主動(dòng)式冷梁在節(jié)能建筑中的設(shè)計(jì)應(yīng)用

湯曉峰

摘要：能源問題是目前世界各國所面臨的普遍問題，也是目前所公認(rèn)的人類四大生存威脅問題之一。隨著各國工業(yè)化進(jìn)程的不斷發(fā)展，地球上可供人類利用的能源日益減少，能源危機(jī)的總趨勢(shì)不可避免。而在能源消耗中，作為人類活動(dòng)基本場所的建筑，其使用過程中所消耗的能量，在社會(huì)總耗能中占據(jù)著較高的比例，其中，西方發(fā)達(dá)國家的建筑耗能占社會(huì)總耗能的30%-50%，而我國目前的建筑耗能占社會(huì)總耗能的30%左右，且該占比正在逐漸上升。在公共建筑中，空調(diào)系統(tǒng)又是最主要的耗能設(shè)備，本文就主動(dòng)式冷梁在節(jié)能建筑中的設(shè)計(jì)應(yīng)用進(jìn)行了一些探討。

關(guān)鍵詞：建筑；節(jié)能；主動(dòng)式冷梁；設(shè)計(jì)應(yīng)用

1項(xiàng)目概況：

本工程為蘇州工業(yè)園區(qū)寶時(shí)得機(jī)械（中國）有限公司總部大樓一期辦公研發(fā)樓項(xiàng)目，辦公研發(fā)樓總建筑面積19095m2，地下1層，為汽車庫及設(shè)備用房，地上5層，為研發(fā)辦公用房。業(yè)主要求該項(xiàng)目設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)營均能獲得國內(nèi)建筑最高的綠色三星獎(jiǎng)和國際LEED鉑金獎(jiǎng)。這就要求我們需將占整個(gè)建筑能耗將近65%的中央空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)得盡可能的節(jié)能。以下就本項(xiàng)目設(shè)計(jì)運(yùn)用的主動(dòng)式冷梁空調(diào)末端系統(tǒng)作一些分析探討。

2主動(dòng)式冷梁發(fā)展簡史：

早在80年代初歐洲學(xué)者就已經(jīng)開始研究和開發(fā)這種技術(shù)形式，在應(yīng)用和發(fā)展的過程中，為了達(dá)到更大的供冷能力、得到更加均勻的室內(nèi)溫濕度分布、更加人性化和美觀的外形，逐步開發(fā)了被動(dòng)式冷梁、主動(dòng)式冷梁以及多功能冷梁形式。其中主動(dòng)式冷梁由于其制冷能力大、節(jié)能、環(huán)保舒適等特性現(xiàn)在已在歐洲、美國等發(fā)達(dá)國家廣泛應(yīng)用。

圖1冷梁發(fā)展過程圖

在中國，主動(dòng)式冷梁技術(shù)雖然剛剛起步，但其發(fā)展非常迅速， 國家環(huán)保總局履約中心、西門子北京中心、全國工商聯(lián)辦公大樓、陸家嘴竹園辦公大樓以及一些知名的外商企業(yè)總部大樓都有成功的主動(dòng)式冷梁系統(tǒng)運(yùn)行案例，上海、臺(tái)北等大型金融中心經(jīng)評(píng)估也選用主動(dòng)式冷梁系統(tǒng)，目前正在進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)中。可見主動(dòng)式冷梁技術(shù)之應(yīng)用已經(jīng)得到了全世界的重視，其發(fā)展的勢(shì)頭已不容小視。

3主動(dòng)式冷梁的原理及特點(diǎn)：

3.1主動(dòng)式冷梁空調(diào)原理：

主動(dòng)式冷梁（Chilled Beams）系統(tǒng)主要包括水系統(tǒng)和風(fēng)系統(tǒng)兩部分，水系統(tǒng)是指主動(dòng)式冷梁所帶冷水盤管對(duì)誘導(dǎo)風(fēng)進(jìn)行等濕降溫的部分，風(fēng)系統(tǒng)是指室外新風(fēng)（新風(fēng)加回風(fēng)）經(jīng)過AHU空氣處理機(jī)組的除濕降溫后通入冷梁腔體的部分。水系統(tǒng)負(fù)責(zé)室內(nèi)溫度的調(diào)節(jié)（顯熱負(fù)荷），風(fēng)系統(tǒng)負(fù)責(zé)調(diào)濕（潛熱負(fù)荷）。主動(dòng)式冷梁作為一種空調(diào)末端形式，是典型的溫濕度獨(dú)立控制系統(tǒng)，新風(fēng)濕負(fù)荷與室內(nèi)人體濕負(fù)荷通過獨(dú)立的除濕設(shè)備進(jìn)行單獨(dú)處理，常用的系統(tǒng)有冷凍除濕、轉(zhuǎn)輪除濕及溶液除濕等方式。寶時(shí)得研發(fā)樓采用的是冷凍除濕方式，冷凍除濕是利用冷凍水或制冷劑通過冷卻盤管，而空氣流過盤管和肋片表面得到冷卻，空氣冷卻到要求的露點(diǎn)溫度后將其中水分脫除的除濕方式，冷凍除濕方式是現(xiàn)在應(yīng)用較為普遍的除濕方式。

3.2主動(dòng)式冷梁的空氣處理過程：

如圖1，首先室外新風(fēng)與室內(nèi)回風(fēng)混合得到狀態(tài)點(diǎn)Q ，由混合點(diǎn)Q 冷卻到機(jī)器露點(diǎn)K；由送風(fēng)溫差Δt 0沿室內(nèi)等濕線得到送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)O，狀態(tài)點(diǎn)K 與O 混合至點(diǎn)C ，沿室內(nèi)空氣熱濕比線到達(dá)室內(nèi)狀態(tài)點(diǎn)N。

冷梁的設(shè)計(jì)步驟：

（1）在焓濕圖上過室內(nèi)狀態(tài)點(diǎn)N ，再由送風(fēng)溫差Δt 0確定送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)O。

（2）由新回風(fēng)混合比例，得到混合后點(diǎn)Q，Q K為新回風(fēng)混合后的處理過程，混合后的風(fēng)須要承擔(dān)的濕負(fù)荷為：W=L m（d n-d k），d n 、d k分別為室內(nèi)及新回風(fēng)混合處理后的空氣含濕量，L m為新回風(fēng)混合后的空氣質(zhì)量，由上式得到d k，K點(diǎn)為L m與相對(duì)濕度U=95%的交點(diǎn)。

（3）誘導(dǎo)比：n= qm2/ qm1=CK/CO=KM/NO由此可以確定C點(diǎn)。

（4）室內(nèi)余熱量Q分別由qm1（一次風(fēng)空氣），qm2（一次風(fēng)與室內(nèi)回風(fēng)誘導(dǎo)后的混合空氣）負(fù)擔(dān)，故 Q= qm1 （ho-hk）+ qm2 （hn-ho）。其中一次空氣處理箱處理冷量：Q1= qm1 （ho-hk）；冷量內(nèi)盤管處理冷量： Q2= qm2 （hn-ho）。

（5）根據(jù)一次空氣量和誘導(dǎo)比及生產(chǎn)廠家提供的產(chǎn)品樣本選擇型號(hào)合適的冷梁，并根據(jù)冷梁的熱效率對(duì)換熱器的供冷量進(jìn)行校核。

圖1 主動(dòng)式冷梁的空氣處理過程

3.3主動(dòng)式冷梁優(yōu)勢(shì)及特點(diǎn)：

與傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)相比，主動(dòng)式冷梁由于其特殊的干工況運(yùn)行特點(diǎn)，具有較大優(yōu)勢(shì)，對(duì)提高建筑的整體舒適性及節(jié)能降耗具有重要意義。

主動(dòng)式冷梁主要具備以下優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)：

（1）由于設(shè)備本身無任何（電機(jī)、風(fēng)機(jī)）等部件的運(yùn)轉(zhuǎn)，整體運(yùn)行噪聲較低，對(duì)提高室內(nèi)環(huán)境的安靜度具有重要作用；

（2）由于本身結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，主要以貼附吊頂進(jìn)行送風(fēng)，出風(fēng)口速度分布均勻，氣流在室內(nèi)流動(dòng)速度較低，沒有明顯的吹風(fēng)感，極大提高了室內(nèi)的舒適性；

（3）整體采用輻射智能系統(tǒng)，能夠使室內(nèi)溫度均勻分布，具有較高的熱舒適性；

（4）其本身的干工況運(yùn)行，不會(huì)產(chǎn)生凝結(jié)水，極大程度抑制了細(xì)菌的滋生；

（5）采用水作為輸送媒介，整體輸送耗能小，其輸送能耗只是傳統(tǒng)空氣輸送空調(diào)系統(tǒng)的60%左右；

（6）由于僅處理室內(nèi)顯熱負(fù)荷，可降低送風(fēng)溫差，采用高溫供水（16～19℃），有效提高冷水機(jī)組的COP值；

（7）一次風(fēng)量較小，有效減少了風(fēng)管尺寸及空調(diào)的裝機(jī)容量，能夠極大節(jié)約機(jī)房面積和吊頂空間，使室內(nèi)空間更加開闊；

（8）與VAV變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)相比，可以大幅降低空調(diào)末端控制及BA樓宇自控系統(tǒng)的初投資；

（9）設(shè)備本身自帶送回風(fēng)口，無需另外安裝，使整個(gè)系統(tǒng)整體性更高，安裝更加方便，同時(shí)也為后期的維修管理提供了方便；

（10）結(jié)構(gòu)較為簡單，不會(huì)影響室內(nèi)空間的裝修設(shè)計(jì)；

（11）后期維護(hù)成本較低；

4主動(dòng)式冷梁與常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能比較：

節(jié)能比較主要在主動(dòng)式冷梁與常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)，F(xiàn)CU風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)及VAV變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)之間進(jìn)行，下面為三種空調(diào)系統(tǒng)的建設(shè)成本與運(yùn)行費(fèi)用的比較分析：

4.1初期投資比較：

寶時(shí)得研發(fā)樓空調(diào)面積按12000 m2計(jì)算，具體按照如下標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算：

（1）主動(dòng)式冷梁制冷量1.5KW，單價(jià)7000元/臺(tái)（單價(jià)包含壓力無關(guān)式定風(fēng)量閥）；以4臺(tái)主動(dòng)式冷梁作為一個(gè)控制區(qū)域，單個(gè)控制區(qū)域（溫濕度控制）總費(fèi)用1800元。

（2）單臺(tái)風(fēng)機(jī)盤管制冷量3.0KW，單價(jià)3000元/臺(tái)；共需480個(gè)風(fēng)機(jī)盤管；單臺(tái)風(fēng)機(jī)盤管帶四個(gè)空調(diào)風(fēng)口，風(fēng)口（含風(fēng)管、風(fēng)閥）單價(jià)900元/個(gè)。

（3）單臺(tái)單風(fēng)道變風(fēng)量末端單價(jià)7000元/臺(tái)（含控制器、溫控器等），風(fēng)機(jī)動(dòng)力型變風(fēng)量末端單價(jià)14000元/臺(tái)（含控制器、溫控器等），按照1臺(tái)/20 m2估算；共需600臺(tái)變風(fēng)量末端，變風(fēng)量BA系統(tǒng)需配置送風(fēng)變頻器、靜壓傳感器、DDC控制器等設(shè)備（單臺(tái)3000，含調(diào)試費(fèi)）；一個(gè)變風(fēng)量末端配置三個(gè)空調(diào)風(fēng)口，風(fēng)口（含風(fēng)管、風(fēng)閥）單價(jià)按照900元/個(gè)估算。

表中僅列出了顯性的初投資，其中主動(dòng)式冷梁與VAV變風(fēng)量空調(diào)及FCU風(fēng)機(jī)盤管空調(diào)系統(tǒng)相比還存在節(jié)約空調(diào)機(jī)房面積，制冷主機(jī)的高COP值運(yùn)行，節(jié)省吊頂空間，增加室內(nèi)凈高等隱性增值。

4.2運(yùn)行費(fèi)用比較：

主動(dòng)式冷梁、VAV變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)及FCU風(fēng)機(jī)盤管空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行比較，冬季運(yùn)行費(fèi)用基本相似，不作比較，僅對(duì)夏季運(yùn)行費(fèi)用進(jìn)行比較。在比較空調(diào)系統(tǒng)能耗及運(yùn)行費(fèi)用時(shí)，首先要確定空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間和負(fù)荷情況，根據(jù)蘇州市氣候條件及房間使用功能，設(shè)定比較前提如下：

（1）空調(diào)夏季供冷共180日；

（2）空調(diào)運(yùn)行時(shí)間取12時(shí)/天；

（3）電價(jià)按0.867元/kWh計(jì)算；

（4）夏季空調(diào)平均負(fù)荷按設(shè)計(jì)負(fù)荷的75%計(jì)算；

（5）VAV變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)全年平均運(yùn)行于設(shè)計(jì)風(fēng)量的70%；

（6）VAV變風(fēng)量空調(diào)機(jī)組風(fēng)量350000m3/h，加上變風(fēng)量控制器等設(shè)備功耗，功率450KW；

（7）主動(dòng)式冷梁系統(tǒng)及FCU風(fēng)機(jī)盤管新風(fēng)AHU空調(diào)機(jī)組風(fēng)量100000m3/h，功率120KW；

（8）變風(fēng)量系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用按照25萬元/年計(jì)算；

（9）單個(gè)風(fēng)機(jī)盤管濕工況下的制冷量3KW，共需480個(gè)風(fēng)機(jī)盤管；

（10）風(fēng)機(jī)盤管考慮電機(jī)功率及冷損，按照80W/臺(tái)估算；

（11）風(fēng)機(jī)壽命取8年，風(fēng)機(jī)單價(jià)350元/臺(tái)，人工更換1臺(tái)需1人1小時(shí)，人工費(fèi)用按照200元/天計(jì)算。濾網(wǎng)的更換，一年換一次，每個(gè)濾網(wǎng)按照25元/個(gè)（含人工費(fèi)）。

根據(jù)得到的負(fù)荷結(jié)果，可計(jì)算出三種空調(diào)系統(tǒng)的夏季運(yùn)行費(fèi)用，具體如表2 所示：

通過對(duì)表1及表2中數(shù)據(jù)的綜合對(duì)比，可以看出主動(dòng)式冷梁系統(tǒng)的初投資在三種末端系統(tǒng)中是居中，而運(yùn)行費(fèi)用是最低的，亦是最為節(jié)能的空調(diào)末端系統(tǒng)。從三種空調(diào)系統(tǒng)的初期投資費(fèi)用及運(yùn)行費(fèi)用來看，主動(dòng)式冷梁系統(tǒng)具有較高的使用價(jià)值，且隨著時(shí)間的推移，該優(yōu)勢(shì)越加的明顯。

5總結(jié)：

由于主動(dòng)式冷梁系統(tǒng)的安裝方便，節(jié)能，美觀等各優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)在逐漸被推廣開來。同時(shí)，隨著人們對(duì)生活、工作環(huán)境的要求越來越高，主動(dòng)式冷梁系統(tǒng)的舒適性優(yōu)勢(shì)將得到極大程度的發(fā)揮，從各種空調(diào)系統(tǒng)中脫穎而出。另外，從前文中對(duì)CB主動(dòng)式冷梁系統(tǒng)、FCU風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)及VAV變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的投資成本及運(yùn)行費(fèi)用的綜合對(duì)比分析來看。主動(dòng)式冷梁在節(jié)能降耗方面具備了明顯的優(yōu)勢(shì)，在當(dāng)今的能源節(jié)約型社會(huì)環(huán)境下，主動(dòng)式冷梁系統(tǒng)具備了較高的市場競爭力，為主動(dòng)式冷梁系統(tǒng)的發(fā)展提供了廣闊的市場空間。

主動(dòng)式冷梁系統(tǒng)以其節(jié)能、美觀、經(jīng)濟(jì)等多種特點(diǎn)，在當(dāng)前的空調(diào)系統(tǒng)中具有廣闊的應(yīng)用前景。冷梁系統(tǒng)的一次風(fēng)根據(jù)房間具體顯熱負(fù)荷及冷梁側(cè)的誘導(dǎo)比可以是全新風(fēng)，也可以是新風(fēng)與部分回風(fēng)的混合送風(fēng)。由于冷梁的出風(fēng)速度較小，空氣循環(huán)相對(duì)較弱， 導(dǎo)致室內(nèi)的降溫速度較慢，降溫延時(shí)較長，所以要求在房間需使用空調(diào)時(shí)提前開機(jī)運(yùn)行。冷梁系統(tǒng)是一個(gè)新的課題，需要在實(shí)踐中不斷的探討和完善，在實(shí)際的空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，具體使用何種末端方式，需要根據(jù)具體建筑的使用功能及空調(diào)使用模式而定。

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