论绿色建筑与暖通空调设计

论绿色建筑与暖通空调设计

摘 要：本文简述了绿色建筑的基本含义、特性及环境问题。从主动式地利用太阳能及有组织的自然通风到采取合适的暖通空调方式被动式地改善室内环境品质等方面 ,介绍了绿色建筑中暖通空调应用的新技术、新方法。同时还介绍了绿色建筑的概念及在进行暖通空调设计方面所要遵循的原则，分别从空调系统的选择等方面为绿色建筑中暖通空调设计做了全面论述。最后指出，保持建筑物周围良好的外环境，充分利用自然能源，是暖通空调设计所必不可少的方面。

关键词： 绿色建筑 暖通空调 节能

Abstract: This paper outlines the basic meaning of the green building features and environmental issues. From active use of solar and organized natural ventilation to improve indoor environmental quality passive HVAC, etc., introduced new technologies, new methods of green building HVAC applications. It also presents the principles which to be followed by the green building concepts and conducting HVAC design, respectively, from the choice of air conditioning systems for green building HVAC design a comprehensive discussion. Concluded that, to maintain a good external environment around the building to make full use of natural energy, is the essential aspects of the HVAC design.

Key Words: green building， HVAC ，energy conservation

引 言：随上个世纪 90 年代以来 ,随着地球温暖化进程的加速和全球异常气候出现周期的缩短 ,我们人类的家园 ———地球已经濒临失衡。可持续发展理论的提出 ,使人们开始反思此前的建筑发展历程 ,尤其是工业革命之后的短短一百多年间 ,实际上是人类在不断地与自然界抗衡 ,是人类以不可再生的能源作为武器与自然界作斗争的过程 ,其结果是人与自然两败俱伤。于是 ,学者们提出“生态建筑”,“环境共生型建筑”,“绿色建筑”以及与可持续发展概念一致的“可持续建筑”等概念 。“绿色建筑”概念的提出 ,说明人类的建设活动进入理性阶段 ,从“人定胜天”、“征服自然”回归到“天人合一”、与自然和谐相处。绿色建筑就是充分利用可再生的材料和能源 ,亲和自然 ,尽量不破坏环境和文化传统 ,保护居住者的健康 ,充分体现了可持续发展和人类回归自然的理念 。绿色建筑对室内环境品质给予特别的重视。室内环境品质包括声、光、热等诸多环境物理因素以及室内空气品质中的诸多物理、化学因素 。绿色建筑的室内环境应与地球生物圈的生态环境协调、融合。“以人为本”的室内环境首先要满足人的生物特性 ,即节能和环保并不是以影响居住者的健康和降低居住者的工作效率为代价。因此 ,绿色建筑是资源和能源的有效利用、保护环境、亲和自然、舒适、健康、安全的

建筑。

1 暖通空调在绿色建筑中的应用

1. 1 主动式方法

所谓主动式手法 ,就是利用建筑自身和天然能源来保障室内环境品质。用主动式措施改善室内生态环境 ,主要是做好太阳辐射和自然通风这两项工作。基本思路是使阳光、热、空气仅在有益时进入建筑 ,其目的是控制阳光和空气于恰当的时间进入建筑 ,以及储存和分配热空气和冷空气以备需要。

1)控制太阳辐射:太阳辐射对于暖通空调而言是一柄双刃剑:一方面增加进入室内的太阳辐射可以充分利用昼光照明 ,减少电气照明的能耗 ,也减少照明引起的夏季空调冷负荷 ,减少冬季采暖负荷。另一方面 ,增加进入室内的太阳辐射又会引起空调日射冷负荷的增加。控制太阳辐射所采取的具体措施有:

a)选用节能玻璃窗。例如 ,在采暖为主的地区 ,可选用双层中充惰性气体、内层低辐射Low -E 镀膜的玻璃窗 ,能有效地透过可见光、遮挡室内长波辐射 ,发挥温室效应;而在供冷为主的地区 ,可选用外层Low -E 镀膜玻璃或单层镀膜玻璃 ,能有效地透过可见光、遮挡直射日射和室外长波辐射。国外最新利用液晶技术的智能窗 ,利用晶体在不同电压下改变排列形状的特性 ,可以根据室外日射强度改变窗的透明程度。

b)采用将可见光引进建筑物内区 ,同时遮挡对周边区直射日射的遮檐 。

c)采用通风窗技术 ,将空调回风引入双层窗夹层空间 ,带走由日射引起的中间层百叶温度升高的对流热量。中间层百叶在光电控制下自动改变角度 ,遮挡直射阳光 ,透过散射可见光 。

d)利用建筑物中庭 ,将昼光引入建筑物内区 。

e)利用光导纤维将光能引入内区 ,而将热能摈弃在室外。

f)最简单易行但又是最有效的方法是设建筑外遮阳板 ,也可将外遮阳板与太阳能电池(又称光伏电池) 结合 ,不但降低空调负荷 ,而且还能为室内照明提供补充能源 。

上述措施能很好地解决昼光照明与空调负荷之间的矛盾。

2)利用有组织的自然通风:自然通风是当今生态建筑中广泛采用的一项技术措施。它是一项久远的技术 ,我国传统建筑平面布局坐北朝南 ,讲究穿堂风 ,都是自然通风 ,节省能源的朴素运用。只不过当现代人们再次意识到它时 ,才感到更加珍贵 ,与现代技术相结合 ,从理论到实践都提高到一个新的高度。在建筑设计中自然通风涉及建筑形式、热压、风压、室外空气的热湿状态和污染情况等诸多因素。

自然通风可以在过渡季节提供新鲜空气和降温 ,也可以在空调供冷季节利用夜间通风 ,降低围护结构和家俱的蓄热量 ,减少第二天空调的启动负荷。实验表明 ,充分的夜间通风可使白天室温低 2～4 ℃。日本松下电器情报大楼、高崎市政府大楼等都利用了有组织的自然通风对中庭或办公室通风 ,过渡季节免开空调。在外窗不能开启和有双层或三层玻璃幕墙的建筑中 ,还可以利用间接自然通风 ,即将室外空气引入玻璃间层内 ,再排到室外。这种结构不同于一般玻璃幕墙 ,双层玻璃之间留有较大的空间 ,被称为”会呼吸的皮肤”。冬季 ,双层玻璃间层形成阳光温室 ,提高建筑围护结构表面温度。夏季 ,利用烟囱效应在间层内通风 ,将间层内热空气带走。自然通风在生态建筑上的应用目的就是尽量减少传统空调制冷系统的使用 ,从而减少能耗 ,降低污染。

1. 2 被动式方法

所谓被动式手法 ,就是依靠机械、电气等设施 ,创造一种扬自然环境之长、避自然环境之短的室内环境。当今的建筑由于其规模和内部使用情况的复杂性 ,在多数气候区不可能完全靠主动式方法保持良好的室内环境品质。因此 ,要采用机械和电气的手法 ,在节能和提高能效的前提下 ,按“以人为本”的原则 ,改善室内生态环境。

在既要节能 ,又要保证室内环境空气品质的前提下 ,风量可调的置换式送风系统、冷辐射吊顶系统、结合冰蓄冷的低温送风系统以及去湿空调系统在国外绿色办公建筑中已成为流行的空调方案。

1)置换式送风系统

置换式送风系统主要有以下几种形式(a)空调与个人空调相结合的下送风或桌面送风; (b)用作全场空调的地板送风; (c)置换式顶送顶回系统。

第一种形式又可以分成桌面可调球形风口和通过静压箱的条缝风口送风两种形式。空调送风通过架空地板送到各工作站。一般每个工作站自带一台将送回风混合的循环小风机 ,根据各人的习惯和爱好可以调节桌面风口 ,以达到每个人最为满意的环境状态。工作站带有人体传感器 ,当人离开后经延时自动切断风机和工作照明的电源 。

第二种形式可以采用地面送风柱(可带再热) 送风和地板送风口送风。如德国法兰克福商业银行的办公室部分就是采用了地板送风空调系统 。

第三种方式是利用喷嘴将空气送到地板附近 ,通过人体之后从上部灯具回风 ,起到置换作用 ,人可以通过遥控器控制风量和风温。

上送上回先经过人体 ,将人体周围的污染空气和热湿空气置换掉 ,提高了通风效率 ,缩短了“空气龄”。由于上送上回只需保证人体周围(标高 2m 以下) 的环境品质 ,因此也减少了空调负荷。

2)冷辐射吊顶系统:今天的办公建筑中主要内热源是设备、照明形成的显热 ,而其中辐射成分又占了 50 %以上。因此 ,用辐射形式供冷可以平衡掉这部分热量。实验证明 ,辐射形式供冷可以提高人体舒适性 。日本东京的 SANKYO 本部大厦和德国杜依斯堡的商业促进中心等均采用了将辐射板与室内吊顶结合的冷辐射吊顶空调方式 。冷辐射具有出色的环境品质特性 ,冷吊顶空调具有良好的节能特性。但是采用 冷吊顶系统的建筑有几个问题应当值得注意:第一 ,用冷辐射吊顶的房间窗户必须采取外遮阳措施 ,以减少太阳辐射对室内冷辐射效果的影响;第二 ,在我国南方高温高湿地区 ,必须采取一系列技术措施 ,确保冷辐射吊顶不结露;第三 ,室内气流组织应作仔细考虑 ,室内空气如果没有一点流速 ,居住者也会产生不舒适感。

3)结合冰蓄冷的低温送风系统:蓄冷低温送风系统目前已在空调设计中被广泛采用。该系统虽然起不到节能的作用 ,但却能平衡市区用电负荷 ,提高发电效率 ,对环境负荷的降低是有利的。

4)蒸发冷却空调系统:蒸发冷却空调技术是一种绿色仿生空调技术 ,包括直接蒸发冷却(DEC) 和间接蒸发冷却( IEC) 。它采用水作为制冷剂 ,对环境无污染;另外 ,蒸发冷却系统制冷不需消耗压缩功 ,它的COP 值比机械制冷大的多 ,因此 ,是一种节能环保型绿色空调产品。目前在我国新疆等西部地区的大型工业及商业建筑中得到广泛应用。

5)去湿空调系统:去湿空调(Desiccant Cooling) 的原理很简单 ,室外新风先经过去湿转轮 ,由其中的固体去湿剂进行去湿处理 ,然后经过第二个转轮(热回收转轮),与室内排风进行全热或显热交换 ,回收排风能量。经过去湿降温的新风再与回风混合 ,经表冷器处理(此时表冷器处理基本上已是干冷过程) 后送入室内。

去湿空调之所以在绿色建筑中得到广泛应用 ,是因为: (1)为保证室内空气品质 ,绿色建筑对室内湿度控制的要求提高; (2)为保证室内空气品质 ,绿色建筑对新风需求量增加; (3)固体去湿剂的再生 ,可以采用热电联产的余热、太阳能或天然气等可再生能源或清洁能源; (4) 绿色建筑室内相对湿度一般要求控制在

60 %以下 ,以防止霉菌的孳生。

6)地源热泵空调系统:地源热泵空调系统是利用土壤 ,地下水或江河湖水作为冷热源的一种高效的空调方式。土壤是一种很适宜的热源 ,其温度适宜、稳定 ,蓄热性能好且到处都有。原状土在地下约 10米深处温度几乎没有季节性波动 ,一般比全年空气平均温度高 1～2 ℃。地源热泵全年运行工况稳定 ,不需要其他辅助热源及冷却设备即可实现冬季供热夏季供冷。地源热泵的 COP 值可达 4. 0 以上。对于采用深井回灌方式的水源热泵 ,由于地下水抽出后经过换热器回灌至地下 ,属全封闭方式 ,因此不使用任何水资源也不会污染地下水源。目前 ,这一方式在我国山东等地已被广泛使用。

2 空调系统的选择

绿色建筑的设计原则之一是通过采取建筑上的措施，选用高能效比的设备， 绿色建筑的空调系统应比常规系统降低能耗 30%以上。选用的空调系统必须能创造健康的室内环境， 因此在公共建筑中,风机盘管系统在节能上没有什么优势,又可能成为破坏室内空气品质的污染源,理所当然地被绿色建筑摈弃.而变风量(VAV)系统尽管是节能系统,也只有在设计中保证最小新风量并有作为全新风系统可能性的前提下才能在绿色建筑中应用。近年来暖通空调界对合理新风量的确定作了大量的研究。趋势是，新风已不在仅仅用来稀释室内建筑污染及 CO2 人员污染，其效应是相互叠加的，所以二者所需新风量也进行叠加。另外。应考虑通风效率问题，通风应直接送到室内人员处，而不是仅仅送到房中。因此，在既要节能又要保证室内空气品质的前提下，风量可调的置换式送风系统（见图 1-4 ）冷辐射吊顶系统， 结合冰蓄冷的低温送风系统以及去湿空调系统在国外绿色办公建筑中成为流行的方案 。现对置换通风的效果做简要介绍。图 1-4 分别为置换通风的速度场，温度场