綠色環(huán)保技術(shù)在某辦公大樓的設(shè)計(jì)實(shí)踐

楊嬡茹 許東晟

東南大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司

0 引言

綠色建筑，又稱可持續(xù)建筑或生態(tài)建筑，由西方發(fā)達(dá)國家于20 世紀(jì)60年代率先提出的一種建筑理念。我國最新版《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》中，將綠色建筑明確定義為“ 在全壽命周期內(nèi)，節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境、減少污染，為人們提供健康、適用和高效的使用空間，最大限度地實(shí)現(xiàn)人與自然和諧共生的高質(zhì)量建筑”[1]。新標(biāo)準(zhǔn)的評(píng)價(jià)技術(shù)指標(biāo)體系從“ 以人為本”的建筑性能出發(fā)，以增進(jìn)建筑使用者對(duì)綠色建筑的體驗(yàn)感和獲得感為目標(biāo)。

綠色建筑的設(shè)計(jì)是綜合設(shè)計(jì)與動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)，有 5 條設(shè)計(jì)原則：1）健康的室內(nèi)環(huán)境。2）合理用能。3）有利生態(tài)的材料。4）環(huán)保形態(tài)。5）設(shè)計(jì)精良[2]。因此，在新時(shí)代綠色建筑設(shè)計(jì)中，通過各種措施以盡可能少的能耗且不破壞環(huán)境的方式，創(chuàng)造健康、舒適的室內(nèi)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展為主題的綠色建筑設(shè)計(jì)是暖通空調(diào)專業(yè)的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)目標(biāo)。

下面以上海市奉賢區(qū)中國普天信息產(chǎn)業(yè)上海工業(yè)園總部辦公樓項(xiàng)目為例，說明設(shè)計(jì)過程中暖通空調(diào)的設(shè)計(jì)思路。

1 項(xiàng)目概況

本工程為中國普天信息產(chǎn)業(yè)上海工業(yè)園總部辦公樓位于上海市奉賢區(qū)，是普天上海工業(yè)園A1（含A2）地塊一期工程的組成項(xiàng)目?？偨ㄖ娣e 4369 m2，建筑總高度為21.35 m，地上四層建筑。其主要功能為辦公等。項(xiàng)目模型圖如圖1。該工程通過有效的空間組織，合理的體型和構(gòu)造設(shè)計(jì)，以空間本身的形態(tài)和組織結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)外環(huán)境的性能化調(diào)節(jié)，同時(shí)有效降低能耗。

圖1 項(xiàng)目模型圖

2 自然通風(fēng)設(shè)計(jì)

對(duì)自然資源的利用程度在很大程度上體現(xiàn)暖通空調(diào)設(shè)計(jì)的優(yōu)劣，在綠色建筑設(shè)計(jì)中，自然通風(fēng)的利用是降低空調(diào)能耗、改善室內(nèi)空氣品質(zhì)的重要技術(shù)措施。日本松下電器情報(bào)大樓，高崎市政府大樓和大阪市中央體育館等都利用了有組織的自然通風(fēng)對(duì)中庭或辦公室通風(fēng)，過渡季節(jié)免開空調(diào)。夏季晚間空調(diào)停運(yùn)后，組織夜間溫度降低的空氣進(jìn)入室內(nèi)冷卻建筑結(jié)構(gòu)，減少翌日啟動(dòng)負(fù)荷[2]。現(xiàn)在的自然通風(fēng)設(shè)計(jì)已不是傳統(tǒng)意義上的設(shè)計(jì)，而是借助于計(jì)算流體力學(xué)（CFD）軟件和能耗分析軟件等先進(jìn)的設(shè)計(jì)工具，并有了自動(dòng)控制系統(tǒng)等現(xiàn)代手段。

上海夏季濕熱氣候條件下，全年相對(duì)濕度都在70%左右，汗液不易揮發(fā)，容易感到悶熱，組織良好的自然通風(fēng)可以降低室內(nèi)溫度，帶走熱量達(dá)到人體舒適，從而減少空調(diào)使用，節(jié)約能源。

本工程主人口是建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的重要開口，也是空氣進(jìn)入建筑物的重要通道。為了充分利用自然通風(fēng)，科研樓主入口兩側(cè)墻體由原來的規(guī)則長(zhǎng)方形變成逐漸內(nèi)收，形似漏斗的入口空間成為一個(gè)良好的捕風(fēng)口，前端大，增加了捕風(fēng)面積，后端縮小，增強(qiáng)了風(fēng)壓。同時(shí)，由于上部體量及入口雨篷對(duì)陽光的遮擋，減弱了入口處太陽熱輻射，在入口處形成了溫度梯度，這又進(jìn)一步增強(qiáng)了捕風(fēng)效果。被入口空間吸入的空氣，通過中庭的熱壓作用，氣流得到加速，大大提高了建筑的自然通風(fēng)效果。修改后的主入口視景和主入口捕風(fēng)效應(yīng)分析圖分別見圖2 和圖3。

圖2 主入口視景圖

圖3 主入口捕風(fēng)效應(yīng)分析圖

建筑外窗可開啟面積比為31.5%。在氣候宜人的季節(jié)，新鮮空氣從?開啟的門窗進(jìn)入，利用熱壓通風(fēng)和風(fēng)壓通風(fēng)機(jī)制形成自然通風(fēng)。建筑的內(nèi)部空間由一個(gè)貫穿各層的中庭組織起來，它是自然通風(fēng)系統(tǒng)的核心。中庭采用上小下大的剖面形式，增強(qiáng)自然通風(fēng)的能力。中庭頂部設(shè)置有電動(dòng)可開啟天窗，利用太陽能將空氣加熱強(qiáng)化通風(fēng)。這種以中庭為核心的空間結(jié)構(gòu)使建筑在春秋兩季實(shí)現(xiàn)大換氣量的自然通風(fēng)，保證室內(nèi)較為舒適的環(huán)境，縮短全年空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間，大大節(jié)省能耗。修改前后三層平面圖和風(fēng)速分布圖如圖4、5 所示。

圖4 三層平面圖

圖5 春夏季節(jié)三層風(fēng)速分布圖

3 空調(diào)冷熱源設(shè)計(jì)

本工程冷負(fù)荷計(jì)算采用HDY-SMAD 暖通空調(diào)負(fù)荷計(jì)算及分析軟件，計(jì)算結(jié)果：夏季最大總冷負(fù)荷（含新風(fēng)/全熱）為 228.42 kW。冬季最大總熱負(fù)荷（含新風(fēng)/全熱）為 190.04 kW。

在滿足使用功能的前提下，構(gòu)造空調(diào)系統(tǒng)方案 1和方案 2。計(jì)算并比較兩方案的全年一次能源消耗E全年，水泵輸送能效比由公式 ER=0.002342H/(△t·η)計(jì)算（ER 為輸送能效比，H為水泵揚(yáng)程，△t為供回水溫差，η為水泵在設(shè)計(jì)工況點(diǎn)的效率），標(biāo)準(zhǔn)煤熱值為29307.6 kJ/kg，電標(biāo)準(zhǔn)煤折算系數(shù)為0.347 kg/(kW·h)。

3.1 方案1

1）系統(tǒng)形式：

①區(qū)域鍋爐房供熱+電制冷+兩管制風(fēng)機(jī)盤管FCU+新風(fēng)系統(tǒng)。

②空調(diào)水循環(huán)泵冷熱共用。

2）系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)

①空調(diào)水系統(tǒng)，供熱 60℃/50 ℃、供冷 7 ℃/12 ℃（△t=5 ℃)。

②循環(huán)泵揚(yáng)程H=27 m、效率η=70%，冷卻水泵揚(yáng)程H=30 m、效率η=70%。

③區(qū)域鍋爐房供熱季平均熱效率為65%，冷水機(jī)組IPLV=5.0。

④風(fēng)側(cè)綜合能效Ws=1/30。

3）系統(tǒng)調(diào)節(jié)方式

循環(huán)泵定速運(yùn)行、臺(tái)數(shù)調(diào)節(jié)，F(xiàn)CU 三擋風(fēng)速調(diào)節(jié)，空調(diào)末端設(shè)水側(cè)電動(dòng)兩通調(diào)節(jié)閥。

4）全年一次能源消耗E全年計(jì)算

①據(jù) ER 計(jì)算公式，得出空調(diào)水系統(tǒng)循環(huán)泵的ER供熱=0.009，ER供冷=0.018，冷卻水泵的 ER冷卻=0.020。

②折算為標(biāo)準(zhǔn)煤的年供熱一次能源消耗E供熱=Q熱[860÷(0.65×7000)+0.347×(ER供熱+Ws)]=38.7 kg/(m2·a)。

③折算為標(biāo)準(zhǔn)煤的年供冷一次能源消耗E供冷=Q冷[1/IPLV+ER供冷+ER冷卻(1+1/IPLV)+Ws]×0 .347=21.8 kg/(m2·a)。

④折算為標(biāo)準(zhǔn)煤的全年一次能源消耗E全年=E供熱+E供冷=38.7 kg/(m2·a)+21.8 kg/(m2·a)=60.5 kg/(m2·a)。

3.2 方案2

1）系統(tǒng)形式

①埋管地源熱泵供熱、制冷+兩管制FCU+新風(fēng)系統(tǒng)。

②空調(diào)水循環(huán)泵冷熱合用。

2）系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)

①空調(diào)水系統(tǒng)，供熱 45 ℃/40 ℃，供冷 12 ℃/7 ℃；地源側(cè)，取熱10 ℃/5 ℃，放熱25 ℃/30 ℃。

②空調(diào)循環(huán)泵揚(yáng)程 25 m、效率 75%，地源側(cè)循環(huán)泵設(shè)計(jì)揚(yáng)程32 m、效率75%。

③熱泵機(jī)組制冷IPLV=5.0，供熱COP=4.5。

④風(fēng)側(cè)綜合能效30(Ws=1/30)。

3）系統(tǒng)調(diào)節(jié)方式

循環(huán)泵變頻調(diào)速運(yùn)行、臺(tái)數(shù)調(diào)節(jié)，F(xiàn)CU 三擋風(fēng)速調(diào)節(jié)，空調(diào)末端設(shè)水側(cè)電動(dòng)兩通調(diào)節(jié)閥。

4）全年一次能源消耗E全年計(jì)算

①據(jù) ER 計(jì)算公式，得出空調(diào)水系統(tǒng)循環(huán)泵的ER供熱=0.0156，ER供冷=0.0156，冷卻水泵的 ER取熱=0.020，ER放熱=0.020。

②折算為標(biāo)準(zhǔn)煤的年供熱一次能源消耗E供熱=Q熱{1/COP+[ER取熱（1-1/COP）+ER供熱](1-α)+Ws) }×0.347=17.92 kg/(m2·a)。(計(jì)算中取水泵變頻調(diào)速相對(duì)于定速運(yùn)行的平均節(jié)能系數(shù)α=0.3，下同。)

③折算為標(biāo)準(zhǔn)煤的年供冷一次能源消耗E供冷=Q冷{1/IPLV+[ER供冷+ER放熱（1+1/IPLV）]（1-α)+Ws} ×0.347=20.69 kg/(m2·a)。

④折算為標(biāo)準(zhǔn)煤的全年一次能源的消耗為E全年=E供熱+E供冷=17.92 kg/(m2·a)+20.69 kg/(m2·a)=38.61 kg/(m2·a)。

方案2 比方案1 節(jié)能36.18%。顯著節(jié)能效果的取得在于采用了地源熱泵作為冷熱源。地源熱泵利用外界環(huán)境中的余熱，從而實(shí)現(xiàn)熱量的再循環(huán)利用，實(shí)現(xiàn)了建筑與自然的共生，同時(shí)可以帶來舒適的生活環(huán)境，是一種綠色建筑技術(shù)，全面符合綠色建筑的設(shè)計(jì)理念。目前，利用土地作熱泵熱源和熱匯的方式在國外綠色建筑的暖通空調(diào)設(shè)計(jì)中也十分普遍。隨著地下水的處理，防腐材料的選用以及建筑基礎(chǔ)時(shí)管道和樁基的預(yù)埋等問題的解決，地源熱泵、水源熱泵等技術(shù)得到了廣泛地應(yīng)用，每年地源熱泵的應(yīng)用量都在快速上升[3]。

4 自動(dòng)控制

綠色建筑自然應(yīng)該是智能建筑。綠色建筑的 BA系統(tǒng)重點(diǎn)在能源管理和環(huán)境管理，而且應(yīng)該是綜合控制。例如，將照明控制、空調(diào)控制、甚至窗簾開閉控制結(jié)合到一起，實(shí)現(xiàn)節(jié)能和室內(nèi)環(huán)境品質(zhì)的最佳狀態(tài)。

因?yàn)榕照{(diào)的運(yùn)行參數(shù)是隨著全年氣候的變化而變化的，尤其是全年全過程中系統(tǒng)的運(yùn)行方式，因此自動(dòng)控制對(duì)于建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行的節(jié)能，起著越來越大的作用。

本工程涉及到的自動(dòng)控制系統(tǒng)主要如下：

1）空調(diào)末端設(shè)備回水管上裝設(shè)由房間溫度控制調(diào)節(jié)的動(dòng)態(tài)流量電動(dòng)調(diào)節(jié)閥或動(dòng)態(tài)流量平衡電動(dòng)二通閥，冷源側(cè)和負(fù)荷側(cè)之間的供/回水管上設(shè)旁通管，旁通管上設(shè)電動(dòng)二通閥?？照{(diào)水循環(huán)泵及冷、熱水機(jī)組通過負(fù)荷側(cè)的能量積算器控制開啟的臺(tái)數(shù)。

2）空氣處理機(jī)組由房間溫度通過控制模塊進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)?？刂茀?shù)包括：送風(fēng)溫度，新風(fēng)及回風(fēng)比等。

3）風(fēng)機(jī)盤管機(jī)組通過設(shè)在房間的溫度控制器實(shí)現(xiàn)水量和風(fēng)量的自動(dòng)控制。

4）各環(huán)路、各辦公室空調(diào)冷、熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)按熱量積算的空調(diào)計(jì)費(fèi)系統(tǒng)。

5）根據(jù)要求本工程對(duì)重要的房間設(shè)計(jì)空氣質(zhì)量自動(dòng)控制系統(tǒng)（CO 等濃度控制）。

6）所有空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行管理控制均由 BAS 系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。

4.1 空氣處理機(jī)組（AHU）監(jiān)控功能

監(jiān)控功能主要由以下幾部分組成：

1）風(fēng)機(jī)開關(guān)控制：①就地：現(xiàn)場(chǎng)人工開關(guān)控制。②遠(yuǎn)程：制冷站監(jiān)控主機(jī)RCU（人工、時(shí)間表）開關(guān)控制。

2）回風(fēng)溫度 PID 控制：根據(jù) PCU 上設(shè)定的溫度值，調(diào)節(jié)電動(dòng)水閥，保持回風(fēng)溫度恒定。

3）濕度PID 控制：根據(jù) PCU 上設(shè)定的濕度值，開關(guān)加濕器，保持回風(fēng)濕度恒定。

4）設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視：通過空氣壓差開關(guān)監(jiān)視送風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，向 RCU 發(fā)出（同時(shí) PCU 顯示）送風(fēng)機(jī)運(yùn)行信號(hào)。通過空氣壓差開關(guān)監(jiān)視過濾網(wǎng)堵塞情況，出現(xiàn)報(bào)警時(shí)向RCU 發(fā)出（同時(shí) PCU 顯示）過濾網(wǎng)清洗、更換信號(hào)。

5）設(shè)備連鎖控制：新風(fēng)閥，電動(dòng)水閥與送風(fēng)機(jī)狀態(tài)連鎖。

4.2 風(fēng)機(jī)盤管（FCU）監(jiān)控功能

監(jiān)控功能主要由以下幾部分組成：

1）室內(nèi)溫度控制：根據(jù)溫控器設(shè)定溫度和感測(cè)實(shí)際溫度，開關(guān)電動(dòng)二通閥，使室內(nèi)溫度保持恒定。

2）風(fēng)機(jī)三速控制：人工調(diào)節(jié)溫控器上風(fēng)機(jī)三速開關(guān)（高、中、低 ），選擇合適的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速。

3）冷暖模式及開關(guān)控制：人工調(diào)節(jié)溫控器上（冷、暖、關(guān) ）三檔開關(guān)，選擇合適的運(yùn)行模式。

4）室內(nèi)溫度顯示：溫控器上液晶顯示屏顯示當(dāng)前室內(nèi)。

4.3 新風(fēng)處理機(jī)組（FAU）監(jiān)控功能

監(jiān)控功能主要由以下幾部分組成：

1）風(fēng)機(jī)開關(guān)控制：①就地：現(xiàn)場(chǎng)人工開關(guān)控制；②遠(yuǎn)程：制冷站監(jiān)控主機(jī) RCU 上（人工、時(shí)間表）開關(guān)的控制。

2）回風(fēng)溫度PID 控制：根據(jù) PCU 上設(shè)定的溫度值，調(diào)節(jié)電動(dòng)水閥，保持回風(fēng)溫度恒定。

3）濕度PID 控制：根據(jù) PCU 上設(shè)定的濕度值，開關(guān)加濕器，保持回風(fēng)濕度恒定。

4）設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視：通過空氣壓差開關(guān)監(jiān)視送風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，向 RCU 發(fā)出（同時(shí) PCU 顯示）送風(fēng)機(jī)運(yùn)行信號(hào)。通過空氣壓差開關(guān)監(jiān)視過濾網(wǎng)堵塞情況，出現(xiàn)報(bào)警時(shí)向RCU 發(fā)出（同時(shí) PCU 顯示）過濾網(wǎng)清洗、更換信號(hào)。

5）設(shè)備連鎖控制：新風(fēng)閥、電動(dòng)水閥與送風(fēng)機(jī)狀態(tài)連鎖。

5 結(jié)語

綠色建筑在我國是一個(gè)全新的命題，暖通設(shè)計(jì)師要主動(dòng)從這個(gè)角度出發(fā)，在節(jié)能環(huán)保的同時(shí)創(chuàng)建健康舒適的室內(nèi)環(huán)境。