節能建筑中空調系統的設計及應用

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　　我國是一個經濟快速增長、人口占世界20%的大國,也是能源相對匱乏的大國,目前已成為世界上第三大能源生產國和第二大能源消費國。目前我國每年建成房屋面積已超過所有發達國家一年建成建筑面積的總和。隨著能源資源日趨嚴峻,人們普遍認識到節約能源的重要性。 “低碳、環保、綠色”成為當今時代的一個趨勢。在能源消耗中,建筑耗能大約占總能源消耗的28%,而且每年還在以1%的速度增長,建筑節能已經成為當今最大的節能項目。做好了建筑節能,也就抓住了節能工作的關鍵,為此,越來越多的節能建筑出現在我們周圍。

　　節能建筑是一個目標,一個發展方向,其具體的概念是在建筑全生命周期中平衡建筑環境的性能及人們對資源的消耗,對環境的影響。在該前提下創建的建筑空間能夠使人們可高效、健康地工作和生活。其主要表現在建筑的“節地、節能、節水、節材、運行管理”等幾個方面,而其中的節能又尤為重要。建筑能耗中,空調系統能耗占整個建筑能耗的30%~40%。為此,做好空調系統的節能,就抓住了整個建筑節能的核心。在綠色建筑中，空調系統不單純是一個空調專業的工作,它需要和建筑、結構等各專業結合,使空調系統舒適、節能、高效地運行。我們以北京某辦公建筑為例,淺述在節能建筑中空調系統的綜合應用。

　　1 大樓簡介

　　大樓建筑面積約3萬m2,建筑總層數為們層(地上9層， 地下2層),高度為36m,綠化率為27%。從功能布局來看，一層為大堂 、服務區和咖啡廳,二層為會議區,三層及其以上主要為辦公使用,職工餐廳設置在地下一層。建筑設計由意大利知名設計所主持,設計師避免了“標新立異”和“形象工程”,在充分考慮了能源分析師的意見后,著重細節雕刻，整體造型穩重又不失活潑。最終體型系數為0.13,綜臺窗墻比為0.33。通過采取以上措施,盡可能減少建筑與室外的熱交換（詞條“熱交換”由行業大百科提供）,降低熱損失。

　　2大樓空調系統介紹

　　本大樓的空調系統采用溫濕度獨立處理和控制的設計理念,從而實現熱環境、濕環境和空氣品質3個環節的最優化處理。辦公區域,采用主動式冷梁(Active Cooling Beam)末端設備（詞條“設備”由行業大百科提供）帶走顯熱負荷,由新風系統除去濕負荷,空氣品質也得到了有力的保障。部分非辦公區域采用風機盤管末端。在二層會議區采用VAV系統,這樣可以滿足會議區溫濕度負荷變化大、新風量大的要求。同時,在物業用房、中控室、網絡室等要求連續工作的場所,采用VRV空調系統,避免“因為一個房間整座大樓空調都需開啟”的不節能運行概率的出現。

　　主動式冷梁空調系統需要提供兩種不同溫度的冷水:7℃ 冷水和16℃ 冷水。由于目前市場上沒有成熟的雙溫冷水機組,因此常規做法是利用常規冷機制取7℃ 冷水,通過板式換熱獲得16℃ 冷水。這種方式一方面造成換熱損失,另一方面也沒有發揮高溫冷水的優勢。因此,在大樓的冷源選型中,選擇了一臺常規高效冷機制取7℃ 低溫冷水(COP=7),一臺雙工況螺桿冷機制取16℃ 高溫冷水(COP=7.4)滿足不同末端的需求。大樓空調系統圖如圖1所示：

　　3 冷梁系統的特點

　　大樓空調系統中,使用了主動式冷梁系統(該系統在國內使用不多)。其基本原理為:由空調箱處理的室外新風被送入冷梁后,經噴嘴高速噴射在箱體內部形成局部負壓,誘導室內空氣(二次風)從多孔板風口面板（詞條“面板”由行業大百科提供）進入冷梁,再經過熱交換器的冷卻后,與一次風混合并從兩側送風口貼附送入室內。冷梁技術利用輻射換熱使冷凍水溫度提高到16℃ 以上,從而達到提高冷凍水溫度(較傳統供水7℃ ),增大冷水機組能效比,達到節能的效果。

　　冷梁系統在運行過程中取消了風機，從而降低運行噪聲,將廣大用戶從煩躁的噪聲中解脫出來。由于冷梁的冷凍水供水溫度較傳統空調高,減小了換熱溫差,避免了在冷梁下活動的人的有吹風感及干冷的感覺,提高空調系統的舒適度。圖2所示為冷梁的氣流組織,由圖2可以看出,從冷梁流出的空氣形成兩股方向相反的氣流,沿著吊頂流向冷梁的兩側,這樣的氣流形成了非常好的房間氣流組織。沿著吊頂流動的氣流形成了科恩達效應從而沿著天花板流動,然后緩緩地流到用冷區域。由于沒有風機的強吹風,用戶在用冷區域會感覺非常舒適,從而提高了生活質量。同時冷梁系統運行時無冷凝水,不會形成細菌滋生及冷凝水的二次污染。另外冷梁系統的節能效果明顯,由于提高了冷凍水供水溫度,相應地提高了冷水機組的制冷系數COP值。

　　3.1 冷梁系統的空氣處理過程

　　冷梁系統可以分為主動式冷梁和被動式冷梁兩種。其中被動式冷梁只能用于夏天制冷,而不能用于冬天制熱,因而不適用于在冬天需要空調供熱場所;而主動式冷梁具有供冷及供熱的功能,因此其應用范圍較廣,其工作原理如圖2所示。

　　3.2冷梁系統的控制

　　從主動式冷梁的運行原理可知,要使冷梁內的表冷器溫度高于該處的露點溫度,可以通過調節進入冷梁的冷凍水溫度及水量的方式來改變表冷器的溫度。

　　通過調節進入冷梁表冷器的水溫,使其高于室內露點溫度,從而可以保證冷梁在干工況下運行。所以空調水系統采用2套獨立的系統,且二者互為備用。其中一套為高溫水系統(螺桿式制冷壓縮機),主要負責冷梁系統的冷凍水供應,其供/回水溫度為16℃ /19℃ ;另外一套為低溫水系統(離心式制冷壓縮機組),主要負責空氣處理機組的冷凍水供水,其供/回水溫度為7℃ /12℃ 。

　　正常情況下,低溫水泵將16℃ 的高溫冷凍水送入冷梁,在房間內吸收熱量后,回水溫度升高,通過回水管進入集水器。冷梁供水管安裝有一個電動調節閥,由房間溫控器控制電動調節閥的開啟度,當房間溫度高于設定值時,增大閥門開啟度,低于設定值時,減小閥門開啟度,以維持房間內溫度恒定。誘導新風通過空氣處理器處理后經過冷梁送入房間,由于室內辦公人數變化不大,需要的新風量基本恒定,所以送風機采用定頻運行。

　　4　建筑設計與空調系統的結合

　　大樓的建筑設計擺脫了“方盒子”或“鐵棒子”的思維定勢,巧妙地利用了幾何圖形矩形與環形交替連接的形式,采用了玻璃幕墻、石材通風幕墻、金屬外掛立面等七種幕墻立面,流線型和弧形的設計融合了東西方文化的色彩,最終的方案則是“美觀”和“節能”的綜合考慮結果。倘若把建筑形式和結構材料比作“骨架”,那么圍護結構就可認為是“衣服”,在很大程度上將影晌甚至決定使用者的冷熱能量消耗。在設計時通過調整不同朝向的窗墻比、窗戶及玻璃幕墻性能、屋頂和外墻的熱工性能,比對全年運行能耗和供冷供熱峰值能耗,同時考慮造價的經濟性,從而得出最佳方案。

　　大樓緊鄰二環路主路,為降低冬季北京寒冷的西北風對大樓耗能的影響,大樓北側立面采用務實處理方法,采用小條形窗,有效地減少了窗戶滲透和輻射的能耗損失。大樓內設有2個中庭,用于自然光導入和增加大樓內部的空氣自然流動與通風,在舂秋季節,打開中庭上部的通風百葉,靠煙囪效應,自然對流通風,改善大樓內空氣品質,同時還創造了一個環境舒適、景觀幽雅的辦公環境。在夏季,利用清晨室外空氣溫度相對較低,打開中庭上部通風百葉,利用自然對流通風,降低樓體溫度,減少上午開制冷機組時的能源消耗。

　　5 運行效果

　　該項目為國內最早的綠色建筑運行階段三星級認證之一同時也通過了全國綠色建筑創新獎一等獎評審。從實際運行情況看,這個項目的節能環保效果也比較顯著,詳細的能耗分項計量結果顯示建筑的年運行能耗(2102年)約602kWh/(m2 aX其中電耗428kwh/(m² a),熱耗527kgcd(m² a),空調系統夏季(5月~9月)能耗為856kWh/m²。比目前北京辦公建筑能耗減少約40%,室內自然通風、自然采光和空氣品質效果良好,大大提高了工作效率。

　　節能建筑的基本內涵是表示人、建筑與環境三者之間的和諧關系。在當今社會綠色建筑是發展低碳經濟的必然要求。要促進綠色節能建筑的發展,必須從從設計、施工、調試及運行管理等環節出發,將建筑節能項目納入建設程序,形成長效管理機制;同時要努力探索能源管理模式,按照市場化運作方式推進建筑節能工作,充分體現綠色節能建筑的社會效益和經濟效益;政府有關部門也應當給予必要的政策支持,堅持因地制宜、分步實施、穩步推進的原則,從而達到節約能源,保護環境,實現社會的可持續發展。【完】