节能建筑中空调系统的设计及应用

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　　我国是一个经济快速增长、人口占世界20%的大国,也是能源相对匮乏的大国,目前已成为世界上第三大能源生产国和第二大能源消费国。目前我国每年建成房屋面积已超过所有发达国家一年建成建筑面积的总和。随着能源资源日趋严峻,人们普遍认识到节约能源的重要性。 “低碳、环保、绿色”成为当今时代的一个趋势。在能源消耗中,建筑耗能大约占总能源消耗的28%,而且每年还在以1%的速度增长,建筑节能已经成为当今最大的节能项目。做好了建筑节能,也就抓住了节能工作的关键,为此,越来越多的节能建筑出现在我们周围。

　　节能建筑是一个目标,一个发展方向,其具体的概念是在建筑全生命周期中平衡建筑环境的性能及人们对资源的消耗,对环境的影响。在该前提下创建的建筑空间能够使人们可高效、健康地工作和生活。其主要表现在建筑的“节地、节能、节水、节材、运行管理”等几个方面,而其中的节能又尤为重要。建筑能耗中,空调系统能耗占整个建筑能耗的30%~40%。为此,做好空调系统的节能,就抓住了整个建筑节能的核心。在绿色建筑中，空调系统不单纯是一个空调专业的工作,它需要和建筑、结构等各专业结合,使空调系统舒适、节能、高效地运行。我们以北京某办公建筑为例,浅述在节能建筑中空调系统的综合应用。

　　1 大楼简介

　　大楼建筑面积约3万m2,建筑总层数为们层(地上9层， 地下2层),高度为36m,绿化率为27%。从功能布局来看，一层为大堂 、服务区和咖啡厅,二层为会议区,三层及其以上主要为办公使用,职工餐厅设置在地下一层。建筑设计由意大利知名设计所主持,设计师避免了“标新立异”和“形象工程”,在充分考虑了能源分析师的意见后,着重细节雕刻，整体造型稳重又不失活泼。最终体型系数为0.13,综台窗墙比为0.33。通过采取以上措施,尽可能减少建筑与室外的热交换（词条“热交换”由行业大百科提供）,降低热损失。

　　2大楼空调系统介绍

　　本大楼的空调系统采用温湿度独立处理和控制的设计理念,从而实现热环境、湿环境和空气品质3个环节的最优化处理。办公区域,采用主动式冷梁(Active Cooling Beam)末端设备（词条“设备”由行业大百科提供）带走显热负荷,由新风系统除去湿负荷,空气品质也得到了有力的保障。部分非办公区域采用风机盘管末端。在二层会议区采用VAV系统,这样可以满足会议区温湿度负荷变化大、新风量大的要求。同时,在物业用房、中控室、网络室等要求连续工作的场所,采用VRV空调系统,避免“因为一个房间整座大楼空调都需开启”的不节能运行概率的出现。

　　主动式冷梁空调系统需要提供两种不同温度的冷水:7℃ 冷水和16℃ 冷水。由于目前市场上没有成熟的双温冷水机组,因此常规做法是利用常规冷机制取7℃ 冷水,通过板式换热获得16℃ 冷水。这种方式一方面造成换热损失,另一方面也没有发挥高温冷水的优势。因此,在大楼的冷源选型中,选择了一台常规高效冷机制取7℃ 低温冷水(COP=7),一台双工况螺杆冷机制取16℃ 高温冷水(COP=7.4)满足不同末端的需求。大楼空调系统图如图1所示：

　　3 冷梁系统的特点

　　大楼空调系统中,使用了主动式冷梁系统(该系统在国内使用不多)。其基本原理为:由空调箱处理的室外新风被送入冷梁后,经喷嘴高速喷射在箱体内部形成局部负压,诱导室内空气(二次风)从多孔板风口面板（词条“面板”由行业大百科提供）进入冷梁,再经过热交换器的冷却后,与一次风混合并从两侧送风口贴附送入室内。冷梁技术利用辐射换热使冷冻水温度提高到16℃ 以上,从而达到提高冷冻水温度(较传统供水7℃ ),增大冷水机组能效比,达到节能的效果。

　　冷梁系统在运行过程中取消了风机，从而降低运行噪声,将广大用户从烦躁的噪声中解脱出来。由于冷梁的冷冻水供水温度较传统空调高,减小了换热温差,避免了在冷梁下活动的人的有吹风感及干冷的感觉,提高空调系统的舒适度。图2所示为冷梁的气流组织,由图2可以看出,从冷梁流出的空气形成两股方向相反的气流,沿着吊顶流向冷梁的两侧,这样的气流形成了非常好的房间气流组织。沿着吊顶流动的气流形成了科恩达效应从而沿着天花板流动,然后缓缓地流到用冷区域。由于没有风机的强吹风,用户在用冷区域会感觉非常舒适,从而提高了生活质量。同时冷梁系统运行时无冷凝水,不会形成细菌滋生及冷凝水的二次污染。另外冷梁系统的节能效果明显,由于提高了冷冻水供水温度,相应地提高了冷水机组的制冷系数COP值。

　　3.1 冷梁系统的空气处理过程

　　冷梁系统可以分为主动式冷梁和被动式冷梁两种。其中被动式冷梁只能用于夏天制冷,而不能用于冬天制热,因而不适用于在冬天需要空调供热场所;而主动式冷梁具有供冷及供热的功能,因此其应用范围较广,其工作原理如图2所示。

　　3.2冷梁系统的控制

　　从主动式冷梁的运行原理可知,要使冷梁内的表冷器温度高于该处的露点温度,可以通过调节进入冷梁的冷冻水温度及水量的方式来改变表冷器的温度。

　　通过调节进入冷梁表冷器的水温,使其高于室内露点温度,从而可以保证冷梁在干工况下运行。所以空调水系统采用2套独立的系统,且二者互为备用。其中一套为高温水系统(螺杆式制冷压缩机),主要负责冷梁系统的冷冻水供应,其供/回水温度为16℃ /19℃ ;另外一套为低温水系统(离心式制冷压缩机组),主要负责空气处理机组的冷冻水供水,其供/回水温度为7℃ /12℃ 。

　　正常情况下,低温水泵将16℃ 的高温冷冻水送入冷梁,在房间内吸收热量后,回水温度升高,通过回水管进入集水器。冷梁供水管安装有一个电动调节阀,由房间温控器控制电动调节阀的开启度,当房间温度高于设定值时,增大阀门开启度,低于设定值时,减小阀门开启度,以维持房间内温度恒定。诱导新风通过空气处理器处理后经过冷梁送入房间,由于室内办公人数变化不大,需要的新风量基本恒定,所以送风机采用定频运行。

　　4　建筑设计与空调系统的结合

　　大楼的建筑设计摆脱了“方盒子”或“铁棒子”的思维定势,巧妙地利用了几何图形矩形与环形交替连接的形式,采用了玻璃幕墙、石材通风幕墙、金属外挂立面等七种幕墙立面,流线型和弧形的设计融合了东西方文化的色彩,最终的方案则是“美观”和“节能”的综合考虑结果。倘若把建筑形式和结构材料比作“骨架”,那么围护结构就可认为是“衣服”,在很大程度上将影晌甚至决定使用者的冷热能量消耗。在设计时通过调整不同朝向的窗墙比、窗户及玻璃幕墙性能、屋顶和外墙的热工性能,比对全年运行能耗和供冷供热峰值能耗,同时考虑造价的经济性,从而得出最佳方案。

　　大楼紧邻二环路主路,为降低冬季北京寒冷的西北风对大楼耗能的影响,大楼北侧立面采用务实处理方法,采用小条形窗,有效地减少了窗户渗透和辐射的能耗损失。大楼内设有2个中庭,用于自然光导入和增加大楼内部的空气自然流动与通风,在舂秋季节,打开中庭上部的通风百叶,靠烟囱效应,自然对流通风,改善大楼内空气品质,同时还创造了一个环境舒适、景观幽雅的办公环境。在夏季,利用清晨室外空气温度相对较低,打开中庭上部通风百叶,利用自然对流通风,降低楼体温度,减少上午开制冷机组时的能源消耗。

　　5 运行效果

　　该项目为国内最早的绿色建筑运行阶段三星级认证之一同时也通过了全国绿色建筑创新奖一等奖评审。从实际运行情况看,这个项目的节能环保效果也比较显著,详细的能耗分项计量结果显示建筑的年运行能耗(2102年)约602kWh/(m2 aX其中电耗428kwh/(m² a),热耗527kgcd(m² a),空调系统夏季(5月~9月)能耗为856kWh/m²。比目前北京办公建筑能耗减少约40%,室内自然通风、自然采光和空气品质效果良好,大大提高了工作效率。

　　节能建筑的基本内涵是表示人、建筑与环境三者之间的和谐关系。在当今社会绿色建筑是发展低碳经济的必然要求。要促进绿色节能建筑的发展,必须从从设计、施工、调试及运行管理等环节出发,将建筑节能项目纳入建设程序,形成长效管理机制;同时要努力探索能源管理模式,按照市场化运作方式推进建筑节能工作,充分体现绿色节能建筑的社会效益和经济效益;政府有关部门也应当给予必要的政策支持,坚持因地制宜、分步实施、稳步推进的原则,从而达到节约能源,保护环境,实现社会的可持续发展。【完】