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摘要：随着我国人民环保意识的不断加强，空调的能源损耗占比高达40%～50%，因此，加强空调设计的节能环保性就显得十分必要。本文根据工程案例，对绿色建筑的暖通空调设计进行分析，供同行借鉴参考。
关键词：绿色建筑；空调设计；新排风的能量回收；变频调速技术
一、工程概况
某建筑地上建筑面积70421.95m2，地下面积24504.63m2，分为南北两栋建筑，地下室均为汽车库、设备用房，地上一、二层为商业，三层以上均为办公（其中北楼十层、二十层及屋面为避难层）。
二、绿色建筑的空调设计应用
（一）空调冷源的选择
1.各种冷源分析
①直燃机系统。直燃机系统可夏季制冷、冬季制热、耗电量较小，运行时较平稳、噪音小、振动小，但使用有一定的安全隐患且维修费用高，使用寿命短，运行费用高，初投资费用高。该项目因不需要冬季制热且考虑直燃机系统初投资费用和运行维护费用都比较高，故空调冷源不采用直燃机系统；②冰蓄冷系统。冰蓄冷系统可利用电网峰谷荷电力差价，降低空调运行费用且制冷主机容量减少，可减少空调系统电力增容费和供配电设施费。但初投资费用高，机房占地面积大，系统设计和控制调节也较为复杂；③风冷热泵系统。风冷热泵系统可夏季制冷、冬季制热，没有冷却水系统和冷却塔、冷却水泵，但机组需要在室外设置较大的室外机平台，运行噪音较大，且夏季能效较低（相对冷水机组），随着室外温度的降低效率衰减较大。该项目因不需要冬季制热，屋顶需要做屋顶花园没有足够的空间放置风冷热泵室外机，且风冷热泵机组效率相对冷水机组低，即运行中费用相对高，故空调冷源不采用风冷热泵系统；④其他热泵系统。其他热泵系统包括地源热泵、水源热泵系统。地源热泵、水源热泵系统属可再生能源，但使用都受相应条件限制，如地源热泵系统受打井区域、场地限制；水源热泵系统受可利用水源条件、水层地理结构限制。该工程相应条件均不具备，故无法采用地源热泵、水源热泵系统；⑤水冷式系统。水冷式系统运行可靠，运行费用低，维护简单方便且主机效率高，不受气温影响，使用寿命长，但需要占用一定的室内机房面积（相比直燃机系统、冰蓄冷系统机房占用面积小），只能用于夏季制冷。该项目因不需要冬季制热且水冷式系统相对于其他系统有着运行费用较低、维护简单、主机效率高的特点，占用室内机房面积也比直燃机系统和冰蓄冷系统小，故适合该项目使用。
2.冷源选择
该项目北楼为总部大楼（部分出租），南楼为整体办公出售，空调只考虑夏季制冷。根据项目特点和各种冷源分析，最终与设计院确定北楼主机采用水冷冷水机组，为北楼及南楼新风机组供冷，并对冷水机组组合形式在夜间负荷与总负荷比例关系（总部为金融公司，夜间需要经常加班）、运行费用、主机运行效率等方面进行分析论证，确定冷水机组采用二大一小的组合形式（二台离心机，一台螺杆机，螺杆机负荷约为总负荷的 20%）；南楼因出售性质，为了更好地计费，采用直流变频多联式空调系统，空调室外机置于同层外墙空调板处。
3.冷源机组能效要求
为了达到绿色建筑二星级标准，空调系统冷源机组能效要求均优于现行国家标准《公共建筑节能设计标准》GB50189－2015 的规定（以下简称节能规范）——冷水机组的制冷性能系数（COP）比节能规范要求提高 6%，多联式空调机组的制冷综合性能系数（IPLV（C））比节能规范要求提高8%。2015 版节能规范要求夏热冬暖地区水冷螺杆式机组在制冷量大于 528kW、小于 1163kW 时 COP 值不低于 5.3，水冷离心式机组在制冷量大于 2110kW 时 COP 值不低于5.9，多联式空调机组在制冷量大于 28kW 大小于84kW 时 IPLV（C）值不低于 3.95，而该项目选用的两台 2500kW 离心冷水机组的 COP 值达到 6.25，一台1 094k W螺杆冷水机组的 COP 值达到 5.62，多联式空调机组的制冷综合性能系数 IPLV（C）值达到 6.3，均满足绿色建筑评价标准的要求。
（二）空调系统的设计
1.变频调速技术的应用
考虑到空调系统长期处于部分负荷的运行状态，系统中采用变频技术就具有显著节能的效果。不管是空调冷冻泵、送风量大的空气处理机组、通风机还是空调冷却塔风机都应考虑采用变频技术。
以空调冷冻泵为例，泵的流量与转速成正比，扬程与转速的平方成正比，轴功率与转速的立方成正比。由此可见当降低转速时，功率的减少远比流量的减少量大得多，因此降低水泵转速就能使单位供水量的电耗减少。对于空调冷冻泵来说，变频调试供水，主要是通过压力变送器检测管网水压，并将水压信号转化为电流性号，反馈给变频器内单片机；单片机根据水压情况调整水泵电机输入频率，从而使水泵转速改变。
除此之外，变频器采用微机控制，具有 16 种电压 - 频率特征曲线可供选择，因而拖动各种不同性质的负荷均能进入最佳运行状态，电机的加速和减速时间能根据负荷的要求来调整，在启动运行过程中做到了软启动，避免了泵的抽空现象。
空调冷冻泵采用变频技术不仅可以在运行过程中起到显著的节能效果还能降低启动电流，提高功率因数，对电机起到保护功能。
2.新排风的能量回收
新排风的能量回收即热回收机组充分回收利用排风中的冷/热量，对新风进行预冷（预热），从而减小新风负荷以达到节能的目的。在经技术经济比较合理时，新风宜经排风热回收装置进行预冷或预热处理。由此可见，是否做排风热回收，首先要进行经济性分析。
该项目室外空调设计温度为 33.5℃，室内设计温度 26℃，以 北楼为例，每层新风量 3500m3/ h～4000m3/h，总新风量 96 490m3/h，如采用全热转轮热回收装置，全热回收效率为 62%，由此计算出夏季新风送风温度为：t=33.5-（33.5－26）×62%=28.85℃，h（焓）=87.93－（87.93－53.31）× 62% =66. 47KJ/Kg。计算结果如表1所示。
表1 全热回收前后送风温度和焓值
回收能量= 单位时间空气流量 x 新风经转轮式换热器前后的焓差 = 96490×1.293×（87.93－66.47）/3600 = 743.7kW。
空调冷水机组能效比平均按 6 计算，处理743.7kW 负荷所消耗的电功率为：743.7 /6 = 124kW，但由于增加了转轮热回收，机组的送/排风阻力有所增加，这部分增加的阻力所消耗的功率为：96490×250/62% /3600/1000 = 10.8kW。
选择 3台转轮热回收机组，2台处理风量为34200m3/ h，1 台处理风量为 28090m3/ h，3台转轮机组耗电：28×2+24=80kW，热回收转轮的净节能功率为：124-10.8×2-80+34.35 = 56.75kW。以夏季运行5个月，每月按 25d、每天运行10h、电价按1.0元/kWh计算，增加转轮热回收机组一个夏季所能节省的电费为：56.75×10×25×6/10000=7.09万元。根据厂家报价，3 台转轮机组的总报价为 38.7万元，静态回收期为 38.7/7.09=5.46年。考虑到静态回收期较长且南楼为出售性质，故该项目不采用新排风能量回收技术。
3.空调冷却塔补水方式
该项目结合给排水专业，在地下三层设置了1个100m3混凝土雨水收集箱和1个20m3清水箱，收集屋面、路面雨水及空调冷凝水。收集后的雨水及冷凝水进入雨水收集箱，经过滤消毒处理后用于车库冲洗、绿化浇灌、道路浇洒及冷却塔补水。
该项目冷却水系统循环水量为：1500m3/ h，补水量按冷却循环水量的 1.5% 计算，冷却塔日均补水量Wtd = 0.6×500×1.5%×10=135m3/ d（公式参照《民用建筑节水设计标准》GB50555－2010），全年冷却塔使用天数为 125d，则全年空调冷却水补水量 Wta=135 ×125=16875m3/ a
根据《全国民用建筑工程设计技术措施 － 暖通空调·动力》2009 版第 5.10.6条规定：“1kW 冷负荷每小时约产生 0.4kg ～ 0.8kg 的冷凝水”，该项目按0.6Kg / h 计算，项目总冷负荷约为 12298kW，其冷凝水产量为 7.379m3/h，冷凝水 5月 ～ 9月每月产生量为 7.379×10×25=1844.75m3/ 月，考虑到出租率、用户使用习惯以及不可预计水量损失等因素，实际冷凝水收集量按 0.8计算，即空调冷凝水每月产生量为：1 844.75×0.8=1475.8m3/ 月。雨水和冷凝水收集量减去绿化、道路浇洒和车库冲洗用水后即为冷却塔补水量，具体如表 2 所示。
表2 雨水利用水量平衡计算表
注：降雨量、雨水收集量、绿化、道路浇洒、车库冲洗用水量计算详见给排水专业。
从表 2 可知，冷却塔补水量为 8489. 7m3/ a，则冷却水补水使用非传统水源的比例为：8489.7 /16875 ×100% = 50.3% ＞ 50%，故该项目在空调冷却塔水补水方面可得满分 8 分。
（三）空调自动控制系统设计
除常规控制外，根据该工程暖通设计特点，设置了一些特殊的控制。如人员密度变化相对较大的房间（多功能厅）设置二氧化碳监测装置，联动控制室内新风量和空调系统的运行；地下汽车库设计一氧化碳浓度监测装置，根据车库内一氧化碳浓度监测装置对风机采用变频调速控制或启停控制，以降低风机的运行能耗；冷却水系统自动控制：冷水机组运行时冷却水最低回水温度控制，冷却塔风机运行台数及风机调速控制。
三、结束语
该项目在空调设计方面采取了一些技术措施，通过这些节能设计措施，空调具备节能、环保，有效降低了能源损耗。
参考文献
[1]杨锐，赵朴夫． 变频调速技术在中央空调系统中的应用［J］． 山西建筑，2005（07）：148 － 150．
[2]GB50555 － 2010 民用建筑节水设计标准［S］． 北京：中国建筑工业出版社，2010．
[3]中国建筑标准设计研究院． 全国民用建筑工程设计技术措施暖通空调·动力（2009 版）［M］． 北京：中国计划出版社，2009．
论文作者:郭奇
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第21期
论文发表时间:2018/11/13
标签：空调论文; 系统论文; 机组论文; 该项目论文; 冷却塔论文; 转轮论文; 负荷论文; 《建筑学研究前沿》2018年第21期论文;