对民用建筑中暖通空调几项重点节能设计措施的探讨

对民用建筑暖通空调系统几项重点节能设计措施的探讨山东省建筑设计研究院于晓明2008年1月主要内容1室内设计计算温度的取值问题2冷热负荷的计算3采暖系统的设计4空调冷冻水系统的设计5采暖与空调水系统的补水及定压设计6空调冷却水系统的设计7空调风系统的设计8通风系统的设计9冷热源设备的选型10室温调控11冷热量计量12水力平衡装置的设置1室内设计计算温度的取值问题在冬季供暖工况下，室内计算温度每降低1℃，能耗可减少5%~10%左右；在夏季供冷工况下，室内计算温度每升高1℃，能耗可减少8%~10%左右。为了节省能源，应避免冬季采用过高的室内计算温度，夏季采用过低的室内计算温度。国家标准《公共建筑节能设计标准》GB50189-2005第3.0.1条及我省的工程建设标准《公共建筑节能设计标准》DBJ14-036-2006第4.1.3条和《居住建筑节能设计标准》DBJ14-037-2006第5.1.3条，都对典型民用建筑室内采暖与空调室内设计计算温度的取值标准进行了规定，办公室、居住等建筑的冬季采暖不宜高于20℃，公共建筑一般房间的夏季空调不宜低于25℃。对于实施分户热计量对流采暖的住宅建筑，室内计算温度应按相应的设计标准提高2℃；对于计算全面地面辐射供暖系统，室内计算温度的取值可按相应的设计标准降低2℃，或将计算耗热量乘以0.9~0.95的修正系数（寒冷地区乘以0.9，严寒地区乘以0.95）。2冷热负荷的计算国家标准《采暖通风与空气调节设计规范》GB50019-2003中的6.2.1条和《公共建筑节能设计标准》GB50189-2005中的第5.1.1条，已经明确规定必须进行热负荷和逐项逐时的冷负荷计算，并列为强制性条文。目前,有些设计人员，在施工图设计阶段,往往不加区别地将设计手册或技术措施中提供给方案设计和初步设计时估算冷热负荷用的单位建筑面积冷、热负荷指标,直接用来作为确定施工图设计阶段空调与采暖冷、热负荷的依据。由于负荷估算偏大，导致了冷热源设备装机容量偏大、水泵配置偏大、末端设备偏大、管道直径偏大的“四大”现象。其结果是工程的初投资增高，运行费用和能耗增大，给国家和投资方造成巨大损失。3采暖系统的设计采暖系统设计得合理，采暖系统才能具备节能运行的功能。无论是住宅还是公建，合理设计节能采暖系统的主要原则有：一是采暖系统应能保证对各个房间(楼梯间除外)的室内温度能进行独立调控；二是便于实现分户或分室（区）热量（费）分摊的功能；三是管路系统简单、管材消耗量少、节省初投资。因此，对所有民用建筑室内热水集中采暖系统的设计都要满足上述三个原则的要求。（1）新建住宅热水集中采暖系统应采用共用立管、分户独立循环的系统，常用的采暖系统形式如下：1)下供下回（下分式）水平双管系统。2)上供上回（上分式）水平双管系统。3)下供下回（下分式）全带跨越管或装设分配阀（H阀）的水平单管系统。4)放射双管式（章鱼式）系统。5)低温热水地面辐射供暖系统。3采暖系统的设计（2）公共建筑的集中采暖系统管路宜按南、北向分环布置，常用的采暖系统形式如下：1)上供下回垂直双管系统。一般用于四层及四层以下的建筑。2)下供下回垂直双管系统。一般用于四层及四层以下的建筑。3)上供下回全带跨越管(或装置H分配阀)的垂直单管系统。一般用于五层及五层以上建筑。立管所带层数不宜大于十二层。4)上供下回垂直单双管系统。一般用于十二层以上的建筑，也可应用于四层以上的建筑。组成单双管系统的每一级双管系统不应超过四层。5)水平双管系统。该系统一般用于低层大空间采暖建筑（如汽车库、大餐厅等）。各环路负荷应尽可能均衡，各环路管径应不大于DN25。6)水平单管系统。一般用于低层大空间采暖建筑，当需要单独调节散热器散热量时，应采用全带跨越管(或装置H分配阀)的水平单管系统，否则可采用水平串联式系统。3采暖系统的设计7)低温热水地面辐射供暖系统。公共建筑中的高大空间如大堂、候车（机）厅、展厅等处，宜采用辐射供暖方式，或采用辐射供暖作为补充。当与散热器系统合用时，应注意其对水温和水压的不同要求，必要时应分开设置。8)高层建筑竖向分区供暖系统。适用于系统静水高度超过50m、或外网供水压力低于系统静水压力、或超过散热器的承压能力的采暖系统。低区系统的高度取决于室外热网的压力和散热器的承压能力，可能情况下应尽可能利用外网压力，降低高区负荷。当热媒为低温热水时，宜采用板式换热器进行换热。9)高层建筑直连供暖系统。当热网供水压力不能满足系统运行要求、或者热网静水压力低于系统静水高度，并且热网供水温度较低时，宜采用直连供暖技术使建筑采暖系统与外网直接连接。高层直连供暖技术由加压泵组和压力隔断的专利技术构成，第一代的压力隔断产品为断流器和阻旋器，系统为开式运行；第二代的压力隔断产品为阻断器，系统闭式运行，安装高度不受限制。3采暖系统的设计（3）在选配供热系统的热水循环泵时，应计算循环水泵的耗电输热比（EHR），并应标注在施工图的设计说明中。EHR值应符合下式要求：EHR=N/QηEHR≤A（20.4+αΣL）/Δt式中：N－水泵在设计工况点的轴功率，kW；Q－建筑供热负荷，kW；η－电机和传动部分的效率，按表1选取；Δt－设计供回水温度差，℃，按照设计要求选取；A－与热负荷有关的计算系数，按表1选取；ΣL－室外主干线（包括供回水管）总长度，m；3采暖系统的设计a－与ΣL有关的计算系数，按如下选取或计算：当ΣL≤400m时，a=0.0115；当400＜ΣL＜1000m时，a=0.003833+3.067/ΣL；当ΣL≥1000m时，a=0.0069。表1电机和传动效率及EHR计算系数热负荷Q（kW）＜2000≥2000电机和传动部分的效率η直联方式0.880.9联轴器连接方式0.870.89计算系数A0.005560.0054空调冷冻水系统的设计国家标准《采暖通风与空气调节设计规范》GB50019-2003的第6.4.11条规定：“设置2台或2台以上冷水机组和循环水泵的空气调节水系统，应能适应负荷变化改变系统流量，并宜按照本规范第8.5.6条的要求，设置相应的自控设施”。目前，常用的空调冷冻水系统有以下几种形式：（1）一次泵定流量系统。系统较小或各环路负荷特性或压力损失相差不大时，宜采用负荷侧变流量、冷源侧定流量的一次泵定流量系统，如图1所示。采用一次泵定流量泵系统时，应按下列要求设计：4空调冷冻水系统的设计1—分水器2—集水器3—冷水机组4—动态水力平衡阀5—冷冻水循环泵6—止回阀7—静态水力平衡阀8—压差控制器9—电动调节阀10—冷冻水备用泵11—末端风机盘管12—电动两通阀13—电动阀图1一次泵定流量系统4空调冷冻水系统的设计1)风机盘管的回水管上应设置浮点式电热阀，也可采用传统等电动两通阀（对房间温度控制要求不高时）或电动两通调节阀（对房间温度控制要求较高时）。前者与比后两者相比，具有控制精度高、运行稳定性强、无噪声、体积小等优点；新风机组、组合式空调器的回水管上，应设置动态平衡电动调节阀或电动两通调节阀。前者只受房间温度设定控制，不受外网压力波动的影响，比后者具有更好的调节特性和更长的使用寿命。2)应在总供回水管之间设旁通管及由压差控制的旁通电动调节阀，旁通管管径应按1台冷水机组的冷冻水流量确定。3)冷水机组和冷冻水循环泵之间宜采用一一对应的连接方式。当采用方式连接困难时，可采用共用集管连接，但此时应在每台冷水机组的入口或出口水管道上设置电动隔断阀，并应与对应的冷水机组和水泵连锁开关。4)应密切与电器专业配合，做好自动控制设计，使系统能够根据空调负荷的变化，自动控制冷水机组及循环水泵的运行台数。4空调冷冻水系统的设计（2）一次泵变流量系统。具有较大空调水泵节能潜力的大型系统，在确保设备的适应性、控制方案和运行管理的可靠性的前提下，可采用冷源侧和负荷侧均变流量的一次泵变流量系统，且一次泵为变频调速泵，如图2所示。采用一次变流量泵系统时，应按下列要求设计：1—分水器2—集水器3—冷水机组4—电动隔断阀5—冷冻水循环泵6—止回阀7—静态水力平衡阀8—压差控制器9—电动调节阀10—末端风机盘管11—电动两通阀图2一次泵变流量系统4空调冷冻水系统的设计1)末端装置的回水管上应设置“慢开/慢关”型的浮点式电热阀或电动两通调节阀，且多台末端设备的启停时间宜错开。2)应选择蒸发器流量许可变化范围大，最小流量尽可能低的冷水机组，如离心机30%~130%，螺杆机45%~120%，最小流量宜小于50%。3)应选择蒸发器许可流量变化率大的冷水机组，每分钟许可变化率宜大于30%。4)冷水机组和水泵台数可不对应设置，其启停分别独立控制，水泵转速一般由最不利环路的末端压差变化来控制。5)冷水机组和水泵应采用共用集管的连接方式，并应在每台冷水机组的入口或出口水管道上设置与对应的冷水机组连锁开关电动隔断阀。6)应在总供回水管之间设旁通管及由流量或压差控制的旁通电动调节阀，旁通管管径应按单台冷水机组的最小允许冷冻水流量确定。7)1台冷水机组仍可采用一次泵变流量系统。4空调冷冻水系统的设计（3）二次泵变流量系统。系统较大、阻力较高，且各环路负荷特性或阻力特性相差悬殊（差额大于50kPa，相当于输送距离100m或送回管道长度在200m左右）时，应采用在冷源侧和负荷侧分别设置一级泵和二级泵的二次泵变流量系统，且一级泵为定流量运行，二级泵宜采用变频调速泵，如图3所示。采用二次泵变流量系统时，应按下列要求设计：1—分水器2—集水器3—冷水机组4—动态水力平衡阀5—冷冻水一次泵6—止回阀7—静态水力平衡阀8—压差控制器9—冷冻水二次泵10—冷冻水一次备用泵11—末端风机盘管12—电动两通阀13—电动阀图3二次泵变流量系统4空调冷冻水系统的设计1)末端装置的回水管上应设置水量控制阀，具体设置方法应符合4(1)中第1)条的要求。2)冷热源侧和负荷侧的供回水共用集管（或分集水器）之间应设旁通管，旁通管管径应按1台冷水机组的冷冻水流量确定，旁通管上不应设置因何阀门。3)一级泵与冷水机组之间的连接方式及运行台数的控制，应符合4(1)中第3)、4)条的要求。4)应根据系统的供回水压差控制二级泵的转速和运行台数，控制调节循环水量适应空调负荷的变化。系统压差测点宜设在最不利环路干管靠近末端处。（4）两管制及四管制系统。根据建筑物的具体情况，在满足舒适性要求的前提下，合理地设计负荷侧空调水系统的制式，既可减少空调系统设备和管道的初投资，又能降低空调水系统的运行能耗。负荷侧空调水系统的制式，应按下列要求设计：4空调冷冻水系统的设计1)不存在同时供冷和供热，只要求按季节进行供冷和供热转换的空调系统，应采用两管制水系统。2)当建筑物内有些空调区需全年供冷水，有些空调区则冷、热水定期交替供应时，宜采用分区两管制水系统。3)对于全年运行中冷、热工况频繁交替转换或需要同时使用的空调系统，宜采用四管制水系统。（5）“一泵到顶”系统。空调冷冻水系统的静水压力不大于1.0MPa时，竖向不宜分区，宜采取水泵吸入式的“一泵到顶”系统，以减少由于分区而增大土建与设备的一次投资和电耗，并方便设备与系统的运行管理。4空调冷冻水系统的设计（6）空调冷(热)水系统的输送能效比（ER）应按下式计算，且不应大于表2中的规定值。ER=0.002342H/(ΔT·η)式中：H―水泵设计扬程，m；ΔT―供回水温差，℃；η―水泵在设计工作点的效率，%。表2空调冷热水系统的最大输送能效比（ER）注：两管制热水管道系统中的输送能效比值，不适用于采用直燃式冷热水机组作为热源的空调热水系统。管道类型两管制热水管道四管制热水管道空调冷水管道严寒地区寒冷地区/夏热冬冷地区夏热冬暖地区ER0.004330.005770.008650.006730.02415采暖与空调水系统的补水及定压设计（1）采暖和空调冷（热）水系统小时泄漏量是确定系统补水量、补水管管径、补水泵流量、水处理设备和补水箱