暖通空调技术的发展及对设计的启示

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　摘要：介绍暖通空调技术发展概况，结合设计，重点对CFD应用、水源热泵技术、蓄冰技术和冷、热源选择的多元化进行了探讨。关键词：

　　关键字：HVAC CFD应用；水源热泵；蓄冰技术；能源多元化

　　一、暖通空调（HVAC）技术发展概况

　　随着国民经济的快速持续发展，作为支柱产业之一的建筑业也得到迅猛发展。而作为建筑业的重要组成部份的暖通空调业，其新产品、新技术、新材料更是层出不穷。暖通空调业发展所遵循的原则，概括起来就是：节能、环保、可持续发展，保证建筑环境的卫生与安全，适应国家的能源结构调整战略，贯彻热、冷计量政策，创造不同地域特点的暖通空调发展技术。

　　具体的可概括为以下十二个方面

　　1.供暖技术

　　分户热计量的实施（收费办法探讨及实施）；供暖系统改造；低温地板辐射供暖；新型散热器应用、开发；区域供热供冷、冷热电联供技术；分布式冷热电联供技术。

　　2.通风技术

　　夏热冬冷地区住宅通风；传染病医院病房通风；手术室等生物洁净空间的空调洁净技术；商场、地铁等公共空间的通风；工业通风。

　　3.室内环境质量

　　热舒适环境（尤其是适合中国人群特点的研究及应用）；室内空气品质（室内建筑装饰材料、设备散发污染物规律研究，评价方法等）；通风空调气流组织与室内空气品质。

　　4.燃气空调

　　燃气热泵；使用燃气的冷热电三联供；燃气蒸汽联合循环。

　　5.蓄能技术

　　冰蓄冷空调；低温送风技术；水蓄冷技术；蓄热供暖（蓄热电锅炉等）。

　　6.公共建筑HVAC

　　体育馆、剧院、商场、商用办公综合楼等的供暖空调通风技术；建筑防排烟设计。

　　7.可持续发展能源技术与暖通空调

　　可再生能源利用（太阳能、自然通风、夜间通风冷却等，光伏技术等）；热回收技术与设备；建筑本体节能（包括保温隔热措施、相变材料墙体、节能窗技术等）；被动式建筑。

　　8.节能环保设备的开发

　　利用低位热能和水源、土壤热源的热泵；高能效设备（冷热源、风机水泵、末端设备、控制装置）

　　9.空调通风系统和设计进展

　　分散式个别空调；变风量、变水量系统；置换通风及相关系统研究和应用；住宅空调方式；新风利用（如独立新风系统、新风空调机等）、蒸发冷却技术应用。

　　10.模拟与分析技术、智能控制

　　暖通空调能耗模拟、能量分析（气象参数统计分析、软件应用开发等）；CFD应用；建筑自动化技术；暖通空调与智能建筑。

　　11.施工安装和运行管理

　　施工安装技术；交工调试；运行节能；空调通风系统清洗、过滤、灭菌等。

　　12.制冷技术

　　空调相关制冷技术研究应用进展；新型制冷型、天然制冷剂、含氯氟烃制冷剂替代物；新型制冷循环（CO2跨临界循环等）。

　　二、结合设计，需要重视和探讨的几个问题

　　由于暖通空调技术的发展和变化，特别是建筑市场竞争激烈，业主需求日益现代化、多样化、重视国外技术的移植与引进，而节能、环保、绿色等概念的影响及我国能源结构的调整，对暖通空调设计的挑战越来越严峻。因此，如何结合设计的需要，重视相关技术，并有选择而合理的应用在我们的设计中，满足业主要求，提高设计水平，是我们必须努力做到的。

　　下面，仅提出四个主要方面，供大家探讨。

　　1.重视CFD技术的应用

　　CFD是英文Computational Fluid Dynamics（计算流体动力学）的简称。它是伴随着计算机技术、数值化计算技术的发展而发展起来的。CFD相当于“虚拟”地在计算机上做实验，用以模拟实际的流体流动与传热情况。而其基本原理则是数值求解控制流体流动和传热的微分方程，得出流体流场在连续区域上的离散分布，从而近似地模拟流动情况。

　　因此，CFD是一种模拟仿真技术。在暖通空调领域，近年来，经过高等院校、科研和设计单位的共同努力，在模拟予测室内外或设备内的空气或其它工质流体的流动情况的应用方面，越来越多。CFD可以对一些高大空间、公共建筑（体育场馆、大型音乐厅堂）、地铁等通风空调空间的气流组织设计，以可视化的方式将速度场、温度场，用动态或静态予以展示；对一些建筑小区或建筑群（如：CBD地区）的二次风、热环境等进行模拟分析，以求能设计出合理的建筑风环境；暖通设备的质量的提高、性能的改进，也可以借助CFD得以实现。

　　CFD以成本低、速度快、资料完整且可以模拟各种不同工况的特点，成为分析和竞标工程项目的有力工具。许多设计院都在奥运及相关工程中，应用了CFD分析，并配以彩色的温度场、速度场图示，得到业主好评。清华大学开发了通用三维流动与传热的数值模拟程序STACH-3，同济大学、湖南大学及北京工业大学在CFD方面也都作了不少开拓性工作。北京市建筑设计院，专用设置了CFD应用机构，用以解决重大项目投标和设计上的难题，推动了设计水平的提高。

　　值得一提的是，北京建筑设计院为了设计工作需要，利用CFD技术，对我院设计的融科资讯中心的C座大厅，进行了室内热环境的予测分析，以供设计借鉴和指导。高大空间采用玻璃幕墙，为室内热循环的控制与设计带来了新课题。而融科资讯中心大厅，面积约为900m²，高9m，屋顶及围护结构均为玻璃幕墙，大厅内的热环境具有一定的典型性和普遍性。北京院经过CFD分析，表明设计可以满足冬季及夏季空调采暖要求。但冬夏季均有较大温度分布不均及温度垂直分层现象。为此提出在类似工程设计时的改进建议。北京院用CFD起到了“他山之石，可以攻玉”的效果。

　　我院的一些项目，也提出了应用CFD的要求。如：中京艺苑的京剧院部分、北京一机床的重型装配车间，都涉及到了高大空间的气流组织问题。特别是后一个项目，是工业项目，空调要满足工艺要求。该厂房，有4CFD的要求。如：中京艺苑的京剧院部分、北京一机床的重型装配车间，都涉及到了高大空间的气流组织问题。特别是后一个项目，是工业项目，空调要满足工艺要求。该厂房，有4个24m跨，2个30m跨，最高处屋架下弦约25m.总建筑面积约3万m².工艺要

　　要求：30m跨10.0m高度范围内，24m跨5.0m高度范围内，夏季温度30℃±2℃，冬季18℃±2℃。水平方向30m内，温度要求为±2℃。空调设计在5m、10m处分别采用风机盘管（约800余台）沿外墙和柱间跨相对送风，在屋架下弦采用喷口（200～400）送风。为了满足厂房要求，弄清气流组织效果。院委托清华大学进行了CFD分析。这是我院施工图项目应用CFD的第一个。相信将对最终落实空调设计方案，是十分有益的。并将为CFD技术在我院应用，起到促进作用。如果CBD的财富中心区的热环境也能用CFD分析，必将为我院的建筑师提供有效帮助。

　　2.重视水源热泵技术的应用

　　近几年，随着空调节能和环保要求的日益迫切和严格，在北美和北欧等国相当普遍与成熟的水源热泵空调系统，在我国从起步阶段而得到较快发展。我国在水源热泵理论探索、试验研究、产品开发和工程项目的应用上，都取得了可喜的成果。

　　据2003年统计，仅在北京推广热泵技术的厂家包括：北京恒有源科技发展有限公司、山东富尔达公司、法国CIAT公司、清华同方等9家。承担热泵系统设计的单位越来越多。北京已有187个单位使用了水源热泵系统，供暖面积达294万m2，新开发的建设项目也都提出进行水源热泵的可行性分析，因此，了解、熟悉和掌握水源热泵系统，并在合理条件下，选择并应用，是设计人员适应建筑市场需求的必备能力。

　　水源热泵分为两大类，即水环热泵和地源热泵。后者又分为土壤源热泵和地（表）下水热泵。目前发展较迅速的主要是地（表）下水热泵。其特点是利用浅层低温地能（热），一般温度相对恒定（＜25℃），经过热泵提升至建筑物采暖需要的温度（50～60℃）。热泵能效比高（一般COP可达3～5）。而这种能量地下储量巨大，且可以再生。夏季制冷时，将热量排入地下；冬季供暖时，在地下取热，同时将冷量排入地下，循环利用。浇层地能的采集，主要是在合适的条件下，通过打井抽灌浅层地下水来实现的。

　　我国地下水四季不同地区，一般为6～24℃，基本恒温。采集地下低品位水时，基本原则是只用其热，不用其水，用后必须回灌。

　　地下水源应当保证水量充足，水温适当，水质良好，供水稳定，易于回灌。且要加以监控，严防污染和浪费。地下取水深度多在100m左右，含水层厚度一般应大于5m；冬季地下水温不应低于10℃；地下水含砂量应为1/200000；回灌水基本与抽水水质相同。

　　地下水的抽取与回灌方式，目前分为“单井抽灌”和“异井抽灌”方式。

　　“单井抽灌”技术为北京恒有源公司开发，并申请了专利。在北京，已在11个单位应用，供暖面积达154万m2.其中，包括近9万m²的海淀区政府和3万m2的海淀区公安局的办公楼，以及学校、银行、档案馆、高层住宅等建筑。我院设计的中关村软件园信息中心，建筑面积约2万m²，也采用了“单井抽灌”的水源热泵空调系统。其空调冷负荷为1410kW，空调热负荷为1400kW.设计中采用了三套水源热泵机组，主机型号为HT760，以R-22为冷媒。夏季提供7/12℃冷冻水，冬季提供55℃/50℃热水。

　　其综合能效比COP值，夏季为4，冬季为3.经过技术经济比较，水源热泵方案初投资570万元，单位空调造价285元/m²；溴化锂直燃机方案，初投资为750万元，单位空调造价375元/m²；燃气锅炉加冷水机组方案，初投资为700万元，单位空调造价350元/m².全年运行费用：水源热泵25.36元/m².年；直燃机46.92元/m².年；燃气锅炉加冷水机组为41.32/m².年。

　　同时，水源热泵机房面积小，无辅助建筑，运行中无污染物排放，无冷却塔系统。因此，“单井抽灌”的水源热泵的优势明显。

　　“异井抽灌”系统，在北京以北京警察学院为代表。该院占地约80公顷，建筑面积约15万m²，采暖热负荷为15153kW，空调冷负荷为16081kW.全院共设计两个水源热泵系统，总水量为1170m³/h.共打井20口，其中供水井与回灌井各8个，沉砂井和溢流井各2个。供水井间距为200～300m，井深300m，每口井设计流量为150m³/h.回灌井布置在院区中部较大范围内，以使回灌水灌至上游。

　　上述系统于2001年8月进行设计，2003年9月投入运行。是水-水热泵在较大范围的工程中的实践，对水源热泵推广有借鉴作用。

　　从目前情况来看，在城市密集区，采用“单井回灌”技术，有较明显优势。这是因为井距小，约10m左右，管路敷设距离短。同时，井深多为100m左右，有利打井。系统中无单独的回灌井、沉砂井和溢流井，管理、维护、调试相应简单。

　　3.关注蓄冰空调与低温送风

　　近年来，由于经济的快速发展，我国电力供应在部份省市出现紧张、短缺的局面。去年和今年尤为突出。北京今年夏季最高用电负荷从去年的846万kW增加到950万kW，其中，家用空调约为300万kW，大型公用建筑的空调峰值用电达100万kW，空调用电已占全市用电负荷的40%.因此，空调用电的节省对缓解北京夏季用电紧张，十分重要。特别是电力系统采取了分时电价，鼓励合理用电，以解决电力负荷的峰谷差现象。而蓄冰空调技术是重要方法之一。

　　蓄冰技术是采用制冷机和蓄冰装置，在电网低谷时的廉价电费计时区域，进行蓄冰作业；而在空调高峰负荷时，将所蓄冰冷量释放的成套技术。蓄冰技术要合理选择蓄冰介质、蓄冰装置与设计系统组合，利用优化的传热手段，通过自动化控制，周期性地实现高密度的介质蓄冰与合理的冷量释放。

　　凡执行分时电价，且峰谷电价差较大的地区，同时自身空调用电负荷又不均衡的用户，如办公楼、商店、宾馆、影剧院、体育馆等，经过技术经济比较，都可以采用。

　　蓄冰方式可分为：动态型，即将制冰与蓄冰分开，如：冰浆式、冰晶式和冰片滑落式；静态型，有盘管外结冰式（包括内融冰式和外融冰式）和封装式（冰球、冰板和芯心冰球式）。

　　迄今止，我国建成和在建的蓄冰空调工程已达200多项。北京建成的最大静态蓄冰工程——国贸二期（约10万m²），国家电力调度中心低温送风空调系统，均是成功实例。我院在海淀新技术大厦工程中，也采用了蓄冰空调。大厦建筑面积约5.7万m²，冰球蓄冷。利用环形车道内心作为蓄冷罐（3个4300×8900mm）的存放地，较好地解决了占地问题。该系统采用两台双工况螺杆机（510RT），蓄冷量为总冷负荷的28.7%.自2001年安装运行以来，效果良好。

　　但蓄冰技术的推广，存在着造价较高、管理复杂、运行成本高、占地面积大、取冰较难掌握等问题，这需要设计、设备制造商及运行管理部门，不断实践，提高水平，予以完善。同时，很重要一个方面，是电力部门要进一步给予优惠政策，使蓄冰系统回收年限缩短（一般应为5年或特殊情况不大于7年为限）。使业主在经济上得到实惠，以支持电网削峰填谷。

　　近几年，由于国内大型科技园区、大学城、CBD等的兴起，以冰蓄冷为冷源的区域供冷系统，开始出现，并引起空调业界的关注。

　　而区域供冷系统，是始于90年代初，在美国等发达国家，由于市场的需求因素和市场供应的因素，而得以迅速发展的。

　　中关村西区占地约51公顷，规划地上建筑100万m²，地下建筑50万m².用地主体的功能为金融、科贸、行政办公、会展等，配有商业、酒店、康体娱乐。一级开发商在区内建设了两个冰蓄区域供冷系统，为二级开发商提供空调用冷水，以节省其自建制冷站费用。现一期制冷站已建成，提供约8000RT冷量，1.1℃空调冷冻水。这为空调系统使用大温差低温送风，实现空调节能，提供了可能。我院设计的中关村影视城，即向该冷站购冷（2.47元/RT.H），并作了低温送风系统，这是我院第一个这样的系统，进行了有益的探索。

　　广州大学城有500万m²的建筑物，采用了外融冰——冰蓄冷区域供冷站，共设4个制冷量3万RT的制冷站。采用美国BAC技术，采用的是内置翅片换热器外融冰金属盘管。提供2℃空调冷冻水。整个系统投资14亿元，是国内最大区域供冷站。现正在进行建设中，将为区域供冷探索和积累经验。

　　因此，为解决电力紧张，以及夏季电力系统削峰填谷的需要，不少地方和业主，将对蓄冰技术的应用提出要求，我们应当进一步作好技术、经济的准备和研究，适应蓄冰技术的发展。

　　4.重视大规模建筑群的能源多元化和多路能源的供应，实现电力和燃气的互补

　　由于空气调节的作用，既要满足人民生活质量提高需求，又要满足工业，特别是高新技术产业的保障需求，因此空调与室内空气品质、人居环境的健康，与工作和生产效率、高新技术产品质量，甚至与城市经济运转和环境的安全等方面，关系愈加密切。

　　空调使用的季节性、间歇性和不稳定性，对于任何城市而言都造成了能源供应的巨大压力。例如：北京市现有建筑面积3.5亿m²，予计2008年将达到5亿m²，空调对能源的需求和环境的影响都是巨大的。我国建筑耗能约占总耗能的40%，空调耗能约占建筑耗能的40%，而北京目前能源末端方式主要是电力和天然气，而其消费又呈现季节与昼夜的极大不平衡。天然气冬季消耗量是夏季的7～10倍，这主要是采暖需要造成的。电力负荷除一天内的峰谷差外，冬夏之差也在扩大。2002年夏季峰值用电达824万kW，冬季峰值不足580万kW，冬夏季差值主要是空调用电造成的。

　　因此，在有电力与天然气供应的大型建筑群，应考虑合理匹配冷、热源，使电力和天然气的使用上，能达到“双赢”。这是一个值得认真对待的课题。

　　燃气空调的特点是：

　　⑴ 可帮助削去夏季电力负荷高峰，而同时又填平燃气负荷的低谷，从而有效地提高发电设备和燃气设备的利用率，提高投资效益。

　　⑵ 如果将一部份不稳定空调负荷转给燃气，将大大提高电网供电质量和安全。

　　⑶ 相对于传统的集中式供电方式而言，分布式供电将发电系统以小规模（数千千瓦至50MW的小型模块式）、分散的方式布置在用户附近，独立地输出电、热和冷量，可以提高供电可靠性。

　　⑷ 燃气空调和热电冷联产技术以天然气为燃料，可以大大减少燃煤发电的污染物和温室气体的排放。

　　而发展天然气空调的关键在于天然气的价格，目前天然气价格偏高，如果实行季节天然气价差，将促进天然气空调的发展。经测算，若天然气为1.40元/m³.h时，直燃机使用成本基本可以与电力驱动的离心制冷机持平；若天然气为1.80元/m³.h时，直燃机的使用成本基本与电力驱动风冷冷水机组持平。

　　目前，有不少项目的前期，业主都提出了热、冷源多元化方案的要求。如：首都机场扩建工程设计方案，遵循以制冷为主辅以供热的原则，确定以最大日负荷30000Rt为基准，针对电制冷+冰蓄冷、电制冷+冰蓄冷+直燃机、电制冷+直燃机和电制冷四个基本方案，经过对运行费用和初投资的综合比较，最终确定了电制冷+直燃机的方案。实现了电力与燃气的“双赢”方案。

　　院新近签约的北京大钟寺现代商城，也经过了类似的冷、热源方案论证。该项目以商业为主，配套有酒店、办公娱乐、餐饮等，总建筑面积约为30万m².针对其功能和空调负荷特点，考虑到技术、经济综合因素，舍弃了利用天然气的热、电、冷“三联供”方案，电制冷加冰蓄冷方案以及全部用直燃机方案，最终也是采用了电制冷加直燃机，后者更多用于不稳定性负荷以及考虑夏季用电的安全性。

　　因此，积累工程项目资料，搜集能源政策及相关价格，关注各种技术和设备的成熟度，认真作好技术经济比较，作好调研，实事求是地结合项目的特点和情况，作出一个好的冷、热源供应设计，将是暖通专业为主并与技经、动力和自控专业协作的共同结果。