绿色环保技术在某办公大楼的设计实践

杨嫒茹 许东晟

东南大学建筑设计研究院有限公司

0 引言

绿色建筑，又称可持续建筑或生态建筑，由西方发达国家于20 世纪60年代率先提出的一种建筑理念。我国最新版《绿色建筑评价标准》中，将绿色建筑明确定义为“ 在全寿命周期内，节约资源、保护环境、减少污染，为人们提供健康、适用和高效的使用空间，最大限度地实现人与自然和谐共生的高质量建筑”[1]。新标准的评价技术指标体系从“ 以人为本”的建筑性能出发，以增进建筑使用者对绿色建筑的体验感和获得感为目标。

绿色建筑的设计是综合设计与动态设计，有 5 条设计原则：1）健康的室内环境。2）合理用能。3）有利生态的材料。4）环保形态。5）设计精良[2]。因此，在新时代绿色建筑设计中，通过各种措施以尽可能少的能耗且不破坏环境的方式，创造健康、舒适的室内环境，实现可持续发展为主题的绿色建筑设计是暖通空调专业的设计基础目标。

下面以上海市奉贤区中国普天信息产业上海工业园总部办公楼项目为例，说明设计过程中暖通空调的设计思路。

1 项目概况

本工程为中国普天信息产业上海工业园总部办公楼位于上海市奉贤区，是普天上海工业园A1（含A2）地块一期工程的组成项目。总建筑面积 4369 m2，建筑总高度为21.35 m，地上四层建筑。其主要功能为办公等。项目模型图如图1。该工程通过有效的空间组织，合理的体型和构造设计，以空间本身的形态和组织结构来实现对室内外环境的性能化调节，同时有效降低能耗。

图1 项目模型图

2 自然通风设计

对自然资源的利用程度在很大程度上体现暖通空调设计的优劣，在绿色建筑设计中，自然通风的利用是降低空调能耗、改善室内空气品质的重要技术措施。日本松下电器情报大楼，高崎市政府大楼和大阪市中央体育馆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。夏季晚间空调停运后，组织夜间温度降低的空气进入室内冷却建筑结构，减少翌日启动负荷[2]。现在的自然通风设计已不是传统意义上的设计，而是借助于计算流体力学（CFD）软件和能耗分析软件等先进的设计工具，并有了自动控制系统等现代手段。

上海夏季湿热气候条件下，全年相对湿度都在70%左右，汗液不易挥发，容易感到闷热，组织良好的自然通风可以降低室内温度，带走热量达到人体舒适，从而减少空调使用，节约能源。

本工程主人口是建筑围护结构的重要开口，也是空气进入建筑物的重要通道。为了充分利用自然通风，科研楼主入口两侧墙体由原来的规则长方形变成逐渐内收，形似漏斗的入口空间成为一个良好的捕风口，前端大，增加了捕风面积，后端缩小，增强了风压。同时，由于上部体量及入口雨篷对阳光的遮挡，减弱了入口处太阳热辐射，在入口处形成了温度梯度，这又进一步增强了捕风效果。被入口空间吸入的空气，通过中庭的热压作用，气流得到加速，大大提高了建筑的自然通风效果。修改后的主入口视景和主入口捕风效应分析图分别见图2 和图3。

图2 主入口视景图

图3 主入口捕风效应分析图

建筑外窗可开启面积比为31.5%。在气候宜人的季节，新鲜空气从?开启的门窗进入，利用热压通风和风压通风机制形成自然通风。建筑的内部空间由一个贯穿各层的中庭组织起来，它是自然通风系统的核心。中庭采用上小下大的剖面形式，增强自然通风的能力。中庭顶部设置有电动可开启天窗，利用太阳能将空气加热强化通风。这种以中庭为核心的空间结构使建筑在春秋两季实现大换气量的自然通风，保证室内较为舒适的环境，缩短全年空调系统的运行时间，大大节省能耗。修改前后三层平面图和风速分布图如图4、5 所示。

图4 三层平面图

图5 春夏季节三层风速分布图

3 空调冷热源设计

本工程冷负荷计算采用HDY-SMAD 暖通空调负荷计算及分析软件，计算结果：夏季最大总冷负荷（含新风/全热）为 228.42 kW。冬季最大总热负荷（含新风/全热）为 190.04 kW。

在满足使用功能的前提下，构造空调系统方案 1和方案 2。计算并比较两方案的全年一次能源消耗E全年，水泵输送能效比由公式 ER=0.002342H/(△t·η)计算（ER 为输送能效比，H为水泵扬程，△t为供回水温差，η为水泵在设计工况点的效率），标准煤热值为29307.6 kJ/kg，电标准煤折算系数为0.347 kg/(kW·h)。

3.1 方案1

1）系统形式：

①区域锅炉房供热+电制冷+两管制风机盘管FCU+新风系统。

②空调水循环泵冷热共用。

2）系统设计参数

①空调水系统，供热 60℃/50 ℃、供冷 7 ℃/12 ℃（△t=5 ℃)。

②循环泵扬程H=27 m、效率η=70%，冷却水泵扬程H=30 m、效率η=70%。

③区域锅炉房供热季平均热效率为65%，冷水机组IPLV=5.0。

④风侧综合能效Ws=1/30。

3）系统调节方式

循环泵定速运行、台数调节，FCU 三挡风速调节，空调末端设水侧电动两通调节阀。

4）全年一次能源消耗E全年计算

①据 ER 计算公式，得出空调水系统循环泵的ER供热=0.009，ER供冷=0.018，冷却水泵的 ER冷却=0.020。

②折算为标准煤的年供热一次能源消耗E供热=Q热[860÷(0.65×7000)+0.347×(ER供热+Ws)]=38.7 kg/(m2·a)。

③折算为标准煤的年供冷一次能源消耗E供冷=Q冷[1/IPLV+ER供冷+ER冷却(1+1/IPLV)+Ws]×0 .347=21.8 kg/(m2·a)。

④折算为标准煤的全年一次能源消耗E全年=E供热+E供冷=38.7 kg/(m2·a)+21.8 kg/(m2·a)=60.5 kg/(m2·a)。

3.2 方案2

1）系统形式

①埋管地源热泵供热、制冷+两管制FCU+新风系统。

②空调水循环泵冷热合用。

2）系统设计参数

①空调水系统，供热 45 ℃/40 ℃，供冷 12 ℃/7 ℃；地源侧，取热10 ℃/5 ℃，放热25 ℃/30 ℃。

②空调循环泵扬程 25 m、效率 75%，地源侧循环泵设计扬程32 m、效率75%。

③热泵机组制冷IPLV=5.0，供热COP=4.5。

④风侧综合能效30(Ws=1/30)。

3）系统调节方式

循环泵变频调速运行、台数调节，FCU 三挡风速调节，空调末端设水侧电动两通调节阀。

4）全年一次能源消耗E全年计算

①据 ER 计算公式，得出空调水系统循环泵的ER供热=0.0156，ER供冷=0.0156，冷却水泵的 ER取热=0.020，ER放热=0.020。

②折算为标准煤的年供热一次能源消耗E供热=Q热{1/COP+[ER取热（1-1/COP）+ER供热](1-α)+Ws) }×0.347=17.92 kg/(m2·a)。(计算中取水泵变频调速相对于定速运行的平均节能系数α=0.3，下同。)

③折算为标准煤的年供冷一次能源消耗E供冷=Q冷{1/IPLV+[ER供冷+ER放热（1+1/IPLV）]（1-α)+Ws} ×0.347=20.69 kg/(m2·a)。

④折算为标准煤的全年一次能源的消耗为E全年=E供热+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 节能36.18%。显著节能效果的取得在于采用了地源热泵作为冷热源。地源热泵利用外界环境中的余热，从而实现热量的再循环利用，实现了建筑与自然的共生，同时可以带来舒适的生活环境，是一种绿色建筑技术，全面符合绿色建筑的设计理念。目前，利用土地作热泵热源和热汇的方式在国外绿色建筑的暖通空调设计中也十分普遍。随着地下水的处理，防腐材料的选用以及建筑基础时管道和桩基的预埋等问题的解决，地源热泵、水源热泵等技术得到了广泛地应用，每年地源热泵的应用量都在快速上升[3]。

4 自动控制

绿色建筑自然应该是智能建筑。绿色建筑的 BA系统重点在能源管理和环境管理，而且应该是综合控制。例如，将照明控制、空调控制、甚至窗帘开闭控制结合到一起，实现节能和室内环境品质的最佳状态。

因为暖通空调的运行参数是随着全年气候的变化而变化的，尤其是全年全过程中系统的运行方式，因此自动控制对于建筑暖通空调系统运行的节能，起着越来越大的作用。

本工程涉及到的自动控制系统主要如下：

1）空调末端设备回水管上装设由房间温度控制调节的动态流量电动调节阀或动态流量平衡电动二通阀，冷源侧和负荷侧之间的供/回水管上设旁通管，旁通管上设电动二通阀。空调水循环泵及冷、热水机组通过负荷侧的能量积算器控制开启的台数。

2）空气处理机组由房间温度通过控制模块进行自动调节。控制参数包括：送风温度，新风及回风比等。

3）风机盘管机组通过设在房间的温度控制器实现水量和风量的自动控制。

4）各环路、各办公室空调冷、热水系统设计按热量积算的空调计费系统。

5）根据要求本工程对重要的房间设计空气质量自动控制系统（CO 等浓度控制）。

6）所有空调系统的运行管理控制均由 BAS 系统来实现。

4.1 空气处理机组（AHU）监控功能

监控功能主要由以下几部分组成：

1）风机开关控制：①就地：现场人工开关控制。②远程：制冷站监控主机RCU（人工、时间表）开关控制。

2）回风温度 PID 控制：根据 PCU 上设定的温度值，调节电动水阀，保持回风温度恒定。

3）湿度PID 控制：根据 PCU 上设定的湿度值，开关加湿器，保持回风湿度恒定。

4）设备运行状态监视：通过空气压差开关监视送风机运行状态，向 RCU 发出（同时 PCU 显示）送风机运行信号。通过空气压差开关监视过滤网堵塞情况，出现报警时向RCU 发出（同时 PCU 显示）过滤网清洗、更换信号。

5）设备连锁控制：新风阀，电动水阀与送风机状态连锁。

4.2 风机盘管（FCU）监控功能

监控功能主要由以下几部分组成：

1）室内温度控制：根据温控器设定温度和感测实际温度，开关电动二通阀，使室内温度保持恒定。

2）风机三速控制：人工调节温控器上风机三速开关（高、中、低 ），选择合适的风机转速。

3）冷暖模式及开关控制：人工调节温控器上（冷、暖、关 ）三档开关，选择合适的运行模式。

4）室内温度显示：温控器上液晶显示屏显示当前室内。

4.3 新风处理机组（FAU）监控功能

监控功能主要由以下几部分组成：

1）风机开关控制：①就地：现场人工开关控制；②远程：制冷站监控主机 RCU 上（人工、时间表）开关的控制。

2）回风温度PID 控制：根据 PCU 上设定的温度值，调节电动水阀，保持回风温度恒定。

3）湿度PID 控制：根据 PCU 上设定的湿度值，开关加湿器，保持回风湿度恒定。

4）设备运行状态监视：通过空气压差开关监视送风机运行状态，向 RCU 发出（同时 PCU 显示）送风机运行信号。通过空气压差开关监视过滤网堵塞情况，出现报警时向RCU 发出（同时 PCU 显示）过滤网清洗、更换信号。

5）设备连锁控制：新风阀、电动水阀与送风机状态连锁。

5 结语

绿色建筑在我国是一个全新的命题，暖通设计师要主动从这个角度出发，在节能环保的同时创建健康舒适的室内环境。