海外項目暖通空調(diào)設(shè)計關(guān)鍵參數(shù)差異性介紹

劉希臣 方 宇 倪先茂

（中國建筑西南設(shè)計研究院有限公司 成都 610041）

0 前言

隨著國家鼓勵企業(yè)“走出去”、“一帶一路”、“去庫存、去產(chǎn)能”和“轉(zhuǎn)型升級、創(chuàng)新發(fā)展”等重大戰(zhàn)略決策的逐步展開和落實，海外建筑設(shè)計市場的拓展勢必會成為未來發(fā)展的熱點。對于國內(nèi)建筑設(shè)計而言，開拓海外市場是一項嚴(yán)峻的考驗。陌生的海外市場充滿激烈競爭，諸多不明因素導(dǎo)致了開拓海外市場的不可預(yù)測、不可掌控性[1-3]。

對于暖通設(shè)計，海外項目同樣具有眾多特殊性，包括規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)、負(fù)荷計算方法、地理位置、氣候條件、自然資源特性及分布、人們對冷熱的敏感度等等，這些因素都與暖通設(shè)計息息相關(guān)，對暖通設(shè)計提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[4-6]。

由于目前我國尚無適用于海外項目的暖通設(shè)計體系，缺乏對國際上通用的相關(guān)計算方法、設(shè)計思路、系統(tǒng)形式的研究，造成了海外項目暖通設(shè)計過程中設(shè)計人員不熟悉相應(yīng)的技術(shù)規(guī)范體系，對設(shè)計過程的順利推進(jìn)造成了一定的影響[7]，基于此，本文將對海外國際項目的暖通設(shè)計體系相關(guān)的重點問題進(jìn)行研究，對不同標(biāo)準(zhǔn)體系中的暖通設(shè)計差異性關(guān)鍵問題進(jìn)行梳理，為海外項目的暖通設(shè)計提供參考。

1 海外項目規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)體系

對于暖通空調(diào)設(shè)計技術(shù)性規(guī)定文件，各國用詞不同，經(jīng)常使用的有：規(guī)范（Code）、標(biāo)準(zhǔn)（Standard）、導(dǎo)則（Guide）、手冊（Handbook）。全球范圍內(nèi)，每個國家及地區(qū)都會有其遵循的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)及體系，比較常見的有美國標(biāo)準(zhǔn)、英國標(biāo)準(zhǔn)、法國標(biāo)準(zhǔn)、日本標(biāo)準(zhǔn)及俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)，同時根據(jù)項目的所在地情況，還有可能涉及項目所在國的標(biāo)準(zhǔn)?？傮w而言，使用最廣泛的為美標(biāo)和英標(biāo)，其中美國標(biāo)準(zhǔn)在全球的應(yīng)用最為廣泛，權(quán)威性也最強(qiáng)，因此本文主要以美標(biāo)為基礎(chǔ)進(jìn)行分析。

在暖通設(shè)計領(lǐng)域，應(yīng)用最多的美國標(biāo)準(zhǔn)體系為ASHRAE 和NFPA 及國際規(guī)范（International Mechanical Code），其中ASHRAE 主要側(cè)重于供暖、空調(diào)及通風(fēng)的設(shè)計（也會有涉及消防部分），NFPA 主要針對消防及防排煙的設(shè)計，除此之外，美國各州也有其各自的規(guī)范。本文主要對ASHRAE標(biāo)準(zhǔn)體系進(jìn)行分析。

ASHRAE 標(biāo)準(zhǔn)體系中，最常用的標(biāo)準(zhǔn)主要為：

（1）Energy Standard for Buildings Except Low-Rise Residential Buildings （Standard 90.1），公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)；

（2）Thermal Environmental Conditions for Human Occupancy（Standard 55），室內(nèi)熱舒適標(biāo)準(zhǔn)；

（3）Ventilation for Acceptable Indoor Air Quality（Standard 62.1），公共建筑室內(nèi)空氣品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；

（4）Ventilation and Acceptable Indoor Air Quality in Low-Rise Residential Building（Standard 62.2），居住建筑室內(nèi)空氣品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；

（5）Climate Data for Building Design Standards（Standard 169），建筑設(shè)計氣象參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

同時其編制的ASHRAE Handbook（暖通空調(diào)設(shè)計手冊）是目前全球使用最廣泛的設(shè)計手冊，包括4個獨立分冊，分別為：Fundamentals（基本原理）、Refrigeration（制冷）、HVAC Application（暖通空調(diào)應(yīng)用）及HVAC Systems and Equipment（暖通空調(diào)系統(tǒng)及設(shè)備）。

2 主要差異性分析

2.1 室外設(shè)計參數(shù)

國標(biāo)中對于室外設(shè)計參數(shù)，以不保證率的形式給出（小時不保證率、日不保證率），每種不同類型的設(shè)計參數(shù)，均基于不保證率給出一個確定的數(shù)值。ASHRAE 標(biāo)準(zhǔn)體系是以小時的不保證率進(jìn)行設(shè)計參數(shù)的統(tǒng)計。國標(biāo)與ASHRAE 在不保證率方面的對比如表1所示。

表1 國標(biāo)與ASHRAE 不保證率對比Table 1 Comparison of no-guarantee rate between national standard and ASHRAE

相對于國標(biāo)，AHSRAE 標(biāo)準(zhǔn)給出的數(shù)據(jù)更為豐富，每一種類型的數(shù)據(jù)都有幾種不同的保證率，不僅給出了基于全年不保證率數(shù)值，同時對于每一月份，也分別給出了不同不保證下的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，讓設(shè)計者在不同的使用情況下可以具體靈活地選擇。同時ASHRAE 標(biāo)準(zhǔn)在室外設(shè)計參數(shù)的確定上，考慮了溫度與濕度的相互耦合特性，例如按不保證率為1%確定夏季干球設(shè)計溫度時，其對應(yīng)的濕球溫度即為該干球溫度下對應(yīng)的濕球溫度平均值。

2.2 室內(nèi)設(shè)計參數(shù)

室內(nèi)設(shè)計參數(shù)主要包括室內(nèi)設(shè)計溫度、濕度、風(fēng)速等，按國內(nèi)的設(shè)計原則，確定室內(nèi)設(shè)計參數(shù)的方法為：相關(guān)規(guī)范對不同類型建筑、房間的設(shè)計溫度、濕度及風(fēng)速均進(jìn)行了范圍規(guī)定，設(shè)計師只需按規(guī)范取值即可。但ASHRAE 設(shè)計體系，并未給出明確的室內(nèi)參數(shù)范圍（見表2），只是提出了舒適性參數(shù)的要求，設(shè)計師需綜合考慮新陳代謝強(qiáng)度、服裝熱阻、空氣溫度、輻射溫度、空氣流速、空氣濕度六個參數(shù)，并計算在這些參數(shù)作用下的舒適性，只需保證舒適性指標(biāo)滿足規(guī)范要求，即可說明室內(nèi)設(shè)計參數(shù)的選擇是合理的。

表2 國標(biāo)與ASHRAE 室內(nèi)參數(shù)選擇方法對比Table 2 Comparison of indoor design parameters between national standard and ASHRAE

由此可見，在室內(nèi)參數(shù)確定方面，ASHRAE方法與國內(nèi)方法相差較大，其綜合考慮了不同參數(shù)的影響，該方法更合理，更具靈活性。對于給定的濕度，空氣流速，新陳代謝強(qiáng)度，和衣服熱阻，可以確定一個舒適區(qū)，在這個舒適區(qū)內(nèi)環(huán)境溫度都是可接受的范圍，該種性能化的設(shè)計方法目前無法在國內(nèi)直接使用，但可以采用該方法對設(shè)計進(jìn)行復(fù)核，以確定室內(nèi)人員的舒適度。

圖1使用一個簡化的圖表方法來確定不同條件下的可接受的舒適區(qū)溫度范圍，新陳代謝強(qiáng)度在1.0 到1.3met 范圍內(nèi)，衣服熱阻度在0.5 到1.0clo范圍內(nèi)，可以使用這種方法。在這個舒適區(qū)內(nèi)，考慮到PMV-PPD 指標(biāo)下個體的不滿意度為10%，再加上局部熱舒適的平均10%的不滿意度，80%的受試者都是可接受的。圖1的舒適區(qū)域的空氣流速不大于0.2m/s，由圖可見，舒適區(qū)域分成了兩部分，一部分的衣服熱阻為0.5clo，一部分的衣服熱阻為1clo，這兩個值分別可以代表典型冷熱條件下人的穿著情況。

圖1 熱舒適圖表法Fig.1 Chart of thermal comfort

表3 PMV 指標(biāo)劃分Table 3 PMV index

預(yù)測平均評價（PMV）使用熱平衡原理來關(guān)聯(lián)影響熱舒適的6 個關(guān)鍵參數(shù)，將人群對熱的反應(yīng)進(jìn)行熱敏感度評定。預(yù)測不滿意率（PPD）是指環(huán)境中受試者對于該環(huán)境的熱感覺投票比例。PPD 是以PMV 的0 值軸對稱，如圖2所示。通過計算PMV-PPD 的數(shù)值，判斷其計算結(jié)果是否在可接受的熱環(huán)境中（見表4），可以確定設(shè)計參數(shù)是否可以給人們帶來舒適。ASHRAE 標(biāo)準(zhǔn)PMV 的使用需要空氣流速在0.2m/s 以下，在某些情況下，適當(dāng)提高空氣流速來增加舒適區(qū)運行溫度的上限也是可行的。

圖2 PMV-PPD 相互關(guān)系圖Fig.2 Correlation diagram between PMV and PPD

表4 可接受熱環(huán)境PMV-PPD 限值Table 4 Acceptable PMV-PPD limit for thermal environment

2.3 新風(fēng)量的確定

國內(nèi)一般按照人員新風(fēng)量法確定新風(fēng)供應(yīng)量，但ASHRAE 按人員及面積雙重指標(biāo)的方法確定新風(fēng)量，根據(jù)ASHRAE62.1 的規(guī)定，新風(fēng)量的確定方法見下式：

其中，A為區(qū)域的面積，m ；Pz為區(qū)域的人數(shù)；Rp為每個人所需要的新風(fēng)量指標(biāo)；Ra為每平米面積所需的新風(fēng)量指標(biāo)。

新風(fēng)量確定中，常用的指標(biāo)可按表5來確定，區(qū)域的人數(shù)應(yīng)為該區(qū)域的最大在室人數(shù)，對于某區(qū)域，若其在室人數(shù)無法確定，則需根據(jù)表5估計在室人數(shù)。不同類型空間的新風(fēng)量指標(biāo)參數(shù)選擇如表5所示。

表5 不同區(qū)域的最小通風(fēng)量（部分）Table 5 Minimum ventilation rate in different areas

2.4 負(fù)荷計算方法

在負(fù)荷計算方面，以CARRIER E20-II 軟件為例進(jìn)行說明，CARRIER E20-II 軟件是目前國際上認(rèn)可的負(fù)荷計算和設(shè)備選型計算軟件之一，它由美國開利集團(tuán)研發(fā)。此軟件基于國際上權(quán)威的ASHRAE（美國采暖，制冷與空調(diào)工程師學(xué)會）標(biāo)準(zhǔn)，而且通過多年的應(yīng)用，它的性能穩(wěn)定、功能齊全、運行可靠，是國際公認(rèn)的一流的成熟的暖通空調(diào)設(shè)計計算軟件。

CARRIER E20-Ⅱ軟件的中的HAP Hourly Analysis Program（逐時分析程序）（以下簡稱HAP）和國內(nèi)常用的空調(diào)負(fù)荷軟件相比，主要有以下幾方面的差異性。

（1）設(shè)計思路不同

HAP 運用了系統(tǒng)-區(qū)域-空間的設(shè)計思路。即先從工程本身的系統(tǒng)性考慮，先確定建筑的空調(diào)形式，然后在不同系統(tǒng)里劃分區(qū)域，再把這些區(qū)域里的每個空間做單獨計算。

（2）對設(shè)備選型的思路不同

負(fù)荷計算的根本目標(biāo)都是用來選擇要使用的設(shè)備。HAP 從設(shè)備選型出發(fā)的結(jié)果導(dǎo)向設(shè)計思路，在計算一開始就要把系統(tǒng)和設(shè)備類型進(jìn)行定義。采用設(shè)備選型出發(fā)的結(jié)果導(dǎo)向設(shè)計思路，每一步的設(shè)置都是圍繞設(shè)備選型這個目標(biāo)，而不是單純的對每個空間的負(fù)荷計算。

（3）對氣象參數(shù)的設(shè)置范圍和功能不同

HAP 有較為強(qiáng)大的海外氣象資料數(shù)據(jù)庫和氣象模擬計算功能。此軟件中存儲了世界大部分國家和地區(qū)的氣象資料，而且具有氣象資料的模擬計算功能，對一些氣象數(shù)據(jù)不全的地區(qū)，只要輸入主要的參數(shù)，比如海拔，經(jīng)緯度之類的，也可以得到較為準(zhǔn)確的設(shè)計數(shù)據(jù)，給設(shè)計工作帶來很大方便，從而提高設(shè)計質(zhì)量。

3 結(jié)論

通過對暖通設(shè)計中的國標(biāo)及美國ASHRAE 標(biāo)準(zhǔn)體系進(jìn)行對比，研究了兩種設(shè)計體系的理念、方法的差異性，分析了美標(biāo)中主要設(shè)計參數(shù)的確定原則，為海外項目暖通設(shè)計提供了參考。

（1）對于室外設(shè)計參數(shù)，供冷與供熱情況時，美標(biāo)均以小時不保證率給出設(shè)計參數(shù)，同時對于每一月份，也分別給出了不同不保證下的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，讓設(shè)計者在不同的使用情況下可以具體靈活地選擇；

（2）對于室內(nèi)設(shè)計參數(shù)，美標(biāo)采用舒適區(qū)的方法進(jìn)行確定，即基于新陳代謝強(qiáng)度、服裝熱阻、空氣溫度、輻射溫度、空氣流速、空氣濕度六個參數(shù)進(jìn)行舒適區(qū)的計算，從而確定室內(nèi)滿足舒適要求的設(shè)計參數(shù)；

（3）對于新風(fēng)量，美標(biāo)根據(jù)人員及面積雙重指標(biāo)的方法進(jìn)行確定；

（4）對于負(fù)荷計算，美標(biāo)采用系統(tǒng)-區(qū)域-空間的設(shè)計思路，即先從工程本身的系統(tǒng)性作為出發(fā)點進(jìn)行空調(diào)負(fù)荷的計算。