王文靜

奧雅納工程咨詢（上海）有限公司

隨著人們對舒適性空調需求的增加，建筑空調能耗的用量大幅度增加，為提高能源的利用率，在負荷集中的地方有較多在建的能源中心?；谏虾Ｄ成虡I(yè)項目的地理位置及用能條件，需按限定要求就近利用能源中心供能，并對自建及備用冷熱源有一定的限制條件。在建能源站預計供能運行工況為兩管制供能，每年進行兩次冷熱切換。由于商業(yè)項目在非供冷季節(jié)（包括供熱季、切換期）往往存在內區(qū)供冷的需求，為保證在此期間內商業(yè)的基本舒適性要求，對非供冷季節(jié)室內熱舒適狀況進行分析，并提出解決方案。

1 研究背景

1.1 建筑概況及基本信息

該項目位于上海的某區(qū)域的核心地帶，是商墅形式的商業(yè)建筑，總建筑面積50,367 m2，地上五層，地上部分建筑面積為28,693.1 m2。地下2 層，建筑面積為21,674 m2，地下一層為商業(yè)及后勤、設備用房，地下二層為車庫及設備用房。計劃采用區(qū)域能源中心集中供能，能源中心兩管制，運行的工況及供能時間具體如表1 所示：

表1 能源站運行工況

1.2 空調冷熱負荷及熱舒適

表2 負荷計算參數(shù)條件

表3 商業(yè)區(qū)逐月空調冷負荷

圖1 建筑模擬所搭建的三維圖

2 非供冷季的免費冷源的選擇及分析

2.1 免費冷源的選取

在能源中心非供冷季節(jié)，根據(jù)項目對自建冷熱源的限制，優(yōu)先考慮不增加額外冷源的方案，因此可考慮免費供冷的方式來獲得冷源：

1）設置冷卻塔在冬季實施免費供冷，其優(yōu)點是初投資較低，對建筑內部布局影響小。缺點是供冷效果受外界氣候條件影響，通常要在室外空氣濕球溫度降至5 ℃以下[1]，才能充分發(fā)揮其使用效果。以上海的氣象參數(shù)看，只能在12 月～2 月間適合的氣候下使用，此外在這個時間段內運行時，容易在冷卻塔排風處形成白霧，對建筑美觀性和環(huán)境造成不良影響。根據(jù)本項目建筑造型情況，本方案不適用。

2）利用室外低溫新風來抵消室內冷負荷，其優(yōu)點是直接將冷風送入空調區(qū)，沒有中間過程，節(jié)能效果明顯，初投資少，實施簡單。缺點是需要增大外墻新風百葉和室內風管井面積，對建筑立面和室內使用面積有一定影響，所以需要在加大新風量與建筑布局限制之間權衡比較。此外，還需要考慮下述問題：①較低的室外新風直接引入室內，如果溫度太低，舒適感較差，且容易引起結露問題。②新風溫度較低的情況下，難以滿足室內濕度的需求。③新風溫度隨室外條件變化，如新風溫度過高，則不足負擔室內冷負荷。

因此，需要結合上述問題，研究在保證舒適性的情況下新風量的選取和計算。

2.2 非供冷期室內舒適區(qū)

關于熱舒適的探討主要基于Fanger 的PMV-PPD模型，依據(jù)為《ASHRAE Standard 55 (2007),Thermal Environmental Conditions for Human Occupancy》和《GB 50736-2012 民用建筑供暖通風與空氣調節(jié)設計規(guī)范》。PMV 是預計平均熱感覺指標，PPD 是預計不滿意率。GB 50736-2012 標準將熱舒適等級劃分為兩級，I 級 為-0.5 ≤PMV ≤0.5、PPD ≤10%。II 級 為-1 ≤PMV＜-0.5 或0.5＜PMV≤1、PPD≤20%。本章節(jié)的討論，也是基于熱舒適等級I 級計算展開的。

表4 非供冷期各業(yè)態(tài)的舒適區(qū)間

根據(jù)能源中心的運行時間，非供冷期主要是冬季和過渡季節(jié)，經計算在此期間圍護結構熱負荷≤20 W/m2，而室內燈光，設備及人員的內冷負荷為40～95 W/m2，即散熱量小于發(fā)熱量，所以在此期間主要考慮的是室內余熱的消除問題。考慮到冬季內外分區(qū)，外區(qū)供熱需達到20 ℃，內區(qū)需消除余熱。為了減少新風承擔的內熱負荷和新風量，考率在保證熱舒適的條件下，適當提高內區(qū)的溫度。在保證室內人員I 級舒適度的前提下，即控制-0.5≤PMV≤0.5,PPD≤10%時，反推內區(qū)可以接受的最高溫度。由表4 可知，商鋪和餐飲的內區(qū)不必與外區(qū)保持同樣的設計溫度，可以適當提高室內溫度及室內外焓差?；诒? 的推算參數(shù)，進行新風供冷量及新風量的計算。

2.3 新風供冷的基本原理和供冷量計算

當室外新風焓值低于室內設計工況的焓值時，可利用新風與室內空氣狀態(tài)點的差值，提供冷量。工程中也有只考慮室內的顯熱冷負荷，當室外新風溫度低于室內溫度即可利用室外溫度供冷[2]。本文采用焓差進行新風供冷計算。

為方便討論，將新風折算到單位面積的新風量。在非供冷期間，圍護結構負荷較小，因此僅考慮采用新風處理建筑內區(qū)的內熱負荷。新風可消除的余熱量計算方法如下：

“海豚運動”，顧名思義，大致就是指像海豚那樣一上一下、左右搖擺的游泳方式。專業(yè)解釋則是指艦艇在靜水中航行時，隨著速度的增加，自身可能出現(xiàn)的一種周期性的、有界的、垂直平面內的運動，是一種垂蕩和縱搖的耦合運動。即便是輕微的“海豚運動”，都有可能造成災難性的后果。

式中：Q1為圍護結構負荷，W/m2；Q2為內熱，包括燈光、設備、人員，W/m2；Q3為新風可抵消的室內余熱，W/m2；V1為單位面積的設計新風量，m3/(m2·h)；P 為人員密度，m2/p；V2為設計新風量，m3/(p·h)；ΔH 為非供冷季節(jié)室內外空氣焓差，kJ/kg；R 為新風抵消圍護結構負荷后可滿足面積的比例。

R 值越大，表示新風冷量可以滿足的面積越大。因商業(yè)全年運行，因此商業(yè)應滿足R 值大于100%。

2.4 冬季熱舒適狀況分析

根據(jù)《上海市公共建筑節(jié)能設計標準》4.3.4 要求：除塔樓外，全空氣系統(tǒng)的最大總新風比應不低于50%。服務于人員密集的大空間和全年具有供冷需求的區(qū)域的全空氣定風量或變風量空調系統(tǒng)，可達到的最大新風比宜不低于70%。

本方案中不考慮采用PAU 作為加大新風量的一部分，是因為不同商戶共用一臺PAU，加大新風量供應無法滿足不同商戶的內熱變化率。此外，由于一臺PAU 同時服務內外區(qū)，直接將低溫新風送入內外區(qū)難以同時滿足負荷需求。因此，在考慮加大新風量的時候，就不將大系統(tǒng)新風加入分析計算中。

綜合以上考慮，取加大新風量為設計新風量的5～7 倍。冬季外區(qū)需要供熱，因此采用新風量降溫時主要考慮的是消除內區(qū)余熱。表4 的內區(qū)設計參數(shù)，商鋪和餐飲的室內設計焓值分別為40.9 kJ/kg 和43 kJ/kg。根據(jù)上海典型年氣象參數(shù)，為保證在空調運行期間當室內保證小時率不低于90%時，室外焓值要求小于36.6 kJ/kg，此時所需的新風量可由Q=ΔH·m計算得到，如表5。

表5 單位面積業(yè)態(tài)下的計算結果

2.5 切換期熱舒適狀況分析

室外氣象文件采用TMY（典型氣象年）文件，其月平均干球溫度最接近該時間段內當月平均干球溫度，因此對上海的長期氣候特征具有一定的代表性。根據(jù)表5 內的計算冬季所需的新風量，核算該加大風量是否能滿足過渡季節(jié)商鋪及餐飲所需的風量，故商鋪取6.4 倍設計新風量、餐飲取3.7 倍。由式（1）～（3）可得圖2、圖3：

圖2 冷熱源切換期新風可滿足商鋪制冷要求的面積比例

由圖2～3 可知，11 月商鋪和餐飲可以保證用戶的舒適性要求。但在4 月26 日-4 月30 日期間，切換期室外新風的焓值接近甚至大于室內焓值，則新風無法起到降溫的作用，無法滿足舒適度的需求室外焓值較高。因為商鋪及餐飲無其它冷源，因此可考慮采取以下策略：提前切換期，在室內外焓差較大、室外新風可抵消室內預熱的時間進行切換。根據(jù)圖2～3 可知，11月份的免費新風量遠大于實際所需的供冷量。根據(jù)表5 的計算方法，反算11 月商鋪和餐飲于切換期所需的新風量分別為18.75 m3/(m2·h)、24 m3/(m2·h)，即新風量的放大倍數(shù)分別為2.5 倍、2 倍。

圖3 冷熱源切換期新風可滿足餐飲制冷要求的面積比例

圖4 4 月15 日～4 月30 日使用新風可以滿足制冷要求的面積比例

從圖4 可知，若將切換日期提前到21～25 日，則大部分時間內新風均可抵消室內余熱，保證用戶的基本舒適性要求。因此建議適當提前冷熱源切換時間，這也是和天氣狀況吻合的。

本次分析所選氣象參數(shù)是典型年氣象數(shù)據(jù)，建議能源中心根據(jù)當年氣象情況調整切換期時間。

3 結論

1）在4 月份的冷熱源切換期，由于室外新風的焓值接近甚至大于室內焓值，采用加大新風量的方法難以達到理想的制冷效果。因此建議4 月份冷熱源切換時間提前到25 日前，并根據(jù)當年氣象情況調整切換期時間。

2）在11 月份的冷熱源切換期，辦公區(qū)域按設計新風量4 m3/(m2·h)，商鋪和餐飲新風量分別為18.75 m3/(m2·h)、24 m3/(m2·h)，可以保證用戶基本舒適性要求。

3）為保證商鋪和餐飲在切換期和非供冷季節(jié)進/排風所需的新風量，建議商鋪百葉（風井）面積為0.026 m2/m2（0.004 m2/m2），餐飲百葉（風井）面積為0.024 m2/m2（0.004 m2/m2）。

4）新風免費供冷于商業(yè)項目中的應用，對于建筑為商墅形式的布局特別適用。特別在目前疫情爆發(fā)及未來常態(tài)化的格局下，商業(yè)內加大新風量的系統(tǒng)考慮可能會成為未來的主要發(fā)展方向。