无锡风机盘管应用(【微探讨】“双碳”背景下某高校体育馆新风供冷技术分析)

Posted 2023-05-28

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无锡风机盘管应用(【微探讨】“双碳”背景下某高校体育馆新风供冷技术分析)

作者徐鹏撒世忠王红星徐红卫曹娥曾召娟

引言

近年来，建筑节能和绿色建筑逐渐成为建筑设计工作的两大重点内容。国标公共建筑节能水平的要求不断提高，《公共建筑节能设计标准》GB50189-2015从2005版的50%节能要求提升到了65%，2022年实施的《建筑节能与可再生能源利用通用规范》GB55015-2021进一步提到了72%要求。新风供冷技术在公共建筑的暖通空调节能技术中具有重要意义，即利用室外低温、低焓的空气供冷，全部或部分替代人工冷源，将舒适和节能这两大永恒主题深度融合，尤其是在双碳背景下影响深远。

新风供冷能满足室内温湿度参数，又能提供室内优质的空气品质，实现了节能和环保的高度统一。近年来很多类型的公共建筑项目都采用了新风供冷技术，新风供冷的相关研究成绩斐然。

许锦峰[1]指出建筑行业碳减排是江苏省率先实现“3060”双碳目标的先决条件和重要组成，其中江苏省绿色建筑关键技术策略中明确提出了充分利用自然通风，采用新风系统技术，最大化地营造室内自然通风改善室内品质等。

叶大法列出了变新风供冷在公共建筑空调系统的绿色节能设计中的各项要点，明确提出了误差范围小，工程可实施性强的固定温度法代替焓值法原则[2]。

董涛等以南京某剧场为例，经理论性计算后得出全年新风供冷占全年总运营时间的68%，全年新风供冷节能率达到21%，节能效果显著[3]。

文献四《某大型购物中心暖通空调设计探讨》[4]中指出对项目室内所有可能的区域实施免费供冷，优先实施新风免费供冷，若新风量偏小，则采用新风和冷却塔联合免费供冷的方式。

丁勇等在对重庆地区过渡季，实际建筑空调系统运行调研的基础上，定量分析发现公共建筑采用全新风运行的机械通风模式，充分利用室外的低温空气营造舒适的室内热环境，设备功耗仅为机械供冷模式的15％左右[5]。

高校体育馆属于高大空间、新风量大、空调能耗大的多功能综合性公共建筑，一般以日常体育教学和体育项目训练为主，兼顾体育比赛、文艺演出、会议报告、集会展览等活动。体育馆在冬季仍有部分冷负荷，实现新风供冷、减少人工制冷是过渡季和冬季节能的重要手段。本文以无锡某高校体育馆工程暖通空调设计为例，针对该项目的篮球馆、羽毛球场和健美操室这三个典型又各有特点的空间，展开新风供冷的运行计算分析。

#1项目介绍

1.1 工程概况

该高校体育馆位于江苏省江阴市，夏热冬冷地区，属于小型乙级体育建筑。体育馆建筑面积10933平方米，高度22.06m，地上2层、局部3层，为钢筋混凝土框架、大跨度空间桁架钢屋盖结构。其一层平面布置为篮球馆、健美操室及配套用房等；二层和三层为挑空篮球馆观众厅、羽毛球场及设备用房等。其中篮球馆为双面看台设计，观众席共计2000席，日常运行时按照50%上座率考虑。其效果图如图一所示。

图1 体育馆效果图

1.2 空调系统

本工程所在地区电力条件充足，高校寒暑假恰好规避空气源热泵机组在夏热冬冷地区运行效率最低的气象时段，故空调冷热源选用模块式涡旋式空气源热泵冷热水机组，夏季提供7℃/12℃的冷水，冬季提供45℃/40℃的热水。冷热源机组设置在三层局部屋面，变频运行和可联控启停。

篮球馆及其相关辅助房间的空调负荷匹配2台机组，羽毛球场及二层辅助房间匹配1台，一层健美操室等辅助房间分两侧各自匹配1台，共计5台。

本工程采用一级泵、双管制闭式变频变流量空调水系统，在水泵台数控制的基础上，通过流量调节，进一步节省水泵电耗。

篮球馆和羽毛球场等大空间场所采用全空气定风量系统，气流组织为上部喷射渗透式柔性风管送风、侧墙下部回风；健美操室等小空间辅助房间采用风机盘管加新风系统，气流组织为上送上回，新风由独立的新风机组集中处理后送至各房间。图二为羽毛球场和篮球馆空调风系统平面图。

图2 空调风系统平面图（左侧为羽毛球场、右侧为篮球馆）

1.3 室内外计算参数的确定

在空调系统运行的全过程中，室外参数总是不断变化，即使是炎热夏季，也会有早晚温度适宜的天气过程。室外气象参数是影响空调运行的先决因素。

文献六《超低能耗高校行政楼暖通空调设计探讨》[6]中详细分析了以2021年为代表的江阴地区气候环境特征，江阴地区建筑物对冬季供暖、夏季制冷都有一定的要求；而且在过渡季节的室外温湿度适宜时，可优先采用室外新风免费供冷，降低建筑的空调能耗。

本工程采用北京绿建软件股份有限公司的暖通负荷BECH软件计算，其室外气象文件采用的是对无锡地区长期气候特征具有一定的代表性的、《建筑节能气象参数标准》[7]中的江苏-常州地区（东经：119.98，北纬：31.88）的TMY（典型气象年）参数，无锡地区室外气象环境特征如图3所示。

图3 无锡地区TMY（典型气象年）参数

如何合理的定义一个处于人体热舒适区的室内空气状态点，是计算空调运行能耗的关键因素。目前，得到国际标准化组织ISO承认的PMV-PPD预测评价指标应用最为广泛，即将温度、平均辐射温度、风速、湿度、活动量和衣着量等变量带入公式中，迭代计算。依据我国《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》GB 50736-2012中的热舒适I级指标：PMV在-0.5~+0.5之间，PPD≤10%，计算得出表一的过渡季（非供暖空调期）的舒适状态参数。

经验证，表一的参数同样满足更适合自然通风建筑的AMV热舒适模型，即夏热冬冷地区自然通风类建筑夏季室内舒适温度范围是24.8-28.3℃；冬季室内舒适温度范围是17.5-23.0℃；全年的可接受的室内温度范围是 15.35-27.13℃。

将无锡地区供冷期设定为6.1~10.31，共5个月；供暖期设定为12.1~3.31，共4个月；过渡季（非供暖空调期）时间段设定为11.1~11.30与4.1~5.31，共3个月。综合分析，得到如表二所示的三个代表场所的全年室内设计参数。

表1 过渡季（非供暖空调期）的舒适状态参数

表2 室内设计参数

#2新风供冷

2.1 计算方法

新风供冷基本原理为当新风比焓低于室内空气比焓时，利用新风与室内空气状态点的焓差向室内提供免费冷量，减少甚至避免冷水机组的开启，降低空调供冷所需的能耗。新风供冷的全热供冷量可由式（１）计算：

式中为新风全热供冷量，kW；为空气密度，；为室内空气的比焓，；为室外空气的比焓，；G为新风量，。

其中，与的数值为按照全年无休、上午9点至晚上21点开放，全年共计4745个小时的室外空气焓值（TMY参数）与室内状态点焓值的比对，当大于值时，新风向室内提供冷量，计入新风供冷时间；选取新风量G时，将全空气系统的篮球馆、羽毛球馆的新风量设计为5个档位，即最小新风量档、新风比25%档、新风比50%档、新风比75%档、全新风新风比100%档；将风机盘管加新风的健美操室设计为只有1个档位，即恒定新风量1500 档；如下表三所示。

表3 不同新风档位对应的新风量

利用北京绿建软件股份有限公司的暖通负荷软件进行全年能耗计算，得出篮球馆、羽毛球场和健美操室的全年逐时负荷峰值及全年耗冷量，其中，全年逐时负荷峰值如图四所示，全年耗冷量在下文不同场所的新风供冷计算结果部分。

（a）篮球馆

（c）健美操室

（b）羽毛球场

图4 全年逐时负荷峰值

将室内逐时空调冷负荷与不同档位下的新风供冷量进行逐一比对，判别选定保证室内冷负荷的合理的新风量档位，并计算出相应的新风供冷量，计算流程图如下图五所示。其中，τ为全年4745h的第i个时刻，h为比焓，下标Ｗ为室外状态点，Ｎ为室内状态点，X为新风档位。

图5 新风供冷量逐时计算流程图

2.2 篮球馆新风供冷计算结果

篮球馆具有高大空间、人员灯光密集、新风量大、潜热负荷大等特点，除一月份外全年均存在显著冷负荷。经过篮球馆的全年新风供冷计算，得出如图六所示的全年最优新风档位运行图；图七为区别出小于值时，无法进行新风供冷而采用最小新风比，记做-1档时的运行图；图八为不同新风档位时间比例图；图九为全年逐时新风供冷量与耗冷量图。

图6 篮球馆全年最优新风档位运行图

图7 篮球馆全年最优新风档位运行图（区别无新风供冷时间）

图8 不同新风档位时间比例图

图9 篮球馆全年逐时新风供冷量与耗冷量

通过图表分析篮球场发现，无法新风供冷的时间占42%，主要集中在7月和8月以及5月份的部分时间；全年可采用新风供冷运行时间的58%，共计2752h；可采用新风供冷的时段中，篮球馆采用新风供冷时对应的1档运行时间最长，占比85%；全新风5档运行时间占比6%，主要集中在6月上旬和9月；其他4档、3档和2档的运行时间相对短暂和分散；在1~3月和10月份期间，新风供冷量较大。经计算，篮球馆全年新风供冷量436143kWh，全年耗冷量825507kWh，全年新风供冷比例为52.8%。

2.3 羽毛球场新风供冷计算结果

羽毛球场具有高大空间、桁架屋面、气流组织要求严格等特点，全年均存在显著冷负荷。经过羽毛球场的全年新风供冷计算，得出如图10所示的全年最优新风档位运行图；图11为区别出ｈN小于ｈw值时，无法新风供冷而采用最小新风比，记做-1档时的运行图；图12为不同新风档位时间比例图；图13为全年逐时新风供冷量与耗冷量图。

图10 羽毛球场全年最优新风档位运行图

图11 羽毛球场全年最优新风档位运行图（区别无新风供冷时间）

图12 不同新风档位时间比例图

图13 羽毛球场全年逐时新风供冷量与耗冷量

从上图中发现，羽毛球场最小新风比对应的1档运行时间最长，占比84%，其中无法新风供冷的时间占43%，即全年运行时间的57%、共计2704h都可以采用新风供冷；无法新风供冷时间主要集中在7月和8月以及5月份的部分时间；全新风5档运行时间占比7%，主要集中在9~12月；其他4档、3档和2档的运行时间相对短暂和分散；在1~3月和10月份期间，新风供冷量较大；经计算，羽毛球场全年新风供冷量91577kWh，全年耗冷量214405kWh，全年新风供冷比例为69.7%。

2.4 健美操室新风供冷计算结果

健美操室为风机盘管加新风空调系统的典型公共场所，除1月、3月外全年均存在冷负荷需求。经过健美操室的全年新风供冷计算，得出如图14所示的区别无法新风供冷时间、记做-1档的新风运行图；图15为全年逐时新风供冷量与耗冷量图。

图14 健美操室全年新风运行图（区别无新风供冷时间）

图15 健美操室全年逐时新风供冷量与耗冷量

从上图中发现，健美操室全年按一个档位、固定新风量运行，无法新风供冷（-1档）的时间占49%，全年运行时间的51%为可新风供冷的1档运行；无法新风供冷时间主要集中在7~9月；在1~3月和12月份期间，新风供冷量较大；经计算，健美操室全年新风供冷量15345kWh，全年耗冷量43815kWh，全年新风供冷比例为35.0%.

#3新风供冷实施措施

本工程篮球馆、羽毛球场的新风供冷节能量大，过渡季和冬季存在可利用时间，新风供冷较长，因此，暖通设计室需要认真考虑新风取风口和新风管所需的截面积，妥善安排好排风出路，作好进、排风量平衡，确保室内满足正压值。篮球馆、羽毛球场的空调机房均靠建筑外墙设置，新风取风管路短，新风管截面积均按照全新风风量选取。

新风供冷技术中最节能的是自然通风，当室外温度合适、空气品质良好时应优先采用自然通风方式，这样可以减少新风供冷中送风机和排风机的能耗，达到进一步节能的目的。篮球馆、羽毛球场均在外墙设置自动可开启外窗，其中，篮球馆采用可开启角度大于70°的上悬窗，两个防烟分区排烟窗有效开启面积分别为70.21m2和74m2，远远满足《建筑防烟排烟系统技术标准》GB 51251-2017中37.76m2的要求；羽毛球场为一个防烟分区，设置可开启角度大于70°的自动上悬窗，排烟窗有效开启面积49.17m2，满足《建筑防烟排烟系统技术标准》GB 51251-2017要求的37.76m2；这些自动排烟窗在平时完全能够满足自然通风的面积需求，保证室内舒适环境。

#4结语

本文以高校体育馆建筑中的篮球馆、羽毛球场和健美操室三个典型房间为例，合理定义保证室内舒适性的状态点参数，设定供冷、供暖和过渡期，全年4745h逐时比对TMY参数下的室外空气焓值与室内状态点焓值，选出最合理的新风档位，计算出相应的新风供冷量。

经过计算确定，篮球馆和羽毛球场部分为全空气系统、变新风运行，其最小新风比对应的1档运行时间最长；全年共计大于2700h均可以采用新风供冷，占运行时间的57%左右；无法新风供冷时间主要集中在7月和8月；篮球馆和羽毛球场全年新风供冷比例分别为52.8%和69.7%；健美操室虽采用风机盘管加新风系统的形式，全年新风量固定不变，其全年仍然有大约50%时间可以实现新风供冷，全年新风供冷比例为35.0%。

“双碳”背景下，大空间公建采用新风供冷节能效果显著，提高室内空气品质，是值得大力提倡的、降低碳排放的中重要技术措施。

参考文献：

[1] 许锦峰,魏燕丽.双碳目标时期江苏省绿色建筑技术综述[J].江苏建筑,2022 ,219(2):7-11

[2]叶大法.浅谈公共建筑空调系统的绿色节能设计[J].暖通空调,2017, 47(10):62-67

[3]董涛,刘览,吕欣欣.新风供冷在南京某剧场建筑中的应用[J].暖通空调,2016, 46(11):95-100

[4]撒世忠.某大型购物中心暖通空调设计探讨[J].江苏建筑,2018,193:119-122

[5]丁勇,苏莹莹,李百战,等.全新风机械通风在重庆地区的应用[J].煤气与热力,2011,31(2):18-21

[6]王红星,撒世忠,徐红卫,等.超低能耗高校行政楼暖通空调设计探讨[J].暖通空调,2022, 52(S2):229-233

[7] 建筑节能气象参数标准:JGJ/T 346-2014[S],北京:中国建筑工业出版社,2014

作者介绍：
徐鹏，男，1979年3月生，暖通高级工程师

撒世忠，男，1975-，土木工程工学学士，暖通工学硕士，高级工程师，注册公用设备师（暖通空调）