地铁车站高效空调系统设计方法与能效评价

【学员问题】能效建筑规划设计方法？

【解答】一、前言

为了维持室内舒适的光环境和热湿环境，建筑要消耗大量的能量用于照明、采暖和空调。据统计，发达国家建筑能耗在总能耗中所占比例很大，约40%，中国目前的建筑能耗约占总能耗的23%左右，预计到2010年将提高到35%左右。建筑工业中越来越重视可持续建筑的发展，因此能效建筑规划设计（EnergyEfficientStrategicDeSignH}常重要，它将是可持续发展建筑设计的重要手段。

所谓能效建筑规划设计就是根据当地的气候条件，通过建筑设计及技术手段，充分利用自然资源，减少对有机能源的依赖，达到舒适的室内环境。目前，中国的建筑设计更多的是侧重于建筑的外观和功能，而忽视建筑的能效性，即忽略了在建筑设计的初始阶段，进行建筑能效规划设计的优化方案选择。根据调查分析，能效设计概念难以在实践中实施的原因是多方面的，其中主要原因之一是缺乏能为建筑设计师所接受和使用的，在建筑设计初始阶段进行的能效设计规划计算方法和计算软件。本文介绍英国剑桥大学建筑系马丁建筑与城市研究中心开发的一种为建筑师规划设计所提供的照明及热能计算方法（LT方法，LightingandThermal），该方法在英国建筑能效规划设计中运用广泛，已有十几年的历史，特别适用于能效建筑规划设计。

二、能效建筑规划设计原理

1.被动式建筑概念（PaSSiVeBLlikling）具体地讲，被动式建筑就是通过建筑设计，使建筑冬季充分利用太阳辐射热取暖，尽量减少通过围护结构及通风渗透而造成的热损失；夏季尽量减少因太阳辐射及室内人员、设备散热造成的得热量。从被动式建筑设计概念出发，我们可以将整个建筑划分成被动区和非被动区（PassiveZoneandNon—passiveZone）。被动区受室外气候参数及周围建筑环境的直接影响，如太阳辐射，照明，自然通风、周围建筑的遮挡等，被动区进深一般为建筑层高的2倍。而非被动区可以认为不受外霁气候参数的影响，它只受室内人员设备散热的影响，该区白天也需要照明。LT方法就是基于这一原理，对各区建立能量方程，计算为维持室内要求的光、热、湿环境要求所消耗的能量。关于该方法数学模型的建立不在此文讨论，本文侧重于该方法的应用。

与目前普遍使用的建筑热模拟工具不同之处在于，LT方法简化数学模型，抓住建筑设计中主要矛盾展开研究，因而所需输入的数据限制在极小范围（在建筑规划设计中，详细建筑信息也无法获得），这样便于方案比较，使用灵活简便。当然，在建筑设计完成后，要对建筑作进一步细致的热过程分析及设备选择等工程设计时，该方法的功能受到限制。

2.建筑设计参数能效建筑规划设计的目的就是通过对建筑参数的优化设计，达到既节能又满足室内热环境的目的。建筑设计参数包括4）：

（1）建筑参数地点：建筑地点的输入是为了确定其气象数据。逐小时的气温、太阳辐射值已集成在软件中，随着地点的确定，气象数据即自动输入到程序中；建筑尺寸：该参数可直接从屏幕中图象输入；建筑方位：在屏幕中图象输入的同时方位即被确定；建筑结构类型：该项参数分为三类，即重型、中型、轻型；建筑功能：建筑功能分为学校、办公室、住宅等，一旦建筑功能确定，作息时间即确定，这是影响建筑能耗的因素之一。

（2）设备参数供热效率：指锅炉的热效率；制冷效率：指制冷设备效率；室内散热：包括人体和设备散热；冬季换气次数：为健康要求所需的最低新鲜空气需求量；夏季通风方法：大风量自然通风/小风量自然通风/夜间通风。

（3）照明参数设计照度：根据房间的使用功能输入设计数据。

（4）围护结构参数屋顶传热系数、外墙传热系数、地面传热系数、窗户传热系数：按设计的要求输入数据。

（5）热工参数冬季采暖设置温度、夏季空调设置温度：按设计的要求输入数据；夏季过热温度设置：根据当地气候，建筑功能设置。

热能方程及照度计算所要求的其它一些参数，根据设计规范要求集成在计算软件中，大大简化了软件的使用过程。设计人员可对主要设计参数加以改变，分析由此而引起的建筑能耗的改变，计算机可对所设计的不同参数的建筑设计方案进行全年能耗比较，建筑师可通过对不同方案的比较，优化出最佳方案。

3.应用举例为了便于解释，我们举一案例加以说明。所计算的建筑为位于英国南部地区的办公楼建筑，建筑使用时间为上午9：00到下午6：00，建筑结构为中型，锅炉的效率系数为O.85，制冷效率为2.5，室内人员及计算机设备散热为15W/㎡，冬季换气次数为每小时1次，室内照度要求为300lux，屋顶、外墙、地面及窗户的传热系数分别为0.25W/㎡.K、O.45W/㎡·K、O.45W/㎡.K、2.9W/㎡·K.冬季采暖设置温度为19℃，夏季空调设置温度21℃，夏季过热设置温度为23℃。

（1）窗墙比（GlazingRatio）窗墙比定义为窗户面积与该外围护结构面积之比。LT计算软件可根据所输入的建筑信息运行生成不同方位的被动区窗墙比与能耗的关系曲线。注意，这里的能耗是指原能，又称基本能量（PrimaryEnergy），包括能源在生产及输送过程中的损失。

为该案例各朝向单位面积终端能量消耗量与窗墙比的关系曲线图。从图中可以看出，照明所消耗的能量（黑虚线）会因增大窗墙比而减小，当窗墙比面积小于35%时，这种变化非常显著，即增大窗户面积有利于自然采光，减少照明用电能耗，但窗墙比大于40%时，天然采光对减少照明用电能耗并没有太大的优势。

供热所消耗的能量（黑色细线）除北向外，随着窗墙比的增加，采暖能耗稍有所下降，这是因为充分地利用了太阳辐射热。

而对于北区，由于增大窗户面积而增加了导热传热，又没有太阳辐射热补偿，因此采暖能耗会因窗户面积增加而增加。对于空调能耗来说，则相反，由于增大窗墙比，南面及东西面受太阳辐射的影响，空调能耗（灰线）会急剧增加。相比之下，北面空调能耗增加幅度小一些。图中黑粗线为照明、采暖及空调的总能量曲线，表示了这一案例条件下，各朝向的最佳窗墙比。

可以看出，南向最佳窗墙比约30%左右，东西向25%～30%，北向30%～40%左右。

（2）建筑保温围护结构如外墙、屋顶及窗户的保温性能，可通过U值反应出来，U值是指围护结构的传热系数。通过改变U值，可以比较各能量分配中的变化。

为不同的U值对单位面积建筑能耗的影响。本文列举了U值分别为0.45（英国标准），0.82（中国新标准）及1.7（中国原规定）值进行了对比计算。从图中可以看出，围护结构传热系数对建筑能耗影响较大。增加围护结构保温性能，会大大减少建筑总能耗。

（3）通风自然通风及夜间通风是一种排除室内散热，降低室内温度，提高热舒适性的有效方法。对于所设计的建筑方案是否采用自然通风作为降温方法，也可以通过方案比较，作出选择。为该案例舒适温度设置为23℃时，通风方案对室内舒适度的影响。

这里引用了“过热天数”指标，如果一天中有连续2小时超过所设舒适温度，则称该天为过热天。图中灰条线为小风量通风方案，白条线为大风量通风方案，黑条线为夜间通风方案，它们分别表示了各方案夏季“过热天数”（0VerheatingDays），建筑师可以应用这一指标，在规划设计时对自然通风方案的选择进行分析和决策。

影响能效建筑设计优劣的因素之间也相互影响，如增大窗户面积，有利于充分利用自然光照明，减少用电照明的能耗，冬季南向窗户有利于接收太阳辐射热以减少采暖负荷，但过多增大窗户面积也会造成夏季不利的太阳辐射热，进而增加空调负荷。

在照明能耗，供热能耗与空调能耗的之间存在着平衡点，如何全面地考虑这些因素，使建筑设计达到能效的目的，这就需要对建筑设计的不同方案从能效角度进行方案比较。本文介绍的能效建筑规划设计方法——LT方法就是根据这一要求而发展的能效建筑规划设计辅助工具，它已编制成用户界面，使用灵活方便。多种方案的全年能耗运行结果以图像形式呈现在屏幕上，便于比较和决策之用。

三、能效建筑区域规划

建筑能耗不仅受单体建筑自身参数，如建筑布局、方位、位置等的影响，而且受周边建筑及环境的影响勖。例如，对于一个建筑，街对面的建筑（又称遮挡物建筑Ob—StructionBunding）高度，与该建筑的距离及其建筑材料会影响此建筑的照明、采暖和空调能耗。因此，能效建筑规划设计应该既考虑单体建筑的能效设计又综合考虑总体建筑规划。为了便于分析，我们采用城市高度角（UHA）及遮挡建筑视角（OSV），这两个概念见图5所示。室内的自然采光及太阳辐射量，受这两个参数的影响，直接影响到照明、采暖和空调能耗。因此，如何实现合理的城市布局及总体规划，对建筑节能也具有重要意义。

1.计算方法结合LT方法对整个城市或小区进行建筑能耗设计规划，剑桥大学马丁建筑研究中心开发了LT—urban程序，它是根据城市建筑群布局，采用Matlab图像处理技术，获取LT能量计算所需要的朝向、方位、城市高度角等参数，再将LT所计算的建筑能耗（照明、采暖空调能耗）反应在建筑规划图中。建筑师不必掌握Matlab图像处理技术，仅需在CAD软件中用不同颜色对不同高度的建筑加以区别，并以JPG文件格式输出。LT—urban将自动把建筑群图形转换成黑白灰度数字高度模型（DigitalEleva—tionModel—DEM）。该模型在Matlab上运行，可产生能量计算所需要的参数，如被动区、非被动区、朝向、城市高度角等，并能计算出对应参数的城市建筑规划能量图，为建筑师进行能效建筑规划设计提供依据。

2.应用举例本文以马丁建筑研究中心受欧盟资助的项目“温室气体零排放城市发展——能量、建筑、人及微气候”为例，说明能效建筑规划设计方法在城市规划设计中的应用。

（1）城市数字高度模型（DEM）建筑区域规划图经CAD赋色处理后以JPG形式输出，Matlab程序则自动将此图形转化成能分辨出建筑高度的平面图，即城市数字高度模型。为英国伦敦、法国的图卢兹、德国的柏林的市区400×400的城市数字高度模型图。该图形为下一步的建筑方位，城市高度角、障碍物视角、被动区与非被动区等参数的计算提供基本参数。

（2）城市建筑参数图城市数字高度模型图输入Matlab程序后，计算机自动生成所要求的各建筑参数图。图7为伦敦6m高处建筑参数图，它们分别表示被动区、非被动区；朝向、视角；UHA和0SV.

（3）城市建筑能量分布图Matlab程序确认所需建筑参数后，计算机自动生成该区域全年能耗图。为英国伦敦的城市全年总能耗分布图。

对新建小区，建筑师可对不同的建筑布局进行能量比较，直观的区域建筑能量规划图像显示便于帮助建筑师对整个区域的能效建筑设计作出合理规划。

四、结语

本文的目的在于提高建筑师的环境设计意识，作者介绍了英国剑桥大学马丁建筑城市研究中心开发的为建筑师所用的能效建筑规划设计方法——LT方法。该方法所需输入的建筑基本参数少，便于对影响建筑能耗的建筑参数进行方案选择比较，使用灵活、省时。LT方法与Matlab图像处理技术相结合的基础上开发的LT—Ur—ban程序，是一种用于城市区域能效建筑规划的方法。该方法为建筑师的能效建筑规划设计提供了有力工具。

以上内容均根据学员实际工作中遇到的问题整理而成，供参考，如有问题请及时沟通、指正。

【学员问题】热泵型空调系统的设计方法？

【解答】一、空调负荷与容量的确定

空调负荷包括空调冷负荷和空调热负荷。空调冷（热）负荷指为将室内的空气参数维持在设计参数状态，单位时间内需向建筑提供的冷（热）量。这是一个受室内设计参数、室内人员、设备等散热、散湿量、围护结构性质、室外空气环境参数（包括温度湿度、气流速度等）、太阳辐射强度等诸多因素影响的变量。在室内外设计计算参数条件下的空调冷（热）负荷为建筑物之空调设计计算冷（热）负荷。让空调系统恰如其分地提供冷（热）量，以满足设计计算状态下建筑物的需求，并随时适应建筑物空调冷（热）负荷及其变化的需要是空调设计的根本目的。

在空调系统设计过程中，空调负荷计算是第一步，空调负荷的计算应包括空调设计计算负荷的确定和各时段负荷的分析。其次，设备的容量必须满足空调设计计算冷（热）负荷的要求，另外设备的配置应适应空调负荷变化的特点。在以空气源热泵型冷热水机组为冷源的空调系统设计中热泵机组的容量既要考虑到大楼各部分的同时使用系数，还应考虑到热泵的实际制冷量、实际供热量会因设备间距限制等原因造成通风不畅，部分气流短路（这部分的出力损失约占5%左右）而受到影响，和室外换热器因表面积灰、换热器表面结垢、设备衰减等因素的影响，故所选择的热泵机组尚应考虑安全系数。

由公式来表示：、Q=β1？β2？QD.

式中，Q——热泵机组在设计工况下的制冷（供热）量KW、QD——设计计算负荷，KW、β1——同时使用系数，由具体工程定，一般为0.75～1.0、β2——安全系数，一般取1.05～1.10.

另外，热泵机组既要满足系统夏季的供冷要求，又要满足系统冬季的空调供暖要求。各不同供应商的热泵机组的额定制冷量，额定供热量的参数不尽相同，与各地区空调室外设计参数不一定一致。对南京而言，一般供应商所提供的热泵机组额定制冷工况条件与实际一致或相近，一般空气干球温度为35℃，空调冷媒水进出水温度分别为12℃、7℃左右。而冬季制热热泵的额定工况条件为室外空气温度7～8℃，进出水水温为50-55℃。这一条件与南京地区冬季空调设计计算温度相差甚远。南京气候特征为冬冷夏热。对于一般办公、酒店为主的综合楼，冬季空调供暖设计计算热负荷约为夏季空调设计计算冷负荷的70-85%.在热泵机组选择时，应查看热泵机组对应于当地设计计算气象参数条件的真实出力。如果热泵机组在设计计算室外参数条件下的制冷量大于设计计算冷负荷，而制热量等于热负荷，则应以热负荷为准选择热泵。反之，如果制冷量满足设计计算冷负荷要求，而供热量大于所需热量，则可考虑部分选用风冷型冷水机组，部分选用热泵机组，以减少投资。一般情况下，按夏季负荷选定的热泵，能满足冬季供暖的要求。

二、机组类型与台数的确定

热泵型冷热水机组根据压缩机的不同可分为涡旋式热泵机组、往复式热泵机组和螺杆式热泵机组，按机组结构大小、组合规模不同，热泵机组可分为整体式热泵机组和模块式热泵机组。整体式热泵机组与模块式热泵机组没有本质的区别，所谓模块式热泵就是指一台热泵机组由若干台热泵单元（有独立的制冷回路、独立的蒸发、冷凝、独立的框架，甚至有独立的控制板）并联而成，各单元增减组合灵活方便，任意一单元的故障不影响其余各单元的工作。

每单元的额定制冷量为55KW左右。国内热泵机组生产企业以生产模块式热泵机组为多，而整体式热泵机组从外观上看是一组合单元，一整体框架，虽然内部可有多台压缩机，甚至有2个以上的制冷回路，但它们之间一般不可再分解。模块式热泵机组的主要优点是噪音低、振动小，由于系统总的制冷回路多，冬季化霜时对系统水温影响小。系统互备性也好，另外，热泵机组一般置于屋顶，模块式热泵机组由于各单元组合灵活，各单元尺寸小，重量轻，故具有运输吊装、安装方便等优点。如工程较大，模块式热泵机组会由于制冷单元数量较多，而存在故障点多、维护量大的可能，额定工况下的效率也略低于整体机组。另外，由于模块化热泵一般采用板式换热器，对水质要求较高，对各单元之间水力平衡的要求也较高。综上所述，对较小系统，或对尺寸、重量吊装等有特殊要求的场合，模块式热泵有其优越性。

所选用模块式热泵应注意三个问题：一是水质要求，入口要设较高过滤效率的过滤器，二是水力平衡要好，三是拼装块数不宜过多，以免影响换热器的进风面积。一般一组不宜超过6个单元。在选择整体式热泵机组时，应考虑到空调系统负荷变化的特点和设备间的互备性，考虑到冬季热泵化霜时尽可能减少对水温的影响。一般一个空调系统的热泵台数不宜低于2-3台，每个空调系统的配置的热泵机组的总的制冷回路数不宜少于4-6个。当然，热泵的台数还应考虑大楼功能、用户单元划分、计量、管理等综合因素。致于往复式热泵机组与螺杆式热泵机组，从理论上讲，螺杆式热泵运动部件少，维护量少，效率也高，噪音也低。但由于热泵的噪音很大一部分来源于风机，而且压缩机的噪音可以通过加隔音罩等办法降低，故实际上螺杆式热泵的噪音比活塞式热泵的噪音略低（约3-5dB（A））。另外，对于热泵机组热阻主要在室外换热器侧，热泵的效率还受两器面积等因素的影响，故从工程角度，螺杆式热泵与活塞型热泵在效率上的差异有限。但螺杆式热泵的价格高于往复式热泵。

关于制冷剂问题，有条件时尽可能选用对环境影响小的制冷机，如R134a、R407C等，其中应优选R407C其次是R134a，从冷剂价格考虑，目前最便宜的是R22.

三、热泵的位置

热泵的位置有下列几种，一是置于裙楼顶，二是置于塔楼顶，三是置于窗台，四是置于净高较高的室内。考虑到吊装及日后更换等原因，热泵被较多的置于裙楼顶。当热泵置于裙楼顶时，要评估其对主楼及周围环境的影响，较大的热泵机组（≥200RT），单机噪音在75～85db（A）左右。有必要时可加隔音屏障，或在主楼靠热泵侧避免开门，做双层窗或高质量中空玻璃取代普通单层玻璃窗。布置于窗台的热泵往往是每层要求独立配置、单独计量的场所，只限于较小容量的热泵，宜采用侧进风侧排风的形式。选用上排风热泵时应安装导流风管，改成侧排风。即使室内有较高净空，热泵置于室内是不可取的，受条件限制必须设于室内时，室内应有穿堂风可利用，要有足够的进风面积，并将排风通过风道有组织排至室外，防止气流短路。加接排风管时，对风机应作相应调整，避免因阻力的增加而减少通风量。比较理想的方法还是将热泵机组置于塔楼顶，以使热泵有良好的通风条件并使噪音影响面降为最小。

但应注意，热泵不能临近住宅或其他对噪音要求较高的房间布置，不得紧贴住宅（客房）上面或下面布置热泵及水泵。热泵机组宜采用弹簧减振器隔振，减振器型号及布置点经计算确定。热泵靠女儿墙及主楼的距离大于3m，热泵间间距不宜小于3m，有条件时距离应加大。热泵的布置除考虑对周围影响小，通风好外，还应考虑管线布置、设备吊装及以后的更换等因素，有条件时留出1～2台热泵位置，为发展留下余地，并为设备安装及更换考虑足够的荷载条件。

四、水泵的选择与布置

水泵的数量宜与热泵的台数相对应。热泵与水泵的连接方式宜采用一对一串联的方式，热泵与水泵联动。热泵数量较多时，水泵可贴临热泵布置，水泵应具有防水性能并加挡雨吸音罩，热泵数量较少时，水泵宜集中布置于室内。备用水泵可采用先不安装临时替换的方法。如果水泵采用先水泵组并联再与并联的热泵组相串联的方式，则并联的热泵数量不宜超过6台，并应有可靠的水力平衡措施。这种连接方式应将水泵布置于临近热泵的室内，也可以置于地下室，水泵的台数应考虑1～2台的备用泵。在选择水泵规格时，尽可能选低转速泵，以减低噪音，水泵的流量可按系统所需流量的1.1倍选取，水泵的扬程应等于系统所需克服的总阻力。水泵的功耗应控制在热泵出力的1/30之内。水泵的布置要有一定的间距，有条件时预留1～2台水泵的安装位置以备发展之需。水泵也应有可靠的隔振措施。

五、热泵空调系统末端设备的选择

夏季工况条件下，热泵机组额定供回水温度分别为7℃和12℃，这与一般空调器的额定工况相一致，空调器的选择计算与其他形式的空调系统一致。冬季工况条件，热泵空调系统在额定条件下（室外空气8℃），热泵机组的额定供回水温度一般分别在47℃、42℃。而当室外温度较低时，热泵空调系统的供水温度一般维持在39～40℃。这一水温条件明显低于锅炉供热系统的额定供回水温度（分别为60℃和50℃），也即低于一般空调器性能参数表中给出的额定进出水温度（也分别为60℃和50℃），由于水温不一样，空调器的散热量有明显差异。有学者因此认为热泵空调系统末端设备应在夏季工况计算选择结果的基础上有所放大。但根据我们的计算，南京地区热泵空调系统的末端可以采用夏季制冷工况条件下的计算选择结果。这一方面是由于南京地区一般建筑物的供暖热负荷小于夏季供冷冷负荷，另外，同样的空调器，60℃进水温度条件下的供热量明显大于7℃进水条件下的制冷量。冬季当进水温度降至39～40℃时，空调器的散热量能满足室内供暖的要求。另外，习惯上按中档参数选择空调器，本身就有一定的裕量。如果热泵空调系统有4个以上的制冷回路，化霜对水温不会造成明显的波动，故一般不会影响室内温度的波动。但当系统热泵只有1～2个回路时，为减少化霜对室内温度的影响，有条件时，可将空调器启停控制与水温同步，如当水温低于35℃时，空调器风机停止运转，当水温高于35℃时风机恢复运转。这样可有效提高室内的舒适性。

六、减少热泵机组噪音影响的措施

减少热泵机组噪音的影响，一方面应从热泵机组着手，如压缩机加消音套，风机采用静音型，即尽可能选用低噪音的热泵机组。热泵机组除自身内部压缩机台座有良好减振外，热泵整机底座也应有减振措施，尽可能选用弹簧减振器，弹簧减振器应通过认真计算确定。另外，在布置上，热泵机组应尽可能远离房间，或与相邻的房间之间加隔声屏，但应注意隔声屏不应阻碍通风气流的流通。一般说来，将热泵机组布置于主楼顶影响面最小。从楼内走向热泵所在屋面平台的出入口应做隔音门并设隔声套间，或热泵机组与大楼核心筒、之间有辅助房间（如水泵间、配电间）等隔断。水泵也是主要的噪音源，水泵的减振隔噪同样重要。置于屋面的水泵宜设带配重平衡块的弹簧减振台座。有条件将水泵置于室内，既可防雨，又可隔音，水泵间应做吸音处理，如水泵置于室外，防雨罩内贴吸音材料对降噪有效果。另外，水泵宜选用低转速泵，水泵房通向内走道的门应做隔音门，有条件时设隔音门套。

以上内容均根据学员实际工作中遇到的问题整理而成，供参考，如有问题请及时沟通、指正。