作者 徐鵬 撒世忠 王紅星 徐紅衛(wèi) 曹娥 曾召娟

引言

近年來(lái)，建筑節(jié)能和綠色建筑逐漸成為建筑設(shè)計(jì)工作的兩大重點(diǎn)內(nèi)容。國(guó)標(biāo)公共建筑節(jié)能水平的要求不斷提高，《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB50189-2015從2005版的50%節(jié)能要求提升到了65%，2022年實(shí)施的《建筑節(jié)能與可再生能源利用通用規(guī)范》GB55015-2021進(jìn)一步提到了72%要求。新風(fēng)供冷技術(shù)在公共建筑的暖通空調(diào)節(jié)能技術(shù)中具有重要意義，即利用室外低溫、低焓的空氣供冷，全部或部分替代人工冷源，將舒適和節(jié)能這兩大永恒主題深度融合，尤其是在雙碳背景下影響深遠(yuǎn)。

新風(fēng)供冷能滿足室內(nèi)溫濕度參數(shù)，又能提供室內(nèi)優(yōu)質(zhì)的空氣品質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能和環(huán)保的高度統(tǒng)一。近年來(lái)很多類型的公共建筑項(xiàng)目都采用了新風(fēng)供冷技術(shù)，新風(fēng)供冷的相關(guān)研究成績(jī)斐然。

許錦峰[1]指出建筑行業(yè)碳減排是江蘇省率先實(shí)現(xiàn)“3060”雙碳目標(biāo)的先決條件和重要組成，其中江蘇省綠色建筑關(guān)鍵技術(shù)策略中明確提出了充分利用自然通風(fēng)，采用新風(fēng)系統(tǒng)技術(shù)，最大化地營(yíng)造室內(nèi)自然通風(fēng)改善室內(nèi)品質(zhì)等。

葉大法列出了變新風(fēng)供冷在公共建筑空調(diào)系統(tǒng)的綠色節(jié)能設(shè)計(jì)中的各項(xiàng)要點(diǎn)，明確提出了誤差范圍小，工程可實(shí)施性強(qiáng)的固定溫度法代替焓值法原則[2]。

董濤等以南京某劇場(chǎng)為例，經(jīng)理論性計(jì)算后得出全年新風(fēng)供冷占全年總運(yùn)營(yíng)時(shí)間的68%，全年新風(fēng)供冷節(jié)能率達(dá)到21%，節(jié)能效果顯著[3]。

文獻(xiàn)四《某大型購(gòu)物中心暖通空調(diào)設(shè)計(jì)探討》[4]中指出對(duì)項(xiàng)目室內(nèi)所有可能的區(qū)域?qū)嵤┟赓M(fèi)供冷，優(yōu)先實(shí)施新風(fēng)免費(fèi)供冷，若新風(fēng)量偏小，則采用新風(fēng)和冷卻塔聯(lián)合免費(fèi)供冷的方式。

丁勇等在對(duì)重慶地區(qū)過(guò)渡季，實(shí)際建筑空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)研的基礎(chǔ)上，定量分析發(fā)現(xiàn)公共建筑采用全新風(fēng)運(yùn)行的機(jī)械通風(fēng)模式，充分利用室外的低溫空氣營(yíng)造舒適的室內(nèi)熱環(huán)境，設(shè)備功耗僅為機(jī)械供冷模式的15％左右[5]。

高校體育館屬于高大空間、新風(fēng)量大、空調(diào)能耗大的多功能綜合性公共建筑，一般以日常體育教學(xué)和體育項(xiàng)目訓(xùn)練為主，兼顧體育比賽、文藝演出、會(huì)議報(bào)告、集會(huì)展覽等活動(dòng)。體育館在冬季仍有部分冷負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)新風(fēng)供冷、減少人工制冷是過(guò)渡季和冬季節(jié)能的重要手段。本文以無(wú)錫某高校體育館工程暖通空調(diào)設(shè)計(jì)為例，針對(duì)該項(xiàng)目的籃球館、羽毛球場(chǎng)和健美操室這三個(gè)典型又各有特點(diǎn)的空間，展開(kāi)新風(fēng)供冷的運(yùn)行計(jì)算分析。

#1項(xiàng)目介紹

1.1 工程概況

該高校體育館位于江蘇省江陰市，夏熱冬冷地區(qū)，屬于小型乙級(jí)體育建筑。體育館建筑面積10933平方米，高度22.06m，地上2層、局部3層，為鋼筋混凝土框架、大跨度空間桁架鋼屋蓋結(jié)構(gòu)。其一層平面布置為籃球館、健美操室及配套用房等；二層和三層為挑空籃球館觀眾廳、羽毛球場(chǎng)及設(shè)備用房等。其中籃球館為雙面看臺(tái)設(shè)計(jì)，觀眾席共計(jì)2000席，日常運(yùn)行時(shí)按照50%上座率考慮。其效果圖如圖一所示。

圖1 體育館效果圖

1.2 空調(diào)系統(tǒng)

本工程所在地區(qū)電力條件充足，高校寒暑假恰好規(guī)避空氣源熱泵機(jī)組在夏熱冬冷地區(qū)運(yùn)行效率最低的氣象時(shí)段，故空調(diào)冷熱源選用模塊式渦旋式空氣源熱泵冷熱水機(jī)組，夏季提供7℃/12℃的冷水，冬季提供45℃/40℃的熱水。冷熱源機(jī)組設(shè)置在三層局部屋面，變頻運(yùn)行和可聯(lián)控啟停。

籃球館及其相關(guān)輔助房間的空調(diào)負(fù)荷匹配2臺(tái)機(jī)組，羽毛球場(chǎng)及二層輔助房間匹配1臺(tái)，一層健美操室等輔助房間分兩側(cè)各自匹配1臺(tái)，共計(jì)5臺(tái)。

本工程采用一級(jí)泵、雙管制閉式變頻變流量空調(diào)水系統(tǒng)，在水泵臺(tái)數(shù)控制的基礎(chǔ)上，通過(guò)流量調(diào)節(jié)，進(jìn)一步節(jié)省水泵電耗。

籃球館和羽毛球場(chǎng)等大空間場(chǎng)所采用全空氣定風(fēng)量系統(tǒng)，氣流組織為上部噴射滲透式柔性風(fēng)管送風(fēng)、側(cè)墻下部回風(fēng)；健美操室等小空間輔助房間采用風(fēng)機(jī)盤(pán)管加新風(fēng)系統(tǒng)，氣流組織為上送上回，新風(fēng)由獨(dú)立的新風(fēng)機(jī)組集中處理后送至各房間。圖二為羽毛球場(chǎng)和籃球館空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)平面圖。

圖2 空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)平面圖（左側(cè)為羽毛球場(chǎng)、右側(cè)為籃球館）

1.3 室內(nèi)外計(jì)算參數(shù)的確定

在空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行的全過(guò)程中，室外參數(shù)總是不斷變化，即使是炎熱夏季，也會(huì)有早晚溫度適宜的天氣過(guò)程。室外氣象參數(shù)是影響空調(diào)運(yùn)行的先決因素。

文獻(xiàn)六《超低能耗高校行政樓暖通空調(diào)設(shè)計(jì)探討》[6]中詳細(xì)分析了以2021年為代表的江陰地區(qū)氣候環(huán)境特征，江陰地區(qū)建筑物對(duì)冬季供暖、夏季制冷都有一定的要求；而且在過(guò)渡季節(jié)的室外溫濕度適宜時(shí)，可優(yōu)先采用室外新風(fēng)免費(fèi)供冷，降低建筑的空調(diào)能耗。

本工程采用北京綠建軟件股份有限公司的暖通負(fù)荷BECH軟件計(jì)算，其室外氣象文件采用的是對(duì)無(wú)錫地區(qū)長(zhǎng)期氣候特征具有一定的代表性的、《建筑節(jié)能氣象參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[7]中的江蘇-常州地區(qū)（東經(jīng)：119.98，北緯：31.88）的TMY（典型氣象年）參數(shù)，無(wú)錫地區(qū)室外氣象環(huán)境特征如圖3所示。

圖3 無(wú)錫地區(qū)TMY（典型氣象年）參數(shù)

如何合理的定義一個(gè)處于人體熱舒適區(qū)的室內(nèi)空氣狀態(tài)點(diǎn)，是計(jì)算空調(diào)運(yùn)行能耗的關(guān)鍵因素。目前，得到國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO承認(rèn)的PMV-PPD預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)指標(biāo)應(yīng)用最為廣泛，即將溫度、平均輻射溫度、風(fēng)速、濕度、活動(dòng)量和衣著量等變量帶入公式中，迭代計(jì)算。依據(jù)我國(guó)《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50736-2012中的熱舒適I級(jí)指標(biāo)：PMV在-0.5~+0.5之間，PPD≤10%，計(jì)算得出表一的過(guò)渡季（非供暖空調(diào)期）的舒適狀態(tài)參數(shù)。

經(jīng)驗(yàn)證，表一的參數(shù)同樣滿足更適合自然通風(fēng)建筑的AMV熱舒適模型，即夏熱冬冷地區(qū)自然通風(fēng)類建筑夏季室內(nèi)舒適溫度范圍是24.8-28.3℃；冬季室內(nèi)舒適溫度范圍是17.5-23.0℃；全年的可接受的室內(nèi)溫度范圍是 15.35-27.13℃。

將無(wú)錫地區(qū)供冷期設(shè)定為6.1~10.31，共5個(gè)月；供暖期設(shè)定為12.1~3.31，共4個(gè)月；過(guò)渡季（非供暖空調(diào)期）時(shí)間段設(shè)定為11.1~11.30與4.1~5.31，共3個(gè)月。綜合分析，得到如表二所示的三個(gè)代表場(chǎng)所的全年室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)。

表1 過(guò)渡季（非供暖空調(diào)期）的舒適狀態(tài)參數(shù)

表2 室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)

#2新風(fēng)供冷

2.1 計(jì)算方法

新風(fēng)供冷基本原理為當(dāng)新風(fēng)比焓低于室內(nèi)空氣比焓時(shí)，利用新風(fēng)與室內(nèi)空氣狀態(tài)點(diǎn)的焓差向室內(nèi)提供免費(fèi)冷量，減少甚至避免冷水機(jī)組的開(kāi)啟，降低空調(diào)供冷所需的能耗。新風(fēng)供冷的全熱供冷量可由式（１）計(jì)算：

式中為新風(fēng)全熱供冷量，kW；為空氣密度，；為室內(nèi)空氣的比焓，；為室外空氣的比焓，；G為新風(fēng)量，。

其中，與的數(shù)值為按照全年無(wú)休、上午9點(diǎn)至晚上21點(diǎn)開(kāi)放，全年共計(jì)4745個(gè)小時(shí)的室外空氣焓值（TMY參數(shù)）與室內(nèi)狀態(tài)點(diǎn)焓值的比對(duì)，當(dāng)大于值時(shí)，新風(fēng)向室內(nèi)提供冷量，計(jì)入新風(fēng)供冷時(shí)間；選取新風(fēng)量G時(shí)，將全空氣系統(tǒng)的籃球館、羽毛球館的新風(fēng)量設(shè)計(jì)為5個(gè)檔位，即最小新風(fēng)量檔、新風(fēng)比25%檔、新風(fēng)比50%檔、新風(fēng)比75%檔、全新風(fēng)新風(fēng)比100%檔；將風(fēng)機(jī)盤(pán)管加新風(fēng)的健美操室設(shè)計(jì)為只有1個(gè)檔位，即恒定新風(fēng)量1500 檔；如下表三所示。

表3 不同新風(fēng)檔位對(duì)應(yīng)的新風(fēng)量

利用北京綠建軟件股份有限公司的暖通負(fù)荷軟件進(jìn)行全年能耗計(jì)算，得出籃球館、羽毛球場(chǎng)和健美操室的全年逐時(shí)負(fù)荷峰值及全年耗冷量，其中，全年逐時(shí)負(fù)荷峰值如圖四所示，全年耗冷量在下文不同場(chǎng)所的新風(fēng)供冷計(jì)算結(jié)果部分。

（a）籃球館

（c）健美操室

（b）羽毛球場(chǎng)

圖4 全年逐時(shí)負(fù)荷峰值

將室內(nèi)逐時(shí)空調(diào)冷負(fù)荷與不同檔位下的新風(fēng)供冷量進(jìn)行逐一比對(duì)，判別選定保證室內(nèi)冷負(fù)荷的合理的新風(fēng)量檔位，并計(jì)算出相應(yīng)的新風(fēng)供冷量，計(jì)算流程圖如下圖五所示。其中，τ為全年4745h的第i個(gè)時(shí)刻，h為比焓，下標(biāo)Ｗ為室外狀態(tài)點(diǎn)，Ｎ為室內(nèi)狀態(tài)點(diǎn)，X為新風(fēng)檔位。

圖5 新風(fēng)供冷量逐時(shí)計(jì)算流程圖

2.2 籃球館新風(fēng)供冷計(jì)算結(jié)果

籃球館具有高大空間、人員燈光密集、新風(fēng)量大、潛熱負(fù)荷大等特點(diǎn)，除一月份外全年均存在顯著冷負(fù)荷。經(jīng)過(guò)籃球館的全年新風(fēng)供冷計(jì)算，得出如圖六所示的全年最優(yōu)新風(fēng)檔位運(yùn)行圖；圖七為區(qū)別出小于值時(shí)，無(wú)法進(jìn)行新風(fēng)供冷而采用最小新風(fēng)比，記做-1檔時(shí)的運(yùn)行圖；圖八為不同新風(fēng)檔位時(shí)間比例圖；圖九為全年逐時(shí)新風(fēng)供冷量與耗冷量圖。

圖6 籃球館全年最優(yōu)新風(fēng)檔位運(yùn)行圖

圖7 籃球館全年最優(yōu)新風(fēng)檔位運(yùn)行圖（區(qū)別無(wú)新風(fēng)供冷時(shí)間）

圖8 不同新風(fēng)檔位時(shí)間比例圖

圖9 籃球館全年逐時(shí)新風(fēng)供冷量與耗冷量

通過(guò)圖表分析籃球場(chǎng)發(fā)現(xiàn)，無(wú)法新風(fēng)供冷的時(shí)間占42%，主要集中在7月和8月以及5月份的部分時(shí)間；全年可采用新風(fēng)供冷運(yùn)行時(shí)間的58%，共計(jì)2752h；可采用新風(fēng)供冷的時(shí)段中，籃球館采用新風(fēng)供冷時(shí)對(duì)應(yīng)的1檔運(yùn)行時(shí)間最長(zhǎng)，占比85%；全新風(fēng)5檔運(yùn)行時(shí)間占比6%，主要集中在6月上旬和9月；其他4檔、3檔和2檔的運(yùn)行時(shí)間相對(duì)短暫和分散；在1~3月和10月份期間，新風(fēng)供冷量較大。經(jīng)計(jì)算，籃球館全年新風(fēng)供冷量436143kWh，全年耗冷量825507kWh，全年新風(fēng)供冷比例為52.8%。

2.3 羽毛球場(chǎng)新風(fēng)供冷計(jì)算結(jié)果

羽毛球場(chǎng)具有高大空間、桁架屋面、氣流組織要求嚴(yán)格等特點(diǎn)，全年均存在顯著冷負(fù)荷。經(jīng)過(guò)羽毛球場(chǎng)的全年新風(fēng)供冷計(jì)算，得出如圖10所示的全年最優(yōu)新風(fēng)檔位運(yùn)行圖；圖11為區(qū)別出ｈN小于ｈw值時(shí)，無(wú)法新風(fēng)供冷而采用最小新風(fēng)比，記做-1檔時(shí)的運(yùn)行圖；圖12為不同新風(fēng)檔位時(shí)間比例圖；圖13為全年逐時(shí)新風(fēng)供冷量與耗冷量圖。

圖10 羽毛球場(chǎng)全年最優(yōu)新風(fēng)檔位運(yùn)行圖

圖11 羽毛球場(chǎng)全年最優(yōu)新風(fēng)檔位運(yùn)行圖（區(qū)別無(wú)新風(fēng)供冷時(shí)間）

圖12 不同新風(fēng)檔位時(shí)間比例圖

圖13 羽毛球場(chǎng)全年逐時(shí)新風(fēng)供冷量與耗冷量

從上圖中發(fā)現(xiàn)，羽毛球場(chǎng)最小新風(fēng)比對(duì)應(yīng)的1檔運(yùn)行時(shí)間最長(zhǎng)，占比84%，其中無(wú)法新風(fēng)供冷的時(shí)間占43%，即全年運(yùn)行時(shí)間的57%、共計(jì)2704h都可以采用新風(fēng)供冷；無(wú)法新風(fēng)供冷時(shí)間主要集中在7月和8月以及5月份的部分時(shí)間；全新風(fēng)5檔運(yùn)行時(shí)間占比7%，主要集中在9~12月；其他4檔、3檔和2檔的運(yùn)行時(shí)間相對(duì)短暫和分散；在1~3月和10月份期間，新風(fēng)供冷量較大；經(jīng)計(jì)算，羽毛球場(chǎng)全年新風(fēng)供冷量91577kWh，全年耗冷量214405kWh，全年新風(fēng)供冷比例為69.7%。

2.4 健美操室新風(fēng)供冷計(jì)算結(jié)果

健美操室為風(fēng)機(jī)盤(pán)管加新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的典型公共場(chǎng)所，除1月、3月外全年均存在冷負(fù)荷需求。經(jīng)過(guò)健美操室的全年新風(fēng)供冷計(jì)算，得出如圖14所示的區(qū)別無(wú)法新風(fēng)供冷時(shí)間、記做-1檔的新風(fēng)運(yùn)行圖；圖15為全年逐時(shí)新風(fēng)供冷量與耗冷量圖。

圖14 健美操室全年新風(fēng)運(yùn)行圖（區(qū)別無(wú)新風(fēng)供冷時(shí)間）

圖15 健美操室全年逐時(shí)新風(fēng)供冷量與耗冷量

從上圖中發(fā)現(xiàn)，健美操室全年按一個(gè)檔位、固定新風(fēng)量運(yùn)行，無(wú)法新風(fēng)供冷（-1檔）的時(shí)間占49%，全年運(yùn)行時(shí)間的51%為可新風(fēng)供冷的1檔運(yùn)行；無(wú)法新風(fēng)供冷時(shí)間主要集中在7~9月；在1~3月和12月份期間，新風(fēng)供冷量較大；經(jīng)計(jì)算，健美操室全年新風(fēng)供冷量15345kWh，全年耗冷量43815kWh，全年新風(fēng)供冷比例為35.0%.

#3新風(fēng)供冷實(shí)施措施

本工程籃球館、羽毛球場(chǎng)的新風(fēng)供冷節(jié)能量大，過(guò)渡季和冬季存在可利用時(shí)間，新風(fēng)供冷較長(zhǎng)，因此，暖通設(shè)計(jì)室需要認(rèn)真考慮新風(fēng)取風(fēng)口和新風(fēng)管所需的截面積，妥善安排好排風(fēng)出路，作好進(jìn)、排風(fēng)量平衡，確保室內(nèi)滿足正壓值?；@球館、羽毛球場(chǎng)的空調(diào)機(jī)房均靠建筑外墻設(shè)置，新風(fēng)取風(fēng)管路短，新風(fēng)管截面積均按照全新風(fēng)風(fēng)量選取。

新風(fēng)供冷技術(shù)中最節(jié)能的是自然通風(fēng)，當(dāng)室外溫度合適、空氣品質(zhì)良好時(shí)應(yīng)優(yōu)先采用自然通風(fēng)方式，這樣可以減少新風(fēng)供冷中送風(fēng)機(jī)和排風(fēng)機(jī)的能耗，達(dá)到進(jìn)一步節(jié)能的目的?；@球館、羽毛球場(chǎng)均在外墻設(shè)置自動(dòng)可開(kāi)啟外窗，其中，籃球館采用可開(kāi)啟角度大于70°的上懸窗，兩個(gè)防煙分區(qū)排煙窗有效開(kāi)啟面積分別為70.21m2和74m2，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足《建筑防煙排煙系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》GB 51251-2017中37.76m2的要求；羽毛球場(chǎng)為一個(gè)防煙分區(qū)，設(shè)置可開(kāi)啟角度大于70°的自動(dòng)上懸窗，排煙窗有效開(kāi)啟面積49.17m2，滿足《建筑防煙排煙系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》GB 51251-2017要求的37.76m2；這些自動(dòng)排煙窗在平時(shí)完全能夠滿足自然通風(fēng)的面積需求，保證室內(nèi)舒適環(huán)境。

#4結(jié)語(yǔ)

本文以高校體育館建筑中的籃球館、羽毛球場(chǎng)和健美操室三個(gè)典型房間為例，合理定義保證室內(nèi)舒適性的狀態(tài)點(diǎn)參數(shù)，設(shè)定供冷、供暖和過(guò)渡期，全年4745h逐時(shí)比對(duì)TMY參數(shù)下的室外空氣焓值與室內(nèi)狀態(tài)點(diǎn)焓值，選出最合理的新風(fēng)檔位，計(jì)算出相應(yīng)的新風(fēng)供冷量。

經(jīng)過(guò)計(jì)算確定，籃球館和羽毛球場(chǎng)部分為全空氣系統(tǒng)、變新風(fēng)運(yùn)行，其最小新風(fēng)比對(duì)應(yīng)的1檔運(yùn)行時(shí)間最長(zhǎng)；全年共計(jì)大于2700h均可以采用新風(fēng)供冷，占運(yùn)行時(shí)間的57%左右；無(wú)法新風(fēng)供冷時(shí)間主要集中在7月和8月；籃球館和羽毛球場(chǎng)全年新風(fēng)供冷比例分別為52.8%和69.7%；健美操室雖采用風(fēng)機(jī)盤(pán)管加新風(fēng)系統(tǒng)的形式，全年新風(fēng)量固定不變，其全年仍然有大約50%時(shí)間可以實(shí)現(xiàn)新風(fēng)供冷，全年新風(fēng)供冷比例為35.0%。

“雙碳”背景下，大空間公建采用新風(fēng)供冷節(jié)能效果顯著，提高室內(nèi)空氣品質(zhì)，是值得大力提倡的、降低碳排放的中重要技術(shù)措施。

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作者介紹：徐鵬，男，1979年3月生，暖通高級(jí)工程師

撒世忠，男，1975-，土木工程工學(xué)學(xué)士，暖通工學(xué)碩士，高級(jí)工程師，注冊(cè)公用設(shè)備師（暖通空調(diào)）

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