基于暖通空调系统的节能工程研究与设计

摘　要：　以北京一幢办公大楼的暖通节能工程设计为典型，介绍了该工程以地源热泵为冷、热源，温湿度独立控制的空调方式、地道风及地下车库固态能的应用等节能措施。
关键词：　节能工程　设计
1　工程概况
该办公楼总建筑面积65038平方米，地上八层，地下两层。为一类高层公共建筑。地下一层为餐饮娱乐（包含游泳池），地下二层为汽车库。首层及二层为餐厅及会议室，其余各层均为办公。办公楼耗能一般较大，节能减排，建设低碳建筑是本次设计的重点及任务。
北京市全年平均气温13.1℃，年日照时数为2594小时，太阳能资源较丰富。太阳能可全年为该建筑物的办公、娱乐、餐饮部分提供卫生热水和游泳池池水加热。同时采用地源热泵系统，当太阳能不足时，地源热泵为辅助能源，100%备用。

2　工程节能系统
2.1　冷热源系统本工程采用地源热泵系统，地埋管布置在建筑物基础以下。办公楼的空调负荷由地源热泵设备负担，同时利用办公内区供冷的热量，采用热泵系统，作为太阳能热水系统的一个备用热源。地源热泵系统提供办公区域除新风负荷和湿负荷之外的显热负荷和餐厅会议等的空调负荷，办公区域的新风负荷和湿负荷（潜热负荷）由末端的溶液调湿新风机组承担。空调冷、热源原理见图1。
办公部分采用顶棚辐射系统供冷和供热，配置两台热泵机组L-1、L-2；餐厅和会议室部分采用全空气空调系统，配置两台热泵机组L-3、L-4。在夏季夜间，开启设备L-2向办公辐射外区供冷；夏季日间，办公区域内外分区均需要供冷，内外区供回水系统同时供应。开启设备L-1、L-2向办公区供冷，开启设备L-3、L-4向餐厅、会议室全空气系统供冷；在冬季夜间，开启设备L-2向办公辐射外区供热，由于办公外区需热量小，设备L-2可以分出一部分热量制备卫生热水；冬季日间，由于办公区域内区需要供冷，外区需要供热，内外区供回水系统分别供应。开启设备L-1向办公部分供热，开启设备L-2向内区供冷，开启设备L-3、L-4向餐厅、会议室全空气系统供热。设备L-2可以回收冷凝热制备卫生热水，也可以回收冷凝热向办公外区供热。
2.2　空调系统
办公区域的空调房间采用温、湿度独立控制空调系统，采用辐射供冷暖加独立新风空气调节的系统形式。温、湿度分开处理，房间内潜热负荷由独立新风处理机组（热泵式溶液调湿新风机组）负担，通过溶液除湿后的新风可带走室内的湿负荷，房间内显热负荷由楼板辐射供冷暖系统负责处理，不足处由新风处理机组承担。温、湿度独立控制空调系统i-d图见图2～图4。
辐射供冷暖系统的盘管设置在楼板内或者建筑垫层内。供回水温度夏季采用18～21℃高温冷媒水，冬季采用30～33℃低温热媒水。新风处理机组冬季送风温度15℃，夏季送风温度20℃。送风口和排风口均设置在房间的顶部。送风口沿内、外区墙体或结构柱体均匀设置，排风口集中设置。送风机和排风机单独设置，均为变频风机。在初夏和过渡节可以实现内区直流空调系统运行，加强内区自然通风。热泵式溶液调湿新风机组集中设置在每一层的空调机房内，担负同层的办公区域。在地下三层设有新风空调箱，空调箱将经过地道降温或升温的室外新风进行冷热处理，




再送至每层空调机房。由于土壤的隔热性能，土壤一年四季的温度变化幅度均小于外界的气温。利用外界空气和土壤的温差，将室外空气通过地道进行换热，对空气流进行夏季降温或冬季升温，从而达到节能目的。
会议室和餐厅等采用带热回收段的舒适性全空气调节系统。夏季采用7～12℃冷媒水，冬季采用55～50℃热媒水。将地下汽车库的固态能量用于餐厅新风的预热和预冷。全空气空调系统的排风回送到地下车库，提供地下车库冬季所需热量。在车库侧采风管及空调房间回风管上设温度传感器，当车库温度高于空调房间回风温度时，开启回风管路上电动风阀，关闭车库侧采风及排风管上电动风阀和风机（风机与风阀联动）对室内回风全热回收。当车库温度低于空调房间回风温度时，关闭回风管上电动风阀，开启回风管接至车库管路上电动风阀和排风机（风机与风阀联动）向车库排风。同时开启车库采风管道上电动风阀，引入车库风进行全热回收。新风的采集来自地道风，减少新风处理的能耗，在初夏和过渡季节可转换为全新风节能工况为餐厅通风。
2.3　通风系统
过渡季使用可控的智能开窗系统，结合中厅的热压、烟囱效应，配合以少量机械排风，可以在室内形成良好的温度环境，充分利用自然能源，节能环保。辐射供冷暖系统可以加强自然通风的时间，在过渡季末期，由于直接采取自然通风可能会导致室内温度稍低或稍高，这时可以使用辐射供冷暖系统弥补这部分热量，达到加强自然通风的目的，节省能源。根据北京地区的气候特点，在夏季凉爽的凌晨，当室外温度湿度条件适合的情况下，空调自控系统、智能开窗系统自动开启，加大自然通风能力，排出室内闷热潮湿的空气，取而代之是清凉、干爽清洁的新鲜空气，为即将开启的空调系统减少室内热负荷。

3　系统节能工程的经济分析
地源热泵空调系统可实现对建筑物的供热和制冷，在热泵制冷运行时，可回收冷凝热制备生活热水（50℃），一机多用。与常规制冷系统比，冷却水温低，制冷效率高，使得地源热泵系统比常规制冷系统节能。地源热泵与使用高温冷源的空调末端相结合，综合运行节能可达30～40％。地源热泵空调系统运行中无燃烧，无排烟，无废弃物，不需要堆放燃料和废物的场地，因而环境效益显著。地源热泵的污染物排放与空气源热泵相比减少40%以上，与电供暖相比减少70%以上。因地源热泵空调系统运行费用低，初次投资增加费用可在6至7年内回收，且循环系统寿命可达50年以上，在整个服务周期内的平均费用低于传统的空调系统。
温湿度独立控制空调系统中，由于温度与湿度为两套独立的空调控制系统，分别控制、调节室内的温度与湿度，从而避免了常规空调系统中热湿联合处理所带来的损失。可以满足不同房间热湿比不断变化的要求，克服了常规空调系统中难以同时满足温、湿度参数的要求，避免了室内湿度过高（或过低）的现象。对办公楼类建筑，系统可节能30%～50%。5万平方米以下系统初投资增加5%～10%（2年内回收），10万平方米以上系统初投资几乎不增加。
在提倡创建节约型社会的今天，建筑节能问题不可忽视，尤其是对于占建筑能耗50%～70%的空调系统能耗。工程投入使用后，空调系统在各季节使用效果良好，基本实现了之前设定的设计理念。各种节能技术、节能设备有机的结合和应用使本建筑成为舒适度高、能耗低的新型建筑。

参考文献
1．潘云钢.高层民用建筑空调设计.北京：中国建筑工业出版社
2．马最良，吕悦.地源热