

    2) 在使用时间内,供冷供热需求不同的空调区域,宜各自设置独立的空调风系统,以避免再热损失。

    3) 当局部区域采取空调系统能满足使用要求时,宜采用分层或分区空调方式,不应采用全室空调方式。

1.2  各种空调系统设计要点

    1) 全空气定风量系统一般用于无需细分区域进行区域温度控制的大空间(如商场、大会议厅、大堂等),不适宜于多房间场合。设计重点在于根据使用时间、温湿度等要求划分空调系统。特别是如果把不同时使用的空间划在同一系统,不仅会给运行与调节造成困难,也会浪费能源。

    2) 风机盘管、变制冷剂流量多联机及水环热泵等系统适用于多房间或大空间需要分区控制的场合,通常根据房间的负荷要求配置空调末端,具备房间温度分别控制和不使用房间可随时关闭的功能。机房侧四管制但用户侧两管制的风机盘管水系统或普通型变制冷剂流量多联机系统设计时,要按房间朝向和负荷特性归类并配置不同的水系统或变制冷剂流量系统,防止冬季时系统难以应对可能同时出现的冷、热负荷。 

    3) 全空气变风量空调系统适宜于需细分区域,且要求区域温度控制的大空间(如大空间办公)和多房间场合。不使用房间或区域也可以随时关闭系统,同时系统部分负荷时可使风机变频调速节能,是比较理想的分区控制方式。

    ① 单冷型或冷热型变风量空调系统,虽可调节房间或区域温度,但单冷型系统不可供热,仅能用于供冷的区域;而冷热型系统不可同时供冷供热,因此应按照房间的朝向设置系统。如:冬季下午外区西、南向房间在日射负荷下可能要供冷,而东、北向房间则要供热,所以要分别设置空调系统。

    ② 再热式风机动力型变风量空调系统外区末端既可供冷又可通过再热实现供热,系统可以同时处理不同房间的冷、热负荷。缺点是内外区合一系统全年送冷风,冬季外区末端在一次冷风最小风量下再热,存在空调风道系统内的冷热抵消,节能性差一些。

    ③ 组合式变风量空调系统通过单风道系统与周边的风机盘管、散热器等末端结合,冬季既可以分别处理外区的冷、热负荷,又避免了末端再热产生的空调风道系统内的冷热抵消,是一种值得推荐的方式。缺点是外区窗边增加了一些末端设备及管道。

    4) 分层空调是一种仅对有人员活动的高大空间下部进行空调,而不对上部非人员活动空间进行空调的特殊空调方式。与全室性空调相比,分层空调夏季可节省冷量30%左右。建筑空间高度大于或等于10 m且体积大于1 000 m3 时,宜采用分层空调系统。广义来看,分层空调也符合绿色建筑要求的仅对使用区域进行空调的分区控制理念。值得注意的是由于热空气上升造成上热下冷的温度梯度,分层空调在冬季供暖工况下并不节能,所以比较适合全年仅有冷负荷或冷、热负荷比值较大的场合。


2  变速节能

    空调系统风机采用双速或变速运行,降低部分负荷、部分空间使用下的空调系统能耗。公共建筑空调系统可以通过下列方式实现风机变速节能。

    1) 全空气定风量系统的部分负荷控制通常是系统风量不变、调节送风焓差,即调节冷却或加热盘管的水流量控制室内温度;也可以是送风焓差不变、调节风量,即调节冷却或加热盘管水流量控制送风温度,再变速调节风机风量控制室内温度。部分负荷下减小风机风量可以实现风机节能,工程上也有称其为区域变风量系统。

    2) 全空气变风量系统部分负荷控制逻辑是各变风量末端通过调节送风量控制区域或房间的温度。自控系统根据系统的风量需求变速调节空调箱风机转速。部分负荷下减小风机风量可以实现风机节能。

    3) 集中新、排风系统为了减少新风能耗,可以在各楼层或各区域设置新、排风定风量装置(CAV)。根据室内外CO2浓度差自动调节新、排风量设定值,也可以切断停用楼层或停用区域的新、排风供给。由此,集中新、排风系统已变为变风量新、排风系统,需要配置变速新、排风机,根据系统的风量需求变速调节新、排风机转速,可以实现风机节能。


3  排风热回收

     集中通风空调系统是否采用排风热回收装置,与当地的气象条件、室内工况以及全年利用时间有直接关系。设计时应把握如下要点。

     1) 有人员长期停留且不设置集中新风、排风系统的空调区(房间),宜分别安装带热回收功能的双向换气装置。

     2) 设置排风热回收的系统,应计算全年实际能量回收量,选用实际能量回收效率应符合下列要求:

     ① 采用显热回收时,其实际回收效率不应小于55%;采用全热回收时,其实际回收效率不应小于48%;溶液循环式实际回收效率不应小于40%。

     ②  实际能量回收效率 可按照排风量和新风量的比例 R 用下列近似方法修正:


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式中   η2 为实际排风量条件下的热回收效率 η1 为额定热回收效率

精确计算应根据具体产品技术资料 或参考 实用供热空调设计手册 》( 第二版 ) 2471 页图 32.412 对应于 计算风量比 的数值

     ③  空气—空气能量回收装置的额定换热效率 (在标准规定的装置性能测试工况下 R =1 ) 应达到表 1 的规定

1   风热回收装置的换热效率


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      3)排风热回收装置选用原则

      ① 冬季也需要除湿的空调系统 应采用显热回收装置

      ② 根据卫生要求新风与排风不能直接接触的系统 应采用内部漏风率小的空气-空气能量回收装置 其新风侧的压力应大于排风侧

      4) 设计参数

面风速3 m/s 左右 不大于4.5 m /s R=0.75 1.33 风阻力不大于200 Pa

      5) 旁通措施:

非热回收季还需使用的各种排风系统其热回收装置应考虑旁通措施。热回收装置运行时因转动需要电动机拖动及空气阻力需消耗额外的电能,这些电能用于电制冷(热泵)机组可以产生相应的冷(热)量,当排风热回收量小于额外电能所能产生的相应冷(热)量时,热回收就变得得不偿失,应该开启旁通,停止热回收。如果系统阻力差异较大,应考虑新风机和排风机的变频调速,防止因风机参数过度变化而降低风机效率。

     6) 过滤与防冻:

    ① 排风热回收装置的新、排风进风侧都应设置计重效率为90%的粗效空气过滤器,以防淤塞热回收装置;

    ② 严寒地区当室内外状态连线与饱和线相交时,排风热回收装置上可能会结露、结冰,甚至造成阻塞,为此应对新风进行预热。


4  自然供冷

    公共建筑体量大,过渡季、冬季内区空调系统仍有部分冷负荷,实现自然供冷(也称为免费冷却,free cooling)、减少人工制冷是过渡季和冬季节能的主要手段。自然供冷有多种方式,最节能的是自然通风。当室外温度合适、空气品质良好时应优先采用自然通风方式。其次是全(变)新风供冷(空气节能模式,air economizers)和冷却塔供冷(水节能模式,water economizers)。空气和水2种节能模式各有利弊:全(变)新风供冷方式节能量大,过渡季、冬季可利用时间较长,缺点是要有较大的新、排风出入口,并要作好进、排风量平衡;冷却塔供冷方式简单易行,建筑配合要求少,缺点是只有冬季室外温度很低时才能得到适用温度的冷水,过渡季难以应用,节能量少,较适合北方寒冷地区。

4.1  自然通风

     1) 建筑设计上应充分利用风压或热压作用进行过渡季的自然通风。宜对建筑物的室外气流和室内速度场、温度场进行计算机数值模拟,以优化自然通风效果。

     2) 严寒、寒冷与夏热冬冷地区的自然通风设计应兼顾冬季防寒要求,如设置门斗;自然通风器、拔风井及双层呼吸幕墙的通风口在自然环境不利时需有可控制和有效关闭的措施。

4.2  全(变)新风供冷

    当室外自然环境不利、温湿度不适或空气污染而无法进行自然通风时,可以采用全(变)新风供冷方式。

     1) 全空气系统,无论是定风量还是变风量空调系统都可以采用全新风或变新风比运行,既可以有效地改善空调区内空气的品质,又能够节省大量空气处理所需冷量,其设计要点如下:

     ① 设计全(变)新风系统时需同时考虑好相应的排风措施,以求室内空气平衡。当回风管阻力大于150 Pa时,宜采用送、回双风机系统,否则可采用送、排双风机系统。后者因排风机无需负担全部回风量,故风机能耗较小,但必须采用变频风量调节措施。

     ② 塔楼由于新、排风管井受限,为实现全(变)新风供冷,应尽可能将空调机房设于外墙边,或设法把新、排风口引至外窗百叶,避免采用集中新、排风系统。南方地区在进行全(变)新风运行时,也可以利用排风井道改送新风,把集中排风系统切换为集中新风系统以增加新风量,同时采用楼层电动排风窗正压排风。

     ③ 全(变)新风供冷运行在原理上应采用新、回风焓差法控制,实现工况转换。当新风比焓高于回风比焓时为最小新风工况;新风比焓低于回风比焓、但高于送风比焓时为全新风工况,但此时仍需要盘管供冷处理到送风比焓;当新风比焓低于送风比焓时,为变新风工况,新回风混合到送风参数,不再需要盘管供冷。由于自控系统中焓值测量比较困难,可以用固定温度法代替焓差法。干燥、适中和潮湿地区室外新风比焓与回风比焓相等时,如设定相对湿度分别约为50%,64%和85%,对应的新风干球温度分别为24,21,18 ℃,可以分别作为干燥、适中和潮湿地区工况转换判别的固定温度。过渡季全新风与变新风工况转换的判别参数则为送风温度,当新风温度低于送风温度即进入变新风工况。用固定温度法代替焓值法,因近似假定了相对湿度,误差范围约为10%,但大大增加了工程可实施性。

    ④ 冬季室外含湿量很低,大量引入新风需增加加湿量,有时还需要先预热再加湿。

    ⑤ 全(变)新风供冷运行时送风温度是个很关键的控制参数,由于冬季内区冷负荷和外区热负荷会有相当的抵消,过渡季从外区也会渗入部分凉爽空气,内区冷负荷比夏季有所减小,应该适当提高送风温度,这样不仅可以更多地利用新风供冷,减少人工制冷,也可以保证系统风量和气流组织。

    2) 风机盘管加新风系统。公共建筑裙房内区有大量小空间的餐厅、会议室、商店和娱乐场所,全年冷负荷较大。因需要独立的房间温度控制,多采用风机盘管加新风系统。为了减少过渡季、冬季的供冷能耗,也可以通过加大新风系统的新风量,实现部分的新风供冷。其设计要点如下。

   ① 内、外区新风系统分开设置,承担新风供冷的新风系统严格限于内区房间。

   ② 新、排风系统风管的风量按最小新风量的23倍设计,并配置相应的变频调速风机以适应不同工况。

   ③ 由于房间新风口不具备根据室温控制新风量的功能,所以各房间风机盘管应采用联网控制方式,监视各房间室内温度和风机盘管的冷水电动两通阀状态。夏季按最小新风量(由初步调试确定新风风机频率)送新风,过渡季、冬季控制程序自动缓慢调节风机频率增加或减少新风量,直到所有使用的房间中至少有1个风机盘管(A)的冷水电动两通阀较长时间不开启。此时除了风机盘管(A)服务的房间外所有其他使用中的房间都处于部分新风供冷且部分人工供冷状态。或者说新风提供了基础冷量,而风机盘管人工供冷则控制着房间温度。

   ④ 新风管应接到风机盘管送风箱,但风机盘管风机需持续运行,新、回风混合后送到室内以防止室外冷风直接送到室内。排风宜从吊顶内抽取,以防止房间内新、排风量失衡。

4.3  冷却塔供冷

   当室外自然环境不利、温湿度不适或空气污染无法进行自然通风时,也可以采用冷却塔供冷方式。

   1) 开式冷却塔方式。由于开式冷却塔水质较差且通常水位低于空调水系统,宜用被冷却塔冷却后的水作为一次水,通过板式换热器换热,提供二次空调冷水。如果能够有效控制水质或不考虑水质问题,只要开式冷却塔水位高于空调水系统,也可以不设板式换热器,一次水直接进入空调水系统。

   2) 闭式冷却塔方式。如果采用闭式冷却塔则可不通过板式换热器,直接接入空调水系统。但闭式冷却塔缺点是价格高、体积大、耗电多、水温高。

   3) 冬季冷却塔蒸发作用减弱,主要靠显热交换,冷辐高通常约为78 ℃,还需再经板式换热器换热。所以,要取得15 ℃以下可用的空调冷水,室外湿球温度约在67 ℃以下,限制了能够有效应用的地域和时间。有研究表明,降低冷却塔水流量、减小水气比,可以有效降低冷辐高,但也增加了单位冷量下冷却塔风机耗电量,所以应按当地过渡季或冬季的气候条件,计算空调末端需要的供水温度及冷却水能够提供的水温,并考虑增加的投资和回收期,当技术经济合理时酌情采用。

无论开式或闭式冷却塔都需有防冻措施。


5  系统优化

5.1  大温差送风

    GB 50189—2015《公共建筑节能设计标准》第4.3.20条和条文说明认为:“空气调节系统采用上送风气流组织形式时,宜加大夏季送风温差,对于湿度要求不高的舒适性空调而言,降低一些湿度要求,加大送风温差,可以达到很好的节能效果。”对于办公室一类散湿量较小、热湿比较大的全空气系统拘泥于室内相对湿度50%以上,会使室内送风温度较高,风量、风管、设备和风机能耗都很大。设计时应首先确定10 ℃以上的送风温差,当室温25 ℃时,送风温度15 ℃以下,考虑风机和风管温升,盘管出风温度约为13 ℃以下,室内相对湿度则可以浮动。

5.2  控制冷热混合损失

    GB 50189—2015《公共建筑节能设计标准》第4.3.15条要求:“空气调节内、外区应根据室内进深、分隔、朝向、楼层以及围护结构特点等因 素划分。内、外区宜分别设置空气调节系统”。其条文说明认为:“这样,不仅方便运行管理,易于获得最佳的空调效果,而且还可以避免冷热抵消,降低能源的消耗,减少运行费用”。GB 50189—2005《公共建筑节能设计标准》第5.3.10条还提出注意防止冬季室内冷、热风的混合损失。所谓冬季冷、热抵消和冷、热混合损失可分为2类。

    1) 第一类是空调风道系统内的冷热混合损失。如冬季采用一个变风量系统同时负担内区供冷和外区供热时,系统送冷风,外区末端在最小风量(冷风,约为最大风量的30%)下通过二次风混合和再热进行供热。系统的一部分风量经冷却后再加热形成空调风道系统内的冷、热混合损失。避免系统内冷、热混合损失的优化措施如下。

    ① 内、外区分别设置单风道变风量空调系统。另外,冬季下午西、南朝向的外区在日射负荷下可能要供冷,而东、北朝向的外区则要供热,外区空调系统难以冷、热两全,也需要分开设置。

    ② 外区另设风机盘管、窗边风机散热器等其他供热措施,与全空气系统形成组合式变风量空调系统。外区供热与全空气系统分开并能够单独控制。

    2) 第二类是室内冷、热混合损失。冬季内、外区无分隔的大空间房间外区供热、内区供冷,在热压作用下部分外区供热量变成内区冷负荷,内区供冷量变成外区热负荷,自然形成室内冷、热混合损失。避免室内冷、热混合损失的优化措施如下。

   ① 采用双层呼吸幕墙等高节能性围护结构,基本消除冬季外围护结构热负荷,室内仅存内热冷负荷(可以通过自然供冷处理),无需供热,自然消除了室内冷热混合损失;夏热冬冷地区采用双层中空玻璃等节能型围护结构,外区周边设风机盘管、窗边风机、散热器等调温措施。当外区内热冷负荷充足时(如80%以上),围护结构热负荷可被抵消,调温措施可以不运行。当外区内热冷负荷较小时(如50%以下),围护结构热负荷难以抵消,仍需适当开启调温措施以提高外区温度。

   ② 室内混合损失源自于外区温度较高、内区温度较低。外窗冷辐射降低了体感温度,也容易人为提高外区末端的温度设定值。因此,利用周边供热装置向上送热风以提高外窗内表面温度;周边供热装置需采用中央联网群控措施,防止人为盲目调高室温设定值:这是2个较为有效的改进办法。

5.3  新风需求控制

    GB 50189—2015《公共建筑节能设计标准》第4.3.13条要求:“在人员密度相对较大且变化较大的房间,宜根据室内CO2浓度检测值进行新风需求控制,排风量也宜适应新风量的变化以保持房间的正压”。公共建筑是人员密度相对较大且变化较大的场所,由于人员流动,室内新、排风需求量变化很大,通常可以把室内CO 2体积分数控制在高出室外7×10 -4 以内为标准进行新、排风量控制,以保证室内空气品质和实现新风节能。具体做法如下。

    1) 对于全空气系统,设新、排风定风量(CAV)装置检测室外和回风的CO2体积分数。根据二者差值,自动调节新、排风定风量装置的风量设定值。排风量设定值应与新风量保持一定的比例。

    2) 对于集中新、排风系统可以在各楼层设置新、排风定风量装置,并在各楼层排风总管上检测CO2体积分数。根据室内外CO 2体积分数差值,自动调节各新、排风CAV装置的风量设定值。另外新、排风CAV装置还可以切断停用楼层或停用区域的新、排风供给。集中新、排风系统由此已变为变风量系统,需配置变频调速的新、排风机。

5.4  提高风机效率

    GB 50189—2015《公共建筑节能设计标准》规定了通风空调系统的单位风量耗功率 W s 。规定 W s 的目的是要求设计师对常规的空调、通风系统的管道系统在设计工况下的阻力进行一定限制,同时控制风机功耗。风机功耗取决于风机效率和电动机效率。

5.4.1  风机效率

    决定风机单位风量耗功率有2个因素:风机全压狆值和风机总效率 η 值。首先是通过细分系统,减小风系统阻力(风机全压p值),可以满足单位风量耗功率计算值,但系统数量增加,节能效果有限。其次是提高风机总效率,通过下列方式优化风机选型。

    1) 空调通风用20 000 m 3 /h以上大风量或1 000 Pa以上高扬程风机应优先选用效率较高(75%以上)的后倾式离心风机。后倾式离心风机曲线平滑,特别适合变风量系统的风量调节。缺点是体积较大。

    2) 空调通风用20 000 m 3 /h以下中小风量或1 000 Pa以下中低扬程风机可选用效率较低(60%以下)的前倾式离心风机,其优点是体积小。

    3) 通风系统常见的双进风离心风机箱,由于箱体紧凑、进风受阻使效率降低,宜加大箱体尺寸以提高风机效率,或者取消箱体改用单进风风机做进风静压箱连接。

    4) 不常使用的防排烟通风系统,不宜采用效率低、噪声高的轴流、混流风机。

5.4.2  电动机效率

    1) 风机动力型变风量末端内置风机、风机盘管及各种小型管道风机采用的普通交流单相电动机效率很低,仅为30% 40%。为了提高电动机效率,宜采用直流无刷电动机(ECM),效率可达到70%。

    2) 空调通风系统中风机、水泵的 三相电 动机宜选用永磁同步电动机(EC),15 kW以下电动机效率94%,15 kW以上电动机效率可达96%。

5.5  优化风道设计

   通风和空调的风道系统设计工作量大面广,看似简单,其实有很大的优化节能空间。可以采取以下措施降低风管阻力。

   1) 风管作用半径不宜过大。

   2) 风管宜采用圆形、扁圆形或矩形,矩形风管长短边比不宜大于4,且不应超过10。

   3) 风管改变方向、变径及分路时,不宜使用矩形箱式管件代替弯管、变径管、三通等管件;必须使用分配气流的静压箱时,其断面风速不宜大于1.5 m/s。

   4) 风管弯管应为内外同心弧形弯管,曲率半径不宜小于1.5倍的平面边长,当平面边长大于500 mm且曲率半径小于1.5倍的平面边长时,应设置弯管导流叶片。

   5) 风管的变径管应做成渐扩或渐缩型,其每边扩大收缩角度不宜大于30°。

   6) 弯头、三通、调节阀、变径管等管件之间直管段长度,不宜小于5 10倍当量管径。

   7) 风机或空调机组入口与风管连接,应有大于风口直径的直管段,当弯管与风机入口距离过近时,应在弯管内加导流片。

   8) 风管与风机出口连接,在靠近风机出口处的转弯应和风机的旋转方向一致,风机出口处至转弯处宜有不小于3倍风机入口直径的直管段。

   9) 风管内风速宜按GB 50736—2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》推荐风速执行。

5.6  系统优化评价

     GB/T 50378—2014《绿色建筑评价标准》第5.2.6条提出:应根据现有国家和行业有关建筑节能设计标准设定参考系统的冷热源能效、输配系统和末端方式,计算并统计不同负荷率下的负荷情况,对设计系统和参考系统进行模拟计算,根据暖通空调系统能耗的降低幅度来判断节能率 D e

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式中    Q H 为设计系统空调供暖全年能耗,kW·h Q Hf 为参考系统空调供暖全年能耗,kW·h。

    参考系统可以选用风机盘管加新风系统或全空气定风量系统。确定参考系统时,应综合考虑内、外分区,高大空间气流组织设计等方面的因素,参照系统的设计新风量、冷热源输配系统、设备能耗比等均应严格按照节能标准选取,不应盲目提高新风量设计标准,但不考虑风机、水泵变频,排风热回收和冷却塔免费供冷等节能措施。   


6  结语

    GB/T 50378—2014《绿色建筑 评价标准》告诉工程师该做什么,工程师还要解决如何去做。舒适与节能是暖通空调专业永恒的主题,没有最好只有更好。空调系统占建筑能耗的比例较大,有很大的节能前景。

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