论暖通空调系统技术的现状及在商业建筑中的应用

浙大宁波理工学院2021-2022学年第1学期

《建筑设备》课程作业

《论暖通空调系统技术的现状及在商业建筑中的应用》

二○二一年十二月

执行摘要（Executive Summary）

1.商业建筑的定义及特性

商业建筑是供人们从事各类经营活动的建筑物。包括：各类日常用品和生产资料等的零售商店、商场、批发市场；金融、证券等行业的交易所所及供经营管理业务活动的商务办公楼；各类服务业建筑，包括旅馆（含宾馆、酒店、招待所等）、餐馆（含中西餐厅、饮食店、酒吧等）、文化娱乐设施（如卡拉OK歌舞厅等）、会所（亦称会员俱乐部，为会员提供休憩、饮食、聚会、文化娱乐和体育活动等的场所）等。

商业建筑是为人们进行商业活动提供空间场所的建筑类型之统称。在社会发展的各个阶段中表现出不同的建筑形式特征，从古代“以物易物”、“日中为市”的市场、前店后坊式的商店发展到百货商店、超级市场、购物中心等具有多种空间形式的现代商业建筑，其功能已发展为要求具备服务性、展示性、休闲、文化性的空间环境。商业建筑的总体布局和设计，应符合安全、防火的要求，具有合理的组织，功能分区明确，并要方便群众。

2.建筑物的暖通空调系统设计要求、合适的暖通空调系统 设备的选择

a.循环水泵

循环水泵是保证暖通空调运行的重要基础,但值得注意的是,当下循环水泵的出水量远远超过群众使用空调的排水量,这就会造成大量水资源的闲置,进而导致大规模的浪费。因此,设计主体应当对出现这一问题的原因进行谨慎分析,要找出造成循环水泵运行和实际需求落差过大的根源。大致的原因可以总结为以下三点：首先是冷负荷设计不科学,其次是循环系统的阻力过大,最后是静水的压力。根据以上原因,设计主体应当重点把握循环水泵容量同冷负荷设计之间的关系,要掌握好两者之间的平衡,以此来提升水资源的合理利用效率。

b.供暖

供暖是暖通空调的主要用途之一,也是体现暖通设计水准和质量的主要方面。设计主体应当着重把握供暖入口装置的设计,这影响到供暖的整体效率。设计主体应当严格按照强制性规范和标准来进行相关操作,同时也要考虑到接口装置安放的合理性与协调性,要与住宅的整体构造相映衬。除此之外,在高层建筑的空调设计中,要注意管道的规划,以此来促进空调的合理散热,避免出现由于热量堆积而导致线路受损的现象。同时,设计主体也要在高层建筑中安放散热器,预防出现冻结现象。总而言之,设计主体要提升供暖系统规划的合理性与科学性,要保证供暖管道的相互协调,同时也要保证散热器的正常运行。

C.精确负荷计算

供暖、空调、制冷等技术手册指出,对于高层办公室和高层酒店而言,在夏季的时候,其中暖通空调系统的估算冷负荷为94～163W/㎡和210～240W/㎡。然而,在高层建筑的实际暖通空调设计过程中,空调的总装机容量通常取决于各种因素,并且投资空调系统的初始安装成本也有所增加。在设计高层建筑的暖通空调系统时,虽然设计人员可以通过估算负荷指数简单地计算负荷,但是这样做只能增加制冷设备的安装容量,会大大减少资源利用率，同时还会影响冷却器的工作效率。综上，在计算负荷时有必要考虑到建筑物区域内供热或制冷单元的负荷,并将获得的值作为参考数据进行计算,最后获得相应的实际值。这有效地减少了能量损失和后续维护次数,在设计高层建筑的暖通空调系统时,需要对所有的安全风险进行全面的分析评价。

d.良好的室内环境与低能耗条件下的设计方案

在室内环境良好且功耗较低的情况下,该方案是利用顶部冷却辐射系统、可更换的供气系统、具有除湿功能的空调系统、可调节空气量，最后通过辐射制冷消除多个装置热辐射。该方案还需要注意的部分有,除湿系统是一个独立的系统,只具有去除空气中多余水分的功能。实际的规划设计方案还应侧重于经济方面,例如工程成本、资本投资、分销管理投资、管道投资、设备建设成本、材料成本、安装和调试成本以及外部管道成本等。只有科学计算所有相关的成本,才能做出最佳的方案。

e.完善通风设计

空调和通风系统的设计是暖通空调设计中更重要的部分,并且可能严重影响人们的生活质量和工作条件。通风设计的作用是有效地循环室内外空气,并保持室内一直拥有新鲜的空气。在将室外空气供应到房间的过程中对空气进行加热和冷却以提供良好的工作及生活环境是空调系统的作用。

f.做好空调机组的选择工作

高层民用建筑暖通空调系统设计过程中要做好空调机组的选择工作，以此保证空调系统的高效运行。在前期选择阶段，相关设计人员要对空调机组的能耗以及功率进行全方位的审核，结合建筑物空间布局的实际情况，尽量降低能源消耗，减少空调系统的运行成本。以冷热源机房设计为例进行分析，需要对离心式冷水机组进行选择，在选择过程中要对机组的制冷量以及数量进行确认，使之适应建筑区域功能的实际需要。为了有效地控制空调的能耗，可以选择全热回收螺杆式冷水机组，并对该机组的制冷量与数量进行确认，科学选择空调机组是实现制冷与冷凝热有效回收的关键。同时，为了保证系统设备的安全性，需要注意在冬季易出现的防冻问题，要在机组选择过程中充分考虑多种因素的影响，以此保证暖通空调的平稳运行。

g.将节能技术应用其中

将节能技术应用在高层民用建筑暖通空调设计过程中，可以体现出节能环保的基本原则。在具体设计环节中将绿色建筑理念应用其中，以此提升暖通空调运行的节能性。在暖通空调设计过程中，为了减少能源的消耗，可以将冷热多联系统应用其中，实现空调系统的制冷与制热。为保证高效地传递热能、提升冷冻效果，要选用符合标准的冷媒，降低能耗量，避免对大气环境造成影响。

3.改善/改进该暖通空调系统的最优方案

加强在建筑暖通空调系统设计中的基本要求和实际改革是提高建筑物运营安全性和创造舒适居住环境的有效途径。在实际的设计过程中,相关实体应共同执行暖通空调设计原则以满足各类暖通空调建筑物的基本需求,并结合独特的结构和特性开发可行的解决方案为暖通空调的良好可持续发展奠定基础。

绪论

暖通空调是具有采暖、通风和空气调节功能的空调器。由于暖通空调的主要功能包括：采暖、通风和空气调节这三个方面，缩写HVAC(Heating, Ventilating and Air Conditioning)，取这三个功能的综合简称，即为暖通空调。采暖（Heating）:按需要给建筑物供给热能，保证室内温度按要求持续在高于外界环境。通风（Ventilating）:利用室外空气（称新鲜空气或新风）来置换建筑物内的空气。空气调节（Ari Conditioning）:用来对房间或空间内的温度、湿度、洁净度和空气流动速度来进行调节，并提供足够量的新鲜空气的建筑环境控制系统。暖通空调按使用目的分类，可分为：

舒适性空调——要求温度适宜，环境舒适，对温湿度的调节精度无严格要求、用于住房、办公室、影剧院、商场、体育馆、汽车、船舶、飞机等。

工艺性空调——对温湿度有一定的调节精度要求，另外空气的洁净度也要有较高的要求。用于电子器件生产车间、精密仪器生产车间、计算机房、生物实验室等。

按设备布置情况分类，可分为

集中式(中央)空调——空气处理设备集中在中央空调室里，处理过的空气通过 风管 送至各 房间 的空调系统。适用于面积大、房间集中、各房间热湿负荷比较接近的场所选用，如商场、超市、餐厅、船舶、工厂等。系统维修管理方便，设备的消声隔振比较容易解决，但集中式空调系统的输配系统中风机、水泵的能耗较高。

半集中式空调——既有中央空调又有处理空气的末端装置的空调系统。这种系统比较复杂，可以达到较高的调节精度。适用于 宾馆、酒店、办公楼 等有独立调节要求的民用建筑，半集中式空调的输配系统能耗通常低于集中式空调系统。常见的半集中式空调系统有风机盘管系统和诱导式空调系统。

局部式空调——每个房间都有各自的设备处理空气的空调。空调器可直接装在房间里或装在邻近房间里，就地处理空气。适用于面积小、房间分散、热湿负荷相差大的场合，如办公室、机房、家庭等。其设备可以是单台独立式空调机组，也可以是由管道集中给冷热水的风机盘管式空调器组成的系统，各房间按需要调节本室的温度。

按承担负荷介质分类

全空气系统——仅通过风管向空调区域输送冷热空气。全空气系统的风管类型有：单区风管、多区风管、单管或双管、末端再热风管、定空气流量、变空气流量系统以及混合系统。在典型的全空气系统中，新风和回风混合后通过制冷剂盘管处理后再送人室内，对房间进行采暖或制冷。图8-4中如果只有集中处理B进行空气调节，就属于全空气系统。

全水系统——房间负荷由集中供应的冷、热水负担。中央机组制取的冷冻水循环输送到空气处理单元中的盘管(也称为末端设备或风机盘管)对室内进行空气调节

按照承担荷载介质分类（a:全空气系统，b.全水系统从c.空气水系统d.制冷剂系统）

蒸汽系统——以蒸汽为介质向建筑物提供热量，蒸汽供暖系统，暖风机系统

冷剂系统——以制冷剂为介质，直接对室内空气进行冷却去湿或加热。

商业建筑暖通空调的功能：1.夏季移除室内多余热量和湿量，调节室内热量与湿度的恒定。

2.冬季屏蔽向室外传出的热量或渗入的冷风，补充热量。3.针对室内各种污染物所进行的净化，提升空气品质。4.向室内提供冷、热量，并稀释室内的污染物，以保证室内具有舒适的热舒适条件和良好的空气品质。

当室内得到热量或失去热量时，则从室内取出热量或向室内补充热量，使进出房间的热量相等，即达到热平衡，从而使室内保持一定的温度；或使进出房间的湿量平衡，以使室内保持一定的湿度；或从室内排出污染空气，同时补入等量的室外清洁空气，即达到空气平衡。

进出房间的空气量、热量以及湿量总会自动地达到平衡。任何因素破坏这种平衡，必将导致室内状态（温度、湿 度、污染物浓度、室内压力等）的变化，并将在新的状态下达到新的平衡。自动达到平衡时的室内状态往往偏离人们所希望的状态，因而所设置的采暖通风与空调系统必须能够控制进房间的热量、湿量和空气量，以便在所希望的室内状态范围内实现热湿量和空气量的动态平衡。

商业建筑空调设计特点

商业建筑作为公共建筑的一个分支，在进行暖通空调系统设计时具有不同与其他公共建筑的特点，主要表现在以下几点：

照明设备冷负荷占比大：商业建筑对于灯光照明的要求较高，除去特殊的设计能够得到的自然采光之外，大部分商业建筑为保证采光效果和设计效果都需要保证全天候、长时间的采光照明，且使用的照明设备数量多，发热值高，导致照明设备发热所产生的热量在空调系统需要制冷时成为冷负荷的较大部分，在系统设计时不能忽视。

系统负荷波动较大：一方面，为了应对如今越来越高的使用要求，商业建筑空调系统中不同功能的设备、不同功能的建筑分区使用时间不同，导致系统总负荷发生变化。另一方面商业建筑的人员密度较高，且波动性较强，随时间变化有一定的规律性，人员变化所带来的新风负荷和冷负荷波动不可避免。对所设计系统的可调节性要求较高，需要根据系统负荷变化进行调节，避免长时间满负荷运行导致的能源浪费。

经济性要求较高：作为盈利性质的建筑类型，在商业建筑暖通空调设计过程中必须考虑的就是所设计系统的经济性，不单单需要考虑到系统安装和运行的初投资，更加需要兼顾系统之后的运行调节以及维护成本，综合考虑设计要求、使用情况、设备档次、能源价格、舒适状况、美观情况等等，以更加全面的角度选择和设计暖通空调系统。

参数选择:商业建筑内空调系统设计温度要同时满足顾客以及工作人员的共同需求。例如，在夏季的时候，顾客频繁的进出建筑内外，所带来的额外冷负荷如果不通过降低室内设计温度来负担，将无法满足顾客对于室内温度的要求，同时建筑内部的工作人员由于不用经常外出的缘故，如果一再地降低室内温度，可能会造成对工作效率的影响：在冬季的时候，顾客在进入建筑之前往往穿着厚重，有时候进入某些商业建筑之后可能会出现“热得脱衣服”的情况，此时需要一定程度上降低室内温度，但是工作人员不会穿着过多的衣物，如果室内温度降幅太大，也会影响到工作的状态。因此，合理的空调设计室内参数选择需要在保证工作人员以及顾客的热舒适要求的前提下尽量使系统节能，具体的设定值可以在系统运行时根据不同室内温度条件下建筑内部人员的PMV-PPD指标来确定。

冷热源选择:往复式制冷机组、螺杆式制冷机组、吸收式制冷机组、离心式制冷机组是商业建筑所最常选择的冷源类型。机组数量选择尽量选取“大加小”机组，即大负荷机组加小负荷机组，在负荷需求较少的情况下，可以使用功率较小的冷水主机供应;在负荷需求较高的情况下，可以以大功率主机为主，小功率主机为辅的方式联合制冷，且都需要配备变频设备以提高自身在部分负荷下的COP值，在50%的负荷率下效果尤为明显。而城市热网、空气源热泵、锅炉则是商业建筑中最为常见的热源。为了有助于进行运营管理，冷热源通常进行集中设置，针对不同功能区域的冷热源则需要分开设置。对于运营时间存在差异的区域则可以设置独立的风冷热泵机组。机房应尽量靠近负荷的中心位置，考慮到成本投入和区域商业价值，一般商业建筑都将冷热源设置在地下室。针对冷热源做好相应的隔音和减震措施，而且方便对设备进行检修、管理和运输。

通风系统:商业建筑通风系统主要针对的是各设备用房、营业区域、公共卫间区域、餐饮厨房区域的通风。排烟系统也可用于商业营业区的排风，所以在设置排风系统的时候必须考虑排烟系统的运行。以商业营业区域和餐饮厨房区域的通风为例，过渡季节运用全新风运行的空调系统，排风量按照全新风运行的排风量，可以与排烟系统相结合使用，并且满足排烟系统的运行需求。餐饮厨房区域的通风要考虑到针对炉灶位置的局部通过和房间的全方面排风，自然通风没办法满足需求时应该考虑燃气泄露时的通风和补风，而且在充分考虑燃气泄露情况下的事故排风情况下，必须确切计算厨房的排风，如果没有进行切实计算就要根据换气次数予以估计。

中央空调变频技术的科学运用：

在中央空调系统中，通过设置变频器来改变频率，使其根据建筑内冷热负荷的变化以及室内环境的要求来自动控制电动机的运转速度，当所需风量减小时，通过变频器调速降低电动机转速，以节约电能。经测试发现，对空调机组、末端设备和水泵等设备采用变频控制可以减少设备能耗的30%以上，并且变频变速与传统变速相比其调速范围更广，可使电动机实现平滑的无级变速，同时由于变频器的启动方式为软启动，因此不会因为启动瞬间电流过大而对电网造成冲击。

空调系统智能控制系统的运用：

对空调系统增设智能控制系统，使系统的运行达到智能控制的目的，充分优化空调系统的运行状态，使各个设备可以在达到系统运行要求的前提下最大限度地节约耗电量。智能控制系统可实现的作用是：1.自动跟踪不同季节、不同时段建筑物内各个区域的 温度、湿度值与室外条件之间的关系。2.动态调整空调的设定温度、湿度、修正值等参数，根据空调设备的实时运行状况，配以智能化的控制算法软件，优化压缩机运行周期。3.根据空调各负荷区域不同的工况条件、空调冷量分布、风量扩张循环等综合数据，提高优化冷量利用效率，排列出空调优先资格顺序，达到冷量效率最大化。4.根据系统的要求精确控制开启与关闭的空调数量，使空调机组在满足室内环境温度、湿度要求的前提下始终处于最佳运行状态，进而达到节能的效果，并延长机组的使用寿命。

定期的清洗与维护：

中央空调系统的冷凝器、蒸发器等在运行一段时间后表面会产生大量的水垢、细菌、藻类、污泥等，容易堵塞管道，并降低冷凝器、蒸发器的热交换效率，使其要达到换热效果就必须要长期高压运行，甚至出现超压停机等现象，造成了电能的严重浪费，因此必须要对其进行定期的清洗和维护，除去水垢污泥等杂物，并通过化学药剂杀灭藻类物质，以改善冷凝器和蒸发器的热交换效率，提高制冷效果，使系统维持高效和安全的运行状态。

综上所述，中央空调的能耗是商业建筑能耗中很大的一部分，据统计要占到总能耗的一半以上，一方面给整栋建筑物的配电带来了压力，另一方面也与有限的能源发展相矛盾，不利于经济和社会的可持续发展。与发达国家相比，我国商业建筑的能耗要比经济较发达国家如美国、日本同类建筑高出不少，商业建筑空调节能还大有可为。

商业建筑暖通空调系统的设计步骤

第1步：熟悉设计建筑物的原始设计资料

包括：建设方提供的文件、建筑用途及其工艺要求、设计任务书、建筑作业图等。

第2步：资料调研

包括：查阅相关设计资料(手册、规范、标准、措施等)、收集相关设备与材料的产品。

第3步：确定室内外设计气象参数

根据设计建筑物所处地区，查取室外空气冬、夏季气象设计参数；根据设计建筑物的使用功能，确定室内空气冬、夏季设计参数。

第4步：确定设计建筑物的建筑热工参数及其他参数

根据建筑物的外围护结构的构成，计算外墙、屋面、外门、外窗的传热系数等参数；根据建筑物的内外围护结构的构成，计算内墙、楼板、外门、外窗的传热系数等参数；根据建筑物的使用功能，确定在室人员数量、灯光负荷、设备负荷、工作时间段等参数。

第5步：空调热、湿负荷计算

计算设计建筑物在最不利条件下的空调热、湿负荷(余热、余湿)；进行建筑 节能方案比较，确定合理的空调热、湿负荷。第6步：确定最佳空调方案 通过技术经济比较，选择并确定适合所设计建筑物的空调系统方式、冷热源方式、以及空调系统控制方式。

第7步：送风量与气流组织计算

根据计算的空调热、湿负荷以及送风温差，确定冬、夏季送风状态和送风量；根据设计建筑物的工作环境要求，计算确定最小新风量；根据空调方式及计 算的送、回风量，确定送、回风口形式，布置送、回风口，进行气流组织设计。

第8步：空调水、风系统设计

布置空调风管道，进行风道系统的水力计算，确定管径、阻力等；布置空调水管道，进行水管路系统的水力计算，确定管径、阻力等。

第9步：主要空调设备的设计选型

根据空调系统的空气处理方案，并结合i—d图，进行空调设备选型设计计算；确定空气处理设备的容量(热负荷)及送风量，确定表面式换热器的结构形式及其热工参数；根据风道系统的水力计算，确定风机的流量、风压及型号。

第10步：防、排烟系统设计

第 11步：冷、热源机房设计

根据空气处理设备的容量，确定冷源(制冷机)或热源(锅炉)的容量及型号；根据管路系统的水力计算，确定水泵的流量、扬程及型号。

第12步：空调设备及其管道的保冷与保温、消声与隔振设计

第13步：图纸绘制、整理设计，计算说明书 空调热、湿负荷计算空调系统设备选择

空调负荷可以分为空调房间或区域负荷和系统负荷两种：空调房间或区域负荷即为直接发生在空调房间或区域内的负荷；另外还有一些发生在空调房间或区域以外的负荷，如新风负荷(新风状态与室内空气状态不同而产生的负荷)、管道温升(降)负荷(风管或水管传热造成的负荷)、风机温升负荷(空气通过通风机后的温升)、水泵温升负荷(液体通过水泵后的温升)等，这些负荷不直接作用于室内，但最终也要由空调系统来承担。将以上直接发生在空调房间或区域内的负荷和不直接作用空调房间或区域内的附加负荷合在一起就称为系统负荷。

绿色节能技术系统（多源暖通空调系统）

近年来，随着城市化进程的不断加快，空调应用越来越广泛，人们在关注生活质量的同时，更加注重能源消耗。传统空调系统在运行过程中耗能较大，几乎占到了整个建筑总耗能的一半以上，这一不利局面大大制约了暖通空调系统在我国各类建筑中的应用与推广。由此，在绿色节能技术方面，多源暖通空调应运而生。多源暖通空调即采用多源热泵技术将低位热源所产生的热能进行收集并逐步转移到高位热源中，从而为采暖用户提供高品质的供暖。目前，根据热源种类的不同可大致分为以下3类：空气热源暖通空调、水源暖通空调和空气源暖通空调。一般情况下，多源暖通空调在使用过程中和传统空调系统具有一定的差别，传统空调系统在运作过程中主要有冷热源，也就是人们通常所说的热泵。冷媒输配管网、空气分配装置、被调对象等一系列的装置，而多元暖通空调系统在使用过程中，包括多源热泵机组、空气处理设备、自动控制装置、太阳能集热器、储能水箱等一系列的内容，在进行能量存储或者是功能过程中，多源暖通空调系统主要依靠多源热泵机组和保温箱。在运作过程中，需要对太阳能集热器进行设计，充分发挥太阳能清洁能源的优势，在使用过程中也不会排放大量的有害物质。此外，需要做好储能水箱的设计工作，为了保证暖通空调系统和热水系统有机连接，必须要做好太阳能水箱存储，在进行太阳能集热水箱运作时，为了满足空调和热水制取的需求，需要保证水箱和空调系统共同运作。多源暖通空调系统优势分析：传统暖通空调系统由于设备造价高，运行能耗大等缺点长期以来制约了其在我国的应用和推广，尤其是在部分采暖空间较为独立、供电线路系统老旧的建筑中，推广应用的难度更大。多源暖通空调系统与传统暖通空调系统相比，其在系统能耗、设备维护等方面相比具有明显优势。目前，我国南方部分地区在冬季采暖季节中虽然室外大气温度只有10℃上下，但此时的大气中还蕴含大量可供利用的热量，如显热与潜热，通过利用空气源热泵收集和利用大气中的热量，不仅能够将室外较低品位的热能加以收集利用，而且其能耗远低于其他热源暖通空调。人类利用太阳能的历史较为悠久，但在利用太阳能作为多源暖通空调的热源时受到采暖区域纬度坐标、昼夜时长、当地天气情况等客观因素的影响，从而使得该种类型热源在供热稳定性上存在一定问题。为此，多源暖通空调系统则通过将多种热源进行有机的融合，从而达到取长补短的功效，充分发挥了每一种热源的优势。例如，采用太阳能-空气能-水能的复合式多源暖通空调则可以可再生能源作为供热远，并实现了空气、水、太阳能之间的热量转换和互补。

商业建筑暖通空调的系统选择

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