劉雅明,王超民
(1.中國新興建筑工程有限責任公司,北京 100009;2.北京市工業(yè)設計研究院有限公司,北京 100055)
隨著國家城市化建設的不斷發(fā)展,基礎設施的建設步伐也在逐漸加快,國家對大型基建工程建設的投入也在增多,同時,要求加快更新建筑節(jié)能、市政基礎設施等標準,提高節(jié)能降碳要求。對于高大空間建筑,在實際的設計過程中往往都需要設置暖通空調系統(tǒng),但受制于此類建筑本身的特殊性,在實際的暖通空調設計中還存在著較多提升的空間。在高大空間建筑暖通空調系統(tǒng)的節(jié)能設計中,必須充分遵循功能達標原則、綠色環(huán)保原則、經(jīng)濟適用原則以及以人文本原則。如果設計效果較差,會很大程度上影響暖通空調后續(xù)的正常性使用,還會對室內的采暖通風效果造成不利的影響。對此,就需要設計者重視對高大空間建筑暖通空調設計的分析,后續(xù)采取合理性的措施來實現(xiàn)其節(jié)能設計,以此提高資源的利用率,實現(xiàn)節(jié)能分析及設計帶來的經(jīng)濟價值。
在高大空間建筑暖通空調系統(tǒng)的節(jié)能設計中必須充分遵循功能達標原則。暖通空調系統(tǒng)的主要功能是為建筑室內提供采暖、通風和空氣調節(jié),所以無論如何設計,前提都必須確保其達到相關功能標準。由于不同建筑物的室內設計參數(shù)各不相同,暖通空調系統(tǒng)的節(jié)能設計必須與相關標準保持一致,在此基礎上不斷對系統(tǒng)進行完善和優(yōu)化做到空調系統(tǒng)功能的達標。
暖通空調系統(tǒng)在日常運行中,對能源的需求量較多,由此引發(fā)的環(huán)保問題也日益突出。所以,設計人員要對高大空間暖通空調系統(tǒng)工作原理、功能性充分了解,堅持綠色節(jié)能設計理念,對溫度進行調整,在保證系統(tǒng)功能充分發(fā)揮的同時,將能源消耗降到最低值。在具體設計環(huán)節(jié)可以使用高效節(jié)能的技術及設備,制定完善的方案,科學合理簡化整個系統(tǒng)流程,在施工成本方面嚴格控制。
高大空間建筑暖通空調系統(tǒng)是否具備安全性,不僅影響空調系統(tǒng)功能的發(fā)揮,且直接影響用戶的安全。它不同于普通分體空調,其系統(tǒng)具有一定的復雜性,設備運行過程中,維護工作也比較煩瑣。以北方為例,熱源如采用鍋爐房提供,則設計時需要對鍋爐房進行合理規(guī)劃,以便日后維護及維修,設計時管道工作壓力等需要做詳細計算,設備運行前做好壓力試驗,泄漏試驗等,避免存在安全隱患或在后續(xù)運行過程中出現(xiàn)問題[1]。對漏氣事故進行預防,做好事故通風等系統(tǒng)措施等??傊?,在設計暖通空調系統(tǒng)時,不管是在哪個環(huán)節(jié),都需要嚴格按照行業(yè)的相關標準,確保達到安全標準。
設計者很難改變固有思維的設計理念,如選用系統(tǒng)單一、選用設備安全系數(shù)較大,容量過大等,造成空調系統(tǒng)節(jié)能性差。隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展,當今社會面臨著能源短缺的嚴重挑戰(zhàn),必須盡最大努力開發(fā)能源利用最大化的方法,合理使用所有能源。近年來我國開始實行節(jié)能減排政策,空調系統(tǒng)節(jié)能技術得到逐漸推廣。設計者一定要具先進的設計理念,要有節(jié)能設計的意識,要增強低碳和綠色生態(tài)意識,通過設計提高人們對空調系統(tǒng)節(jié)能的重視,以能夠進一步推廣空調節(jié)能系統(tǒng)的應用。
對于不同的高大空間建筑的使用功能及建筑特點,要通過計算、模擬等對比選出比較適合的空調方案,能源供給方案,保證所選方案的最優(yōu)化。如蓄冷技術方案、吸收式制冷方案、熱泵空調系統(tǒng)與氟系統(tǒng)等。每種方案都有各自的優(yōu)勢與特點,分別適用于不同環(huán)境與條件下的建筑。在冷熱源方案選擇方面,應需要經(jīng)過多方比較分析,選擇既適合建筑功能特點與使用要求,又能保證空調系統(tǒng)可靠性與高效性的方案。同時,設計過程中要驗證計算數(shù)據(jù)的準確性,是否存在系數(shù)過大等情況,嚴格按照規(guī)范進行設計。因此設計、計算、檢查和分析每個環(huán)節(jié)均很重要。
①由于高大空間公共建筑跨度較大,在實際設計時設置風口位置時需考慮其風速與溫差的有效控制,回風口與送風噴口盡量安裝在同側,使工作區(qū)與回流區(qū)重疊,確保工作區(qū)能夠正常使用空調系統(tǒng)。②采用分層空調系統(tǒng)時應注意在進行冷負荷計算時,要充分考慮工作區(qū)和非工作區(qū)域存在的熱輻射和對流問題,需采用分層計算的方式計算,而熱負荷計算時要以全空間為準進行計算。③若采用側送形式應根據(jù)季節(jié)對送風角度、相關閥門等進行調節(jié),提高分層空調系統(tǒng)運行效率的同時豐富高大空間暖通空調通風系統(tǒng)的設計內容。高大空間公共建筑采用分層空調系統(tǒng)能在保證室內空調要求的前提下最大限度地節(jié)省能源,達到節(jié)能環(huán)保的效果。氣流組織形式的合理設計對于分層空調系統(tǒng)來說至關重要,而側送下回的氣流組織方式不僅實現(xiàn)了工作區(qū)的空調要求,還能使經(jīng)濟節(jié)能與舒適性有效統(tǒng)一,因此側送下回的送風方式被廣泛應用。
下送風空調系統(tǒng)常見于大型劇院或影院等觀眾相對集中的高大空間建筑,這類建筑對空調系統(tǒng)的降噪水平要求較高,因而設計實踐中大多使用“下方送風、上方回風”的低速空調系統(tǒng)。下送風空調系統(tǒng)的送風口一般設置在座椅下方,設計人員通常會將送風通道隱藏在座椅地面的夾層結構中,并在安裝后及時做降噪和防火處理;下送風空調系統(tǒng)的回風口則設置在觀眾密集區(qū)域的建筑頂棚上。與此同時,為保證觀眾的舒適度,設計人員還需要嚴格控制送風溫差,一般將溫差控制在4℃左右即可。下送風空調系統(tǒng)運行期間,室內溫度自下而上逐漸上升,但觀眾密集區(qū)域卻能保持相對穩(wěn)定的濕度和溫度。區(qū)域內氣流分布比較均勻,空調送風量較小,運行負荷不大,因而設計人員在選擇空調時不需要過多考慮參數(shù)。此外,還應注意的是,因為座椅下方的送風口離觀眾比較近,所以設計人員要在確保溫差達標的基礎上,嚴格控制該區(qū)域的送風流量和實際溫度,使系統(tǒng)的送風速度不超過1.8m/s,以確??照{氣流傳送到觀眾腿部的實際速度不超過0.2m/s,從而在落實節(jié)能環(huán)保理念的同時,滿足觀眾的舒適度等需求。
高大空間建筑工程項目設計時,需要考慮建筑本身的結構特征、使用規(guī)律、功能需求,平面布局等設置相適用的通風排煙系統(tǒng)。
(1)高大空間的通風設計可結合空調系統(tǒng)設計共同設置,如空調系統(tǒng)為全空氣系統(tǒng),可采用一次回風系統(tǒng),滿足房間通風換氣要求。若空調系統(tǒng)非全空氣系統(tǒng),則需單獨設置送排風系統(tǒng)。通常考慮經(jīng)濟及節(jié)能性,設計優(yōu)先采用自然通風系統(tǒng)。若無自然通風條件,則采用機械送排風系統(tǒng),自然通風面積及機械通風換氣次數(shù)均應滿足規(guī)范要求。
(2)高大空間建筑的排煙系統(tǒng)設計時同樣優(yōu)先采用自然排煙系統(tǒng),其次選擇采用機械排煙系統(tǒng)。對于公共建筑及工業(yè)建筑中空間凈高大于6m 的場所,排煙量均比較大且按空間凈高遞增,凈高大于9m 的空間,均按9m 取值。排煙量及自然排煙口的面積、設置原則應滿足《建筑防煙排煙系統(tǒng)技術標準》[2]的規(guī)定。總之不論哪種建筑必須滿足消防要求,保證消防系統(tǒng)安全性,才能確保人員安全,降低突發(fā)事故時人們的財產(chǎn)經(jīng)濟的損失。
對于高大空間,分層空調是采用比較廣泛的一種空調方式,分層空調是指僅對下部區(qū)域設置空調系統(tǒng),而對上部區(qū)域不設置空調系統(tǒng)的空調方式,與全室空調相比,具有節(jié)省初投資和運行能耗低等特點。分層空調通常采用噴口送風方式,做法是將噴口安裝在空間的周邊側墻,以4~12m/s 的速度、8~12℃的溫差及一定的角度射流,經(jīng)氣流衰減,使回流經(jīng)過人員活動區(qū)帶走熱量和濕量。如高鐵站換乘大廳這種跨度較大的高大空間一般采用了雙側對噴的送風方式。從資料調研發(fā)現(xiàn),噴射角度是影響送風效果的關鍵因素。在設計中,利用流體仿真軟件Fluent 對不同送風角度下[3],換乘廳的速度場及溫度場進行模擬計算,以便得到整個設計空間的空氣流速及溫度的分布,分析不同送風角度對室內氣流流動與溫度分布的影響。通過模擬結果可以將系統(tǒng)送風口的設計安裝角度做到最優(yōu)的調整,以達到最佳的使用效果。
暖通空調在使用的過程中,由于外界的溫度和濕度都會發(fā)生改變,導致空調系統(tǒng)的負荷有所改變,在這種情況下,如空調設備及水泵等一直都使用原來所設定的頻率運行,那么就會耗費大量的電能。設計時可選用變頻設備,根據(jù)負荷的變化實現(xiàn)自動調節(jié),通過變頻技術實現(xiàn)達到節(jié)能減排的目標。
在高大空間建筑暖通空調系統(tǒng)設計時,大多數(shù)都會使用中央空調,而7℃是中央空調冷水機組冷凍水供水溫度最佳數(shù)值,設置時不要太低或太高。如果冷凍水供水溫度提高到9~10℃,高大空間建筑中室內舒適度變化不會太大,但會降低冷水機組能耗。冷凍水供回水溫差5℃是中央空調供回水溫差最佳數(shù)值,可靈活調節(jié)至8℃左右,流量、溫差保持反比例,如果流量小則選擇的溫差要大,以免大流量時出現(xiàn)小溫差運行情況。32℃是中央空調冷卻水進水溫度最佳值,可自由調節(jié)在24~32℃。目前,高大空間建筑中暖通空調設計中,要保證溫度、節(jié)能需求,就要結合運行試驗情況,對不同機組進行選擇,確??照{內冷凍水進水的溫度,同時,使冷水機組處于合理溫度時COP 值是最高的。將5℃設定為冷凍水進出口水溫差最佳值,45Hz 設定為循環(huán)泵變頻器上限,30Hz 為變頻器下限[4]。如果空調冷水機組冷凍水供水量比最小流量要高,那么表明變頻器下限頻率設計是合理且高效的。中央空調符合高大空間建筑節(jié)能減排要求,但是,需要重視變頻器運行過程中頻率的設計,在保證運行安全平穩(wěn)的同時,達到節(jié)能目的。
根據(jù)高大空間建筑功能設計使用需求,可通過采用地面輻射供冷供暖系統(tǒng),可減小室內垂直方向上的溫度梯度、提高熱舒適性。地面輻射供冷系統(tǒng)供回水由冷水機組提供,經(jīng)板換后供回水溫為16℃/19℃;地面輻射供暖系統(tǒng)供回水由鍋爐提供,經(jīng)板換后水溫為35~45℃。使用時可根據(jù)室溫打開或關閉集分水器閥門。特別對于密集型的高大空間建筑,人員本身發(fā)熱,使得人員區(qū)域的溫度偏高,送風與室內空氣摻混后,溫度提升,全空氣系統(tǒng)不能有效地送至下部區(qū)域。而當采用地面輻射供冷時,地面溫度較低,一方面可以承擔室內顯熱負荷,另一方面能夠促使送風更加緊密地貼近地面,讓處于地面一定高度的人員能夠呼吸到新鮮的空氣。
在人們生活的自然環(huán)境中存在著很多的可再生資源,如潮汐能、地熱能以及太陽能等,在暖通空調系統(tǒng)安裝的過程中,如果想要充分發(fā)揮節(jié)能環(huán)保的理念,就可以通過運用這些可再生資源來實現(xiàn)。設計人員可以利用電能等高品位能源方法來進行低品位和高品位能源的轉換,在夏天,可以利用地源熱泵將冷源傳遞至溫度較高的地方來,降低室內溫度,而且也可以應用太陽能來收集熱量或設置太陽能集熱墻等減少暖通空調對環(huán)境的消耗,通過利用可再生能源,也可以維持暖通空調正常的運行[5]。
在進行暖通空調的設計時,應將舒適、舒緩的送風方式視為基本設計原則。基于此,暖通空調系統(tǒng)需要回收熱量并將排風中的熱量轉化為新的能源。這樣不僅可以降低暖通空調的能耗,還可以減少余熱污染到環(huán)境。實施回收設計需要正確選擇設備以確保能源消耗的回收。在污染或能源消耗增加的情況下,設計應基于使用者的位置來考慮,確保暖通空調系統(tǒng)熱回收的高效率應用。
如今,形式多樣、功能復雜的高大空間建筑越來越多,這給暖通空調系統(tǒng)的設計和安裝帶來許多新挑戰(zhàn)。另外,隨著國家大力提倡節(jié)能環(huán)保理念以及國民環(huán)保意識的增強,設計人員需要根據(jù)建筑工程的不同情況來綜合考慮建筑布局、使用功能、使用時間、室內環(huán)境要求等內容來制訂最優(yōu)的設計方案,從而滿足建筑使用需求,實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保目標。