綠色環保技術在某辦公大樓的設計實踐

楊嬡茹 許東晟

東南大學建筑設計研究院有限公司

0 引言

綠色建筑，又稱可持續建筑或生態建筑，由西方發達國家于20 世紀60年代率先提出的一種建筑理念。我國最新版《綠色建筑評價標準》中，將綠色建筑明確定義為“ 在全壽命周期內，節約資源、保護環境、減少污染，為人們提供健康、適用和高效的使用空間，最大限度地實現人與自然和諧共生的高質量建筑”[1]。新標準的評價技術指標體系從“ 以人為本”的建筑性能出發，以增進建筑使用者對綠色建筑的體驗感和獲得感為目標。

綠色建筑的設計是綜合設計與動態設計，有 5 條設計原則：1）健康的室內環境。2）合理用能。3）有利生態的材料。4）環保形態。5）設計精良[2]。因此，在新時代綠色建筑設計中，通過各種措施以盡可能少的能耗且不破壞環境的方式，創造健康、舒適的室內環境，實現可持續發展為主題的綠色建筑設計是暖通空調專業的設計基礎目標。

下面以上海市奉賢區中國普天信息產業上海工業園總部辦公樓項目為例，說明設計過程中暖通空調的設計思路。

1 項目概況

本工程為中國普天信息產業上海工業園總部辦公樓位于上海市奉賢區，是普天上海工業園A1（含A2）地塊一期工程的組成項目。總建筑面積 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，合理的體型和構造設計，以空間本身的形態和組織結構來實現對室內外環境的性能化調節，同時有效降低能耗。

圖1 項目模型圖

2 自然通風設計

對自然資源的利用程度在很大程度上體現暖通空調設計的優劣，在綠色建筑設計中，自然通風的利用是降低空調能耗、改善室內空氣品質的重要技術措施。日本松下電器情報大樓，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對中庭或辦公室通風，過渡季節免開空調。夏季晚間空調停運后，組織夜間溫度降低的空氣進入室內冷卻建筑結構，減少翌日啟動負荷[2]。現在的自然通風設計已不是傳統意義上的設計，而是借助于計算流體力學（CFD）軟件和能耗分析軟件等先進的設計工具，并有了自動控制系統等現代手段。

上海夏季濕熱氣候條件下，全年相對濕度都在70%左右，汗液不易揮發，容易感到悶熱，組織良好的自然通風可以降低室內溫度，帶走熱量達到人體舒適，從而減少空調使用，節約能源。

本工程主人口是建筑圍護結構的重要開口，也是空氣進入建筑物的重要通道。為了充分利用自然通風，科研樓主入口兩側墻體由原來的規則長方形變成逐漸內收，形似漏斗的入口空間成為一個良好的捕風口，前端大，增加了捕風面積，后端縮小，增強了風壓。同時，由于上部體量及入口雨篷對陽光的遮擋，減弱了入口處太陽熱輻射，在入口處形成了溫度梯度，這又進一步增強了捕風效果。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效果。修改后的主入口視景和主入口捕風效應分析圖分別見圖2 和圖3。

圖2 主入口視景圖

圖3 主入口捕風效應分析圖

建筑外窗可開啟面積比為31.5%。在氣候宜人的季節，新鮮空氣從?開啟的門窗進入，利用熱壓通風和風壓通風機制形成自然通風。建筑的內部空間由一個貫穿各層的中庭組織起來，它是自然通風系統的核心。中庭采用上小下大的剖面形式，增強自然通風的能力。中庭頂部設置有電動可開啟天窗，利用太陽能將空氣加熱強化通風。這種以中庭為核心的空間結構使建筑在春秋兩季實現大換氣量的自然通風，保證室內較為舒適的環境，縮短全年空調系統的運行時間，大大節省能耗。修改前后三層平面圖和風速分布圖如圖4、5 所示。

圖4 三層平面圖

圖5 春夏季節三層風速分布圖

3 空調冷熱源設計

本工程冷負荷計算采用HDY-SMAD 暖通空調負荷計算及分析軟件，計算結果：夏季最大總冷負荷（含新風/全熱）為 228.42 kW。冬季最大總熱負荷（含新風/全熱）為 190.04 kW。

在滿足使用功能的前提下，構造空調系統方案 1和方案 2。計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)計算（ER 為輸送能效比，H為水泵揚程，△t為供回水溫差，η為水泵在設計工況點的效率），標準煤熱值為29307.6 kJ/kg，電標準煤折算系數為0.347 kg/(kW·h)。

3.1 方案1

1）系統形式：

①區域鍋爐房供熱+電制冷+兩管制風機盤管FCU+新風系統。

②空調水循環泵冷熱共用。

2）系統設計參數

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

②循環泵揚程H=27 m、效率η=70%，冷卻水泵揚程H=30 m、效率η=70%。

③區域鍋爐房供熱季平均熱效率為65%，冷水機組IPLV=5.0。

④風側綜合能效Ws=1/30。

3）系統調節方式

循環泵定速運行、臺數調節，FCU 三擋風速調節，空調末端設水側電動兩通調節閥。

4）全年一次能源消耗E全年計算

①據 ER 計算公式，得出空調水系統循環泵的ER供熱=0.009，ER供冷=0.018，冷卻水泵的 ER冷卻=0.020。

②折算為標準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折算為標準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折算為標準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）系統形式

①埋管地源熱泵供熱、制冷+兩管制FCU+新風系統。

②空調水循環泵冷熱合用。

2）系統設計參數

①空調水系統，供熱 45 ℃/40 ℃，供冷 12 ℃/7 ℃；地源側，取熱10 ℃/5 ℃，放熱25 ℃/30 ℃。

②空調循環泵揚程 25 m、效率 75%，地源側循環泵設計揚程32 m、效率75%。

③熱泵機組制冷IPLV=5.0，供熱COP=4.5。

④風側綜合能效30(Ws=1/30)。

3）系統調節方式

循環泵變頻調速運行、臺數調節，FCU 三擋風速調節，空調末端設水側電動兩通調節閥。

4）全年一次能源消耗E全年計算

①據 ER 計算公式，得出空調水系統循環泵的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折算為標準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)。(計算中取水泵變頻調速相對于定速運行的平均節能系數α=0.3，下同。)

③折算為標準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折算為標準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 節能36.18%。顯著節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境中的余熱，從而實現熱量的再循環利用，實現了建筑與自然的共生，同時可以帶來舒適的生活環境，是一種綠色建筑技術，全面符合綠色建筑的設計理念。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設計中也十分普遍。隨著地下水的處理，防腐材料的選用以及建筑基礎時管道和樁基的預埋等問題的解決，地源熱泵、水源熱泵等技術得到了廣泛地應用，每年地源熱泵的應用量都在快速上升[3]。

4 自動控制

綠色建筑自然應該是智能建筑。綠色建筑的 BA系統重點在能源管理和環境管理，而且應該是綜合控制。例如，將照明控制、空調控制、甚至窗簾開閉控制結合到一起，實現節能和室內環境品質的最佳狀態。

因為暖通空調的運行參數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的運行方式，因此自動控制對于建筑暖通空調系統運行的節能，起著越來越大的作用。

本工程涉及到的自動控制系統主要如下：

1）空調末端設備回水管上裝設由房間溫度控制調節的動態流量電動調節閥或動態流量平衡電動二通閥，冷源側和負荷側之間的供/回水管上設旁通管，旁通管上設電動二通閥。空調水循環泵及冷、熱水機組通過負荷側的能量積算器控制開啟的臺數。

2）空氣處理機組由房間溫度通過控制模塊進行自動調節。控制參數包括：送風溫度，新風及回風比等。

3）風機盤管機組通過設在房間的溫度控制器實現水量和風量的自動控制。

4）各環路、各辦公室空調冷、熱水系統設計按熱量積算的空調計費系統。

5）根據要求本工程對重要的房間設計空氣質量自動控制系統（CO 等濃度控制）。

6）所有空調系統的運行管理控制均由 BAS 系統來實現。

4.1 空氣處理機組（AHU）監控功能

監控功能主要由以下幾部分組成：

1）風機開關控制：①就地：現場人工開關控制。②遠程：制冷站監控主機RCU（人工、時間表）開關控制。

2）回風溫度 PID 控制：根據 PCU 上設定的溫度值，調節電動水閥，保持回風溫度恒定。

3）濕度PID 控制：根據 PCU 上設定的濕度值，開關加濕器，保持回風濕度恒定。

4）設備運行狀態監視：通過空氣壓差開關監視送風機運行狀態，向 RCU 發出（同時 PCU 顯示）送風機運行信號。通過空氣壓差開關監視過濾網堵塞情況，出現報警時向RCU 發出（同時 PCU 顯示）過濾網清洗、更換信號。

5）設備連鎖控制：新風閥，電動水閥與送風機狀態連鎖。

4.2 風機盤管（FCU）監控功能

監控功能主要由以下幾部分組成：

1）室內溫度控制：根據溫控器設定溫度和感測實際溫度，開關電動二通閥，使室內溫度保持恒定。

2）風機三速控制：人工調節溫控器上風機三速開關（高、中、低 ），選擇合適的風機轉速。

3）冷暖模式及開關控制：人工調節溫控器上（冷、暖、關 ）三檔開關，選擇合適的運行模式。

4）室內溫度顯示：溫控器上液晶顯示屏顯示當前室內。

4.3 新風處理機組（FAU）監控功能

監控功能主要由以下幾部分組成：

1）風機開關控制：①就地：現場人工開關控制；②遠程：制冷站監控主機 RCU 上（人工、時間表）開關的控制。

2）回風溫度PID 控制：根據 PCU 上設定的溫度值，調節電動水閥，保持回風溫度恒定。

3）濕度PID 控制：根據 PCU 上設定的濕度值，開關加濕器，保持回風濕度恒定。

4）設備運行狀態監視：通過空氣壓差開關監視送風機運行狀態，向 RCU 發出（同時 PCU 顯示）送風機運行信號。通過空氣壓差開關監視過濾網堵塞情況，出現報警時向RCU 發出（同時 PCU 顯示）過濾網清洗、更換信號。

5）設備連鎖控制：新風閥、電動水閥與送風機狀態連鎖。

5 結語

綠色建筑在我國是一個全新的命題，暖通設計師要主動從這個角度出發，在節能環保的同時創建健康舒適的室內環境。