暖通节能技术在公共建筑中的应用

暖通节能技术在公共建筑中的应用上海建筑设计研究院有限公司寿炜炜引言•2005年7月1日，由建设部组织编制、审查、批准，并与国家质量技术监督检验检疫总局联合发布的《公共建筑节能设计标准》正式实施。这是我国批准发布的第一部有关公共建筑节能设计的综合性国家标准。•我国正处于城镇化和工业化快速发展时期，每年大约有20亿平方米的建筑总量，接近全球年建筑总量的一半，建筑能耗巨大。建筑节能的职责义不容辞。•建筑使用能耗中，暖通空调所用能耗占了40％以上。•《标准》中提出节能50%的目标，其中由北到南,围护结构分担节能率约25%～13%；照明设备分担节能率约7%~18%；空调采暖系统节能率约20%～16%。•暖通空调专业的节能意义重大，但任务艰巨。•为了促进暖通空调节能设计技术的发展与应用，将我院近年来的节能设计部分工程项目作一介绍。照明25%通风与空调43%通讯和办公设备24%热水5%电梯3%公共建筑能耗的组成（以某办公楼为例）实例一：一次变频泵变水量系统的应用•一次变频泵变水量系统的定义：VPF系统与传统的空调水系统的区别就在于冷水机组常在变水量工况下工作。•系统组成：冷水机组、末端设备、一次水泵、流量旁通阀、控制系统。•系统控制VPF系统的原理图P-S系统的原理图1）末端设备的控制。2）电动旁通阀的控制。3）水泵的变频控制。4）冷水机组的启停控制：•根据系统流量和供回水的温差计算系统的负荷确定机组的启停。•根据机组的运行电流（RLA）来控制机组的启停。VPF系统的控制一次变频泵变水量系统(VPF)与一、二次变频泵变水量系统(P-S)的比较1.VPF系统减少了运行费用，比P-S系统更节能；2.VPF系统减少了机房的占地面积；3.VPF系统的初投资较省。工程概况•总建筑面积约为24000平方米，三层，由数据中心、培训会议中心、业务办公中心和服务管理中心组成。信息中心机房部分设有专用恒温恒湿空调系统，数据中心和其他区域采用了两个独立冷源。•冷源配置：二台制冷量为１５８２kW电动离心式冷水机组，冷水的供、回水温度为７℃／１２℃；冷水机组的额定最小水流量为其设计最大值的60%；二台流量为３６１T/H开式冷却塔；三台端吸式变频冷水泵，每台水泵最大流量为３００T/H，其中一台备用。冷水原理图小结•要设计和调试出合格的VPF系统，单从每个硬件上来说并不是很难，难点在于如何让它们协调地工作，因为VPF系统的控制较复杂，控制不当就不能发挥它的优势。有时，为了简化控制不得不采取一些措施，如前所叙，尽量选择同一型号规格的机组。因此在设计和使用VPF系统时更需要暖通设计师、设备供应商、自控工程师之间紧密地合作。•总的来说，一次变频泵变流量系统与一、二次变频泵变流量系统相比较而言，有着节省初投资，节省运行费用，减少占地面积等优势，只要我们使用得当它将是一个具有广阔发展前景的空调水系统。实例二：上海花旗集团大厦空调节能设计一．工程概况•上海花旗集团大厦是世界著名金融财团——美国花旗银行集团的亚太地区总部，位于上海市浦东新区陆家嘴金融区。•基本概况：•大厦的总建筑面积为119150m2。•地下三层，为设备用房和地下汽车库；地上四十层，为办公室、银行配套用房和高级金融家会所。•总高179.2米，为超高层建筑。•设计始于2002年，2005年1月建成并投入使用。二．设计理念与思路•理念：在保证大厦安全为主导的舒适性前提下，采取一系列节能措施，最大限度地降低该大厦空调系统的能耗。•思路：将先进有效的节能技术应用于空调系统设计的各个环节，并配合高效的节能设备以及BAS系统有效的管理控制空调系统。体现在以下几个方面：•围护结构的热工性能：合理的建筑热工要求，主要为围护结构的传热系数、气密性等指标。并尽量考虑有效的自然通风，便于春秋过渡季节充分利用室外条件。•冷热源选择：采用天然气及电冷热水机组，合理利用能源。•空调水系统：分区四管制系统，外区设置采暖系统。分别设置冷热水泵，采用二次泵变流量系统、大温差输送等技术。•空调风系统：合理划分系统，VAV系统配合自动变频装置调节空调箱风量，并采用大温差输送等技术。•空调系统的自控：VAV系统采用风量控制法，并对周边散热器联锁控制。对冷热源系统、热交换器设备、VAV系统等进行统一的管理和控制。三．空调系统节能技术（空调冷热源）•天然气为主、电力为辅作为空调冷热源的能源，即设置三台直燃式溴化锂冷热水机组和两台离心式冷水机组。•充分利用夜间低谷电价。且电制冷机组采用10kV独立专线作为工作电源，与大厦的电压级别相符，节省了变配电设备的初投资，降低了电缆线耗。•平衡城市能源结构，减轻夏季供电压力，提高夏季低谷天然气负荷率。•具有较好的节能环保效果，保证城市安全，具有良好的社会和环境效益三．空调系统节能技术（冷热水系统）•冷热水采用机械循环四管制闭式系统，标准层分为田字型四块区域分别设置空调箱和冷热水立管，外区独立采暖系统。见下图。•各区可独立调节，同时解决了朝向不同以及内外区带来的负荷不平衡问题。•均可按空调末端负荷要求提供冷热量，节约了能源。•各末端设备可自由选择运行模式，满足了用户的舒适性要求。三．空调系统节能技术（冷热水系统）水系统使用一、二次泵变流量系统•空调一次水系统根据空调负荷对溴化锂机组和冷水机组进行台数控制。•二次变频水泵及水水热交换器后的三次变频水泵，根据空调负荷利用变频器进行流量和台数控制，以达到最大程度的节能运行。•具有很好的流量调节能力和节能效果，并且还能实现软启动、降低运行噪音、延长使用寿命等。三．空调系统节能技术（冷热水系统）空调水系统分为低区、中区和高区三个系统，中、高区在13F设备层分别设置水水热交换器。示意图见右图。•低、中区的工作压力均小于1.0MPa，减小初投资。•设一级换热器，与一泵到顶的方式相比，工作压力大大减小。•避免了二级换热，冷水品质较高，不需增加末端设备规格和投资。设置专用空调设备冷却水系统。三．空调系统节能技术(空调风系统)•标准层分为内、外区。内区单制冷变风量系统（VAV系统），外区设独立周边供热系统。见下图。•根据季节灵活使用，有利于节能。•外区采用散热器，设备初投资减少。散热器依靠空气对流的方式来达到采暖的目的，无需风机动力。三．空调系统节能技术(空调风系统)设置紧凑型空调箱，并采用大温差送风方式：•空调箱上进上出的方式，最大程度地减少机房面积。•夏季低温送方式，减小送风量，降低风机动力消耗。•减小了风管的截面尺寸，层高得到有效利用。三．空调系统节能技术(空调风系统)•采用VAV系统，并配合散热器的使用，见右图。•送风量可根据负荷变化而变化，节约风机运行能耗；•全空气系统，可利用室外新风消除室内负荷，没有水损等问题；•灵活性较好，易于改扩建，适用于格局多变的建筑。•散热器和VAVBOX的配合使用有着内外区分明、控制方便、使用安全、节省能耗等显著优点。四.使用效果•工程投入以来空调系统在各个季节使用效果均良好。•实现了设计理念，创造了一个舒适、节能、高效、温馨而安全的环境。实例三：中科院枫林科学园区植物生理生态研究所人工气候室工程一．工程概况：•中科院枫林科学园区植物生理生态研究所人工气候室工程，建筑四层，总建筑面积6150余平方米。•以人工气候室为主，部分为昆虫标本馆。•人工气候室的温度控制范围在12~38℃，控制精度为±1℃，湿度控制范围在50%~90%，控制精度为±5%，为恒温恒湿工艺空调，并要求各人工气候室可独立控制温湿度。•昆虫标本馆为舒适性空调。二．空调系统设计•针对人工气候室及昆虫标本馆单体内不同功能场所的不同使用要求，不同的负荷特点，设计分别采用不同的冷热源和空调系统：•人工气候室及昆虫标本馆单体内舒适性空调部分采用风冷热泵冷热水机组。•各人工光照培养室或气候室均为全年冷负荷，设计采用热回收型冷水机组。冷水机组水系统与热泵水系统之间，设连通管。•相关系统原理如附图所示：空调冷热水原理图三．空调节能设计主要内容•采用筒并联热回收冷水机组，将冷凝热回收利用：1.恒温恒湿空调系统的再加热，实现了能源的二次利用，改变了恒温恒湿空调领域采用电加热或其它能源进行再加热的历史，极大地降低了恒温恒湿空调系统的总能耗，节能显著。2.部分房间设置地板采暖，相应减少了供热能耗，充分节能。•人工光照气候室的主要冷负荷是照明负荷，在运行中，照明负荷变化很大，设计空调系统的风机，采用变频控制，调节送风量，节省风机运行电耗。•冷水机组水系统设置了与热泵冷热水系统的连通管,在部分冷负荷时，可避免启动热泵机组，节省系统运行能耗。四运行效果•工程投入运行以来空调系统在各个季节使用效果良好。•根据目前的规模，改造前全年运行费用将达600多万元；现在350万元。实例四：上海光源工程工程概况•上海光源工程（第三代同步辐射装置）是由国家、中科院和上海市共同投资建造的，是我国最大的科学实验装置。该装置可广泛应用于科学研究和社会经济发展的众多领域，如医药、工业、环保、材料等，是各类科研工作平台。上海光源工程建于上海浦东张江高科技园区内。工程概况•该装置是主要由直线加速器、增强器、储存环组成，并设置供光束线实验站使用的场地——实验大厅，见平面图。•使用特点：每年连续运行6000小时。ABCABBBBBBBCCCCCCC光源装置主要由100MeV直线加速器、3.5GeV增强器、3.5GeV储存环、光束线和实验站组成直线加速器增强器光束线站储存环•一期总建筑面积约为5万多m2，包括主体建筑、综合办公楼、综合试验室、动力设备用房、变电站及用户招待所等。•主体建筑是一个直径约为210m的环形建筑，由电子直线加速器隧道、增强器隧道、储存环隧道以及光束线站实验大厅等组成。•主体建筑中的存储环隧道外沿周长约452m，近似一个外径144m宽7.5m的封闭圆环，将主体建筑分为内技术走廊和位于环外的同步辐射光源试验应用区域（包括实验设备大厅、实验辅助用房）。•主体建筑的平面布局如下图所示。主环建筑平面主环建筑剖面储存环同步辐射装置平面布置国外光源隧道内照片光源装置对空调与工艺冷却水的要求•光源装置运行耗能达十多个兆瓦，其中由工艺冷却水带走到热量达7～8千KW。同时有相当部分的回水温度是超过34℃。对冷却水温度稳定性的要求±1℃、±0.5℃、最高±0.1℃。•光源装置运行时，还有一部分热量是由空调带走。由于同步辐射装置会因温度变化而变形，造成光束偏移，因此储存环隧道的外环境必须具有很稳定的环境温度部分室内设计参数注：1。隧道内温度基数根据实际运行情况可调；2。大厅空调区域控制高度为5米。新风量仅为空调区域≤550.5次/时换气—≥3020±2≤7026±2储存环内技术走廊新风量仅为空调区域≤550.5次/时换气—≥3020±2≤7026±2线站实验大厅1.隧道内基准温度差不大于3℃；2.防振动，隧道内的风速不易过大，控制小于1m/s；≤600.5次/时换气—≥30初期27±0.5最终27±0.2≤70初期27±0.5最终27±0.2储存环隧道相对湿度％温度℃相对湿度％温度℃备注噪声标准dB(A)新风量m3/h•p人均使用面积m2/p冬季夏季房间名称。节能设计内容1.冷源系统的节能a空调及工艺冷却水冷源系统；b工艺冷却水系统。2.输送系统的节能a保证工艺要求的实验大厅及储存环空调采用四管制，周边辅助实验室采用两管制；b采用二级泵系统。3.空调系统的节能a大厅空调通过CFD模拟，采用节能性能好的分层空调和二次回风设计。工艺冷却水冷源系统设计•系统节能措施：•采用冷却塔冷却与人工冷水冷却相结合的方法，充分利用过渡季与冬季大气的冷却能力。•采用横流塔，以满足冷却水流量变化的要求。•将工艺冷却水用的冷水机组与空调用的冷水机组分开，采用出水温度允许较高的螺杆机，实际出水温度是13℃。据厂家资料，COP达6.2，部分负荷性能系数可达8.0。•冷却塔总水管预留管箍，以便以后采用热回收。空调冷源系统原理图·由于长年需要供冷，冬季采用板式换热器供应免费冷源。·采用二次泵变频控制。·自动流量控制阀的运用。大厅空调节能设计实验大厅中储存环隧道采用微负