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摘要 随着国民经济的发展,工业厂房建筑设计迅速增加。可以说工业建筑的节能前景非常广阔。同时工业建筑不同于一般民用建筑，其设计过程多受制于工艺专业的要求，因此也决定了工业建筑多样性的特点。在工业厂房空调系统的设计中应针对这种多样性考虑其节能方案。
关键词 工业厂房空调系统设计 节能
中图分类号：S611文献标识码： A
引言 随着国家工业化、城镇化、机械化及国际化程度的不断提高，室内环境温湿度要求和舒适性意识逐步增强，对暖通空调专业也提出了更高的要求。如何以最小的能源、资源代价，取得高效的暖通空调生产环境，是摆在每个设计人员面前的难题。
在暖通空调系统设计中，采取必要的节能措施降低其能耗和对环境的影响，是降低能耗和保护环境的重要举措。本文主要结合实际设计经验以及一些暖通空调界专家的试验分析数据，对工业建筑工程中的暖通空调系统节能设计进行了简单的分析。
一、室内设计参数的选择
在工程设计中，室内设计参数取值标准往往过高，其主要原因是有些设计人员的保守思想和业主的要求过高造成的。
室内计算温度的高低与能耗的多少有直接联系。在冬季供暖工况下，室内计算温度每降低1℃，能耗可减少5%～10%左右；在夏季供冷工况下，室内计算温度每升高1℃，能耗可减少8%～10%左右。因此，为了节省能源，应避免冬季采用过高的室内计算温度，夏季采用过低的室内计算温度。
工业类厂房的办公区应尽量按照《公共建筑节能设计标准》中的条款，车间区域或是仓库区域需和业主就生产产品类别、性质、温湿度要求及工艺排气等方面进行讨论后方可决定。很多新建厂房项目的業主对其使用空间的温湿度需求标准不了解，定的室内温湿度参数值比较保守，设计方可根据相关项目设计经验和现场意见反馈，提出合理化建议，尽量降低系统能耗。
二、冷热负荷的计算
冷热源负荷是空调与供暖工程设计中最重要的基础数据，是确定供暖与空调冷、热源容量，空气处理设备能力，输送管道尺寸，水泵大小的依据。目前，有些设计人员在施工图设计阶段，往往不加区别地将设计手册或技术措施中的单位建筑面积冷、热负荷指标直接用作确定施工图设计阶段空调与供暖冷、热负荷的依据，导致冷热源设备装机容量偏大、水泵配置偏大、末端设备偏大、管道尺寸偏大的现象。其结果是工程初投资偏高，运行费用和能耗偏大，造成了资源的浪费。
在方案设计和初步设计阶段，由于建筑设计还达不到有详细建筑构造和门窗尺寸的深度，所以只能凭经验数据进行估算。但是在工程实际中，各种项目的情况千差万别，所计算得出的负荷指标有较大的差异，数值分布比较离散，回归结果很难获得理想的相关系数。拿我们公司设计的这么多案子为例，即使生产同类型产品的厂房，其“指标”值也是不一样的。所以指标仅可作为初期设计的参考值。在施工图设计阶段，已具备了进行详细负荷计算的充分条件。这时，再按指标去确定负荷，显然是不恰当的。为此，《采暖通风与空气调节设计规范》和《公共建筑节能设计标准》，均明确规定必须进行热负荷和逐项逐时的冷负荷计算，并列为强制性条文。
当前，大部分省、市规定设计院在向施工图审查机构送审设计文件时必须同时提交通过正版软件计算的冷热负荷计算书，其目的就是让广大设计人员对冷热负荷的计算引起重视并落到实处，以提高计算速度和准确度，满足建筑节能的要求。
三、冷热源方案选择
对某既定的项目来讲，冷热源方案的选择是空调系统设计过程中的一个重要的决策环节。冷热源形式不同，初投资和能耗差别会很大，因此，如何根据实际条件正确选择冷热源，已成为设计工作者和用户经常碰到的一个问题，也是影响社会总能耗和工程投资的重要因素。现以苏州某项目为例，进行简单阐述和分析。
本项目位于苏州高新技术开发区，建筑面积107400平方米，空调及工艺冷/热量用量如下：
夏季空调耗冷量: 30000 kW(冷源7/12℃冷冻水), 冬季空调耗热量14000 kW(热源45/40℃热水)。
工艺冷量用量: 工艺冷却水系统（一）:27060 kW, 24/36.5℃工艺冷却水
工艺冷却水系统（二）: 1750 kW, 14/17℃工艺冷却水
工艺冷却水系统（三）:2790kW, 29/39℃工艺冷却水
工艺冷却水系统（四）: 3640 kW, 24/39℃工艺冷却水
本项目无市政热源，若采用冷水机组+燃气锅炉的形式，初投资及运行成本均很大。同时注意到本项目中工艺冷却水产生的废热量很大并且发热量较稳定。怎么能利用好这些能量？设计人员经研讨决定采用水-水热泵系统，将低品味工艺废热提升为高品位的空调用热能。采用水-水热泵系统需要很精确的冷热量用量分析和冷热源平衡。
经分析计算， 夏季，工艺冷却水系统（一）、（三）可共用一套冷冻水系统，工艺冷却水系统（二）和工艺冷却水系统（四）各自采用独立的冷冻水系统。
工艺冷却水系统（一）、（三）总废热量为29850kW，其中的11695kW可由闭式冷却塔承担，18155kW需由冷冻站承担。冷冻站设计采用1500RT离心式冷水机组2台，1200RT螺杆式水-水热泵机组4台,1台备用。夏季，冷冻机组均制取15/20℃冷冻水提供工艺冷却冷源，冬季冷水机组无须制冷，工艺冷却负荷一部分由闭式冷却塔承担，一部分由螺杆式水-水热泵机组承担用于制取45/40℃的空调用热水。工艺冷却水系统回水先经过闭式冷却塔降温后再通过板式换热器与冷冻水换热的方式，有效降低冷冻机组装机容量35%左右，大大节约了成本。
工艺冷却水系统（四）设计采用400RT风冷热泵机组3台,夏季制取15/20℃冷冻水提供工艺冷却冷源;冬季，工艺冷负荷由闭式冷却塔承担,风冷热泵机组运行制热工况，制取45/40℃的空调用热水，作为水-水热泵机组的备用热源。
因此，空调与供暖系统的冷、热源的选择应根据建筑规模、冷热量需求情况，结合当地能源结构及价格政策、环保规定并通过综合论证确定。因地制宜的系统才是合适的系统，才是高效节能的系统。
冷、热源的选择建议遵循以下原则：
(1)具有城市、区域供热或工厂余热时，宜将其作为供暖或空调的热源。
(2)具有热电厂的地区，宜推广利用电厂余热(蒸汽和热水)的供热、供冷技术，如选择溴化锂吸收式冷水机组作空调冷源。
(3)具有充足的天然气供应的地区，宜推广应用分布式热电冷联供和燃气空调技术，实现电力和天然气的削峰填谷，提高能源的综合利用率。
(4)执行峰谷电价，且峰谷电价差较大的地区(最小峰谷电价比不低于3：1)，同时空调负荷不均匀，并在用电高峰期使用为主的建筑工程，经技术经济比较合理时，均可采用蓄冰(热)系统，以便降低白天制冷能耗。即可以节省电费，又可以缓解白天用电高峰期市电总电量不够的问题。
(5)具有天然水资源或地热可供利用时，宜采用地(水)源热泵供冷、供热。
四、风系统的设计
空调系统新风量的大小不仅与能耗、初投资和运行费用密切相关，，设计人员进行工程设计时，应按照厂区正压要求和室内人员所需新风量严格计算新风量，数据不全时应积极与业主方讨论决定，不应根据经验盲目增加新风量。
在冬冷夏热地区，且厂房工作区域温湿度要求不是很高的情况下，空调系统应考虑可以100%利用新风，以便在过渡季节充分利用新风的冷却能力，推迟开启和提前停止冷水机组运行，降低运行能耗。
有效利用工艺热排。在工业厂房项目中，由于设备的工艺热排风风量巨大，例如太原某项目一条生产线的热排风量约为14760m3/h，一般热排气温度>40℃，如果将这部分热排风量直接排向大气，无疑是能源的浪费。笔者建议将排风除尘后经过可接风管式全热换热器，负责办公区的新风热负荷和辅房区域的供暖。
另外对于高大厂房，通常室内温湿度要求范围大约为地面以上2～3m。这时宜采用分层空调，其目的是分层面一下的的空气参数控制在使用要求以内，分层面以上的空间为非空调区。在非空调区设置通风系统，排除上部余热，降低上部空调温度和屋顶内表面温度，减少非空调区的对流热转移和辐射热量。在冬季采用分层送风时，由于热空气上浮的原理，上部空间的温度也会比较高，通常设置室内循环系统，将房间上部过热的空气通过风道送至房间下部。
五、水系统的设计
1.空调冷冻水系统
冷冻水系统应根据建筑物的具体情况，在满足舒适性要求的前提下，合理地设计符合侧空调水系统的制式，即可减少空调系统设备和管道的初投资，又能降低空调水系统的运行能耗。负荷侧空调水系统的制式，应按下列要求设计：
(1)不存在同时供冷和供热，只要求按季节进行供冷和供热转换的空调系统，应采用两管制水系统。
(2)當建筑物内有些空调区域需全年供冷，有些则按季节交替供应时，宜采用分区两管制水系统。
(3)对于全年运行中冷、热工况频繁转换或需要同时使用的空调系统，宜采用四管制水系统。
2.空调冷却水系统
(1)冷却塔应布置在环境清洁、气流通畅、通风良好、远离高温的地方，以确保其冷却效率。
(2)多台冷却塔并联使用时，冷却塔之间应设连通管或共用连通水槽，以避免各台冷却塔补水和溢水不均匀，造成浪费。连通管的管径宜比总回水管的管径大一号，且与各塔出水管的连接应为管顶平接。冷却塔的补水总进水管上应设置水表。
(3)冷却塔的总供、回水管之间，宜设旁通管并装电动二通调节阀或采用三通调节阀调节控制，保证冷却水混合温度满足冷水机组对冷却水低温保护的要求；并宜采用出水温度控制风机启停或变频调速控制，达到节能目的。
(4)冷却水应设置水质检测及报警装置，随时监测冷却水的水质，保持设备的有效热质交换。
六、水力平衡及保温
1.保温
(1)冷(热)水管道、空调系统风管及有关设备等，应采用高效保温材料如闭孔橡塑保温材料或带铝箔的离心玻璃棉管壳等进行保温，并应注意隔汽层的密封。冷水管道和空调风管不应采用开孔性材料保温。保温材料的厚度应按经济厚度方法计算，保冷材料的厚度还需要按防结露方法计算核算，对比后取其较大者。
(2)空调风系统设计中，不应采用土建风道作为空调系统的送回风道。不得已而使用土建风道时，必须采取严格的防漏风和保冷措施。
2.水力平衡装置的设置
在供暖与空调水系统中合理的设置水力平衡装置，是系统水力失调、较低系统能耗、创造舒适人工环境的全新解决方案和有效的技术措施。
设计人员应首先通过管路和系统设计来实现各环路的水力平衡，即“设计平衡”；当由于管径、流速等原因的确无法做到“设计平衡”时，应考虑采用静态(手动)水力平衡阀通过初调试来实现水力平衡的方式；当设计认为系统可能出现由于运行管理原因导致水量波动较大时，宜采用阀权度要求较高、阻力较大的动态流量平衡阀。
在组合式空调器、新风机组的供回水管路上宜设置动态平衡电动调节阀，该阀比采用普通的电动阀具有更好的调节性。
当系统采用很好的保温措施，管路水力平衡调整较好的系统；冷(热)量在输送途中损失就更少，水泵运行的阻力越少，其能效比就越高。
七、结语
工业厂房的供暖、通风与空气调节系统工程量大面广，其能耗在建筑总能耗中占有相当大的比例，对其设计应积极采用有关的节能措施，以达到合理有效地使用能源，促进能源、经济与环境的协调、可持续发展。
参考文献
[1] 陆耀庆 实用供热空调设计手册（第二版） 中国建筑工业出版社
[2]电子工业部第十设计研究院空气调节设计手册（第二版） 中国建筑工业出版社
[3] 周鸿昌 能源与节能技术 同济大学出版社
[4] [日] 中原信生著 《建筑和建筑设备的节能》 中国建筑工业出版社
关键词 工业厂房空调系统设计 节能
中图分类号：S611文献标识码： A
引言 随着国家工业化、城镇化、机械化及国际化程度的不断提高，室内环境温湿度要求和舒适性意识逐步增强，对暖通空调专业也提出了更高的要求。如何以最小的能源、资源代价，取得高效的暖通空调生产环境，是摆在每个设计人员面前的难题。
在暖通空调系统设计中，采取必要的节能措施降低其能耗和对环境的影响，是降低能耗和保护环境的重要举措。本文主要结合实际设计经验以及一些暖通空调界专家的试验分析数据，对工业建筑工程中的暖通空调系统节能设计进行了简单的分析。
一、室内设计参数的选择
在工程设计中，室内设计参数取值标准往往过高，其主要原因是有些设计人员的保守思想和业主的要求过高造成的。
室内计算温度的高低与能耗的多少有直接联系。在冬季供暖工况下，室内计算温度每降低1℃，能耗可减少5%～10%左右；在夏季供冷工况下，室内计算温度每升高1℃，能耗可减少8%～10%左右。因此，为了节省能源，应避免冬季采用过高的室内计算温度，夏季采用过低的室内计算温度。
工业类厂房的办公区应尽量按照《公共建筑节能设计标准》中的条款，车间区域或是仓库区域需和业主就生产产品类别、性质、温湿度要求及工艺排气等方面进行讨论后方可决定。很多新建厂房项目的業主对其使用空间的温湿度需求标准不了解，定的室内温湿度参数值比较保守，设计方可根据相关项目设计经验和现场意见反馈，提出合理化建议，尽量降低系统能耗。
二、冷热负荷的计算
冷热源负荷是空调与供暖工程设计中最重要的基础数据，是确定供暖与空调冷、热源容量，空气处理设备能力，输送管道尺寸，水泵大小的依据。目前，有些设计人员在施工图设计阶段，往往不加区别地将设计手册或技术措施中的单位建筑面积冷、热负荷指标直接用作确定施工图设计阶段空调与供暖冷、热负荷的依据，导致冷热源设备装机容量偏大、水泵配置偏大、末端设备偏大、管道尺寸偏大的现象。其结果是工程初投资偏高，运行费用和能耗偏大，造成了资源的浪费。
在方案设计和初步设计阶段，由于建筑设计还达不到有详细建筑构造和门窗尺寸的深度，所以只能凭经验数据进行估算。但是在工程实际中，各种项目的情况千差万别，所计算得出的负荷指标有较大的差异，数值分布比较离散，回归结果很难获得理想的相关系数。拿我们公司设计的这么多案子为例，即使生产同类型产品的厂房，其“指标”值也是不一样的。所以指标仅可作为初期设计的参考值。在施工图设计阶段，已具备了进行详细负荷计算的充分条件。这时，再按指标去确定负荷，显然是不恰当的。为此，《采暖通风与空气调节设计规范》和《公共建筑节能设计标准》，均明确规定必须进行热负荷和逐项逐时的冷负荷计算，并列为强制性条文。
当前，大部分省、市规定设计院在向施工图审查机构送审设计文件时必须同时提交通过正版软件计算的冷热负荷计算书，其目的就是让广大设计人员对冷热负荷的计算引起重视并落到实处，以提高计算速度和准确度，满足建筑节能的要求。
三、冷热源方案选择
对某既定的项目来讲，冷热源方案的选择是空调系统设计过程中的一个重要的决策环节。冷热源形式不同，初投资和能耗差别会很大，因此，如何根据实际条件正确选择冷热源，已成为设计工作者和用户经常碰到的一个问题，也是影响社会总能耗和工程投资的重要因素。现以苏州某项目为例，进行简单阐述和分析。
本项目位于苏州高新技术开发区，建筑面积107400平方米，空调及工艺冷/热量用量如下：
夏季空调耗冷量: 30000 kW(冷源7/12℃冷冻水), 冬季空调耗热量14000 kW(热源45/40℃热水)。
工艺冷量用量: 工艺冷却水系统（一）:27060 kW, 24/36.5℃工艺冷却水
工艺冷却水系统（二）: 1750 kW, 14/17℃工艺冷却水
工艺冷却水系统（三）:2790kW, 29/39℃工艺冷却水
工艺冷却水系统（四）: 3640 kW, 24/39℃工艺冷却水
本项目无市政热源，若采用冷水机组+燃气锅炉的形式，初投资及运行成本均很大。同时注意到本项目中工艺冷却水产生的废热量很大并且发热量较稳定。怎么能利用好这些能量？设计人员经研讨决定采用水-水热泵系统，将低品味工艺废热提升为高品位的空调用热能。采用水-水热泵系统需要很精确的冷热量用量分析和冷热源平衡。
经分析计算， 夏季，工艺冷却水系统（一）、（三）可共用一套冷冻水系统，工艺冷却水系统（二）和工艺冷却水系统（四）各自采用独立的冷冻水系统。
工艺冷却水系统（一）、（三）总废热量为29850kW，其中的11695kW可由闭式冷却塔承担，18155kW需由冷冻站承担。冷冻站设计采用1500RT离心式冷水机组2台，1200RT螺杆式水-水热泵机组4台,1台备用。夏季，冷冻机组均制取15/20℃冷冻水提供工艺冷却冷源，冬季冷水机组无须制冷，工艺冷却负荷一部分由闭式冷却塔承担，一部分由螺杆式水-水热泵机组承担用于制取45/40℃的空调用热水。工艺冷却水系统回水先经过闭式冷却塔降温后再通过板式换热器与冷冻水换热的方式，有效降低冷冻机组装机容量35%左右，大大节约了成本。
工艺冷却水系统（四）设计采用400RT风冷热泵机组3台,夏季制取15/20℃冷冻水提供工艺冷却冷源;冬季，工艺冷负荷由闭式冷却塔承担,风冷热泵机组运行制热工况，制取45/40℃的空调用热水，作为水-水热泵机组的备用热源。
因此，空调与供暖系统的冷、热源的选择应根据建筑规模、冷热量需求情况，结合当地能源结构及价格政策、环保规定并通过综合论证确定。因地制宜的系统才是合适的系统，才是高效节能的系统。
冷、热源的选择建议遵循以下原则：
(1)具有城市、区域供热或工厂余热时，宜将其作为供暖或空调的热源。
(2)具有热电厂的地区，宜推广利用电厂余热(蒸汽和热水)的供热、供冷技术，如选择溴化锂吸收式冷水机组作空调冷源。
(3)具有充足的天然气供应的地区，宜推广应用分布式热电冷联供和燃气空调技术，实现电力和天然气的削峰填谷，提高能源的综合利用率。
(4)执行峰谷电价，且峰谷电价差较大的地区(最小峰谷电价比不低于3：1)，同时空调负荷不均匀，并在用电高峰期使用为主的建筑工程，经技术经济比较合理时，均可采用蓄冰(热)系统，以便降低白天制冷能耗。即可以节省电费，又可以缓解白天用电高峰期市电总电量不够的问题。
(5)具有天然水资源或地热可供利用时，宜采用地(水)源热泵供冷、供热。
四、风系统的设计
空调系统新风量的大小不仅与能耗、初投资和运行费用密切相关，，设计人员进行工程设计时，应按照厂区正压要求和室内人员所需新风量严格计算新风量，数据不全时应积极与业主方讨论决定，不应根据经验盲目增加新风量。
在冬冷夏热地区，且厂房工作区域温湿度要求不是很高的情况下，空调系统应考虑可以100%利用新风，以便在过渡季节充分利用新风的冷却能力，推迟开启和提前停止冷水机组运行，降低运行能耗。
有效利用工艺热排。在工业厂房项目中，由于设备的工艺热排风风量巨大，例如太原某项目一条生产线的热排风量约为14760m3/h，一般热排气温度>40℃，如果将这部分热排风量直接排向大气，无疑是能源的浪费。笔者建议将排风除尘后经过可接风管式全热换热器，负责办公区的新风热负荷和辅房区域的供暖。
另外对于高大厂房，通常室内温湿度要求范围大约为地面以上2～3m。这时宜采用分层空调，其目的是分层面一下的的空气参数控制在使用要求以内，分层面以上的空间为非空调区。在非空调区设置通风系统，排除上部余热，降低上部空调温度和屋顶内表面温度，减少非空调区的对流热转移和辐射热量。在冬季采用分层送风时，由于热空气上浮的原理，上部空间的温度也会比较高，通常设置室内循环系统，将房间上部过热的空气通过风道送至房间下部。
五、水系统的设计
1.空调冷冻水系统
冷冻水系统应根据建筑物的具体情况，在满足舒适性要求的前提下，合理地设计符合侧空调水系统的制式，即可减少空调系统设备和管道的初投资，又能降低空调水系统的运行能耗。负荷侧空调水系统的制式，应按下列要求设计：
(1)不存在同时供冷和供热，只要求按季节进行供冷和供热转换的空调系统，应采用两管制水系统。
(2)當建筑物内有些空调区域需全年供冷，有些则按季节交替供应时，宜采用分区两管制水系统。
(3)对于全年运行中冷、热工况频繁转换或需要同时使用的空调系统，宜采用四管制水系统。
2.空调冷却水系统
(1)冷却塔应布置在环境清洁、气流通畅、通风良好、远离高温的地方，以确保其冷却效率。
(2)多台冷却塔并联使用时，冷却塔之间应设连通管或共用连通水槽，以避免各台冷却塔补水和溢水不均匀，造成浪费。连通管的管径宜比总回水管的管径大一号，且与各塔出水管的连接应为管顶平接。冷却塔的补水总进水管上应设置水表。
(3)冷却塔的总供、回水管之间，宜设旁通管并装电动二通调节阀或采用三通调节阀调节控制，保证冷却水混合温度满足冷水机组对冷却水低温保护的要求；并宜采用出水温度控制风机启停或变频调速控制，达到节能目的。
(4)冷却水应设置水质检测及报警装置，随时监测冷却水的水质，保持设备的有效热质交换。
六、水力平衡及保温
1.保温
(1)冷(热)水管道、空调系统风管及有关设备等，应采用高效保温材料如闭孔橡塑保温材料或带铝箔的离心玻璃棉管壳等进行保温，并应注意隔汽层的密封。冷水管道和空调风管不应采用开孔性材料保温。保温材料的厚度应按经济厚度方法计算，保冷材料的厚度还需要按防结露方法计算核算，对比后取其较大者。
(2)空调风系统设计中，不应采用土建风道作为空调系统的送回风道。不得已而使用土建风道时，必须采取严格的防漏风和保冷措施。
2.水力平衡装置的设置
在供暖与空调水系统中合理的设置水力平衡装置，是系统水力失调、较低系统能耗、创造舒适人工环境的全新解决方案和有效的技术措施。
设计人员应首先通过管路和系统设计来实现各环路的水力平衡，即“设计平衡”；当由于管径、流速等原因的确无法做到“设计平衡”时，应考虑采用静态(手动)水力平衡阀通过初调试来实现水力平衡的方式；当设计认为系统可能出现由于运行管理原因导致水量波动较大时，宜采用阀权度要求较高、阻力较大的动态流量平衡阀。
在组合式空调器、新风机组的供回水管路上宜设置动态平衡电动调节阀，该阀比采用普通的电动阀具有更好的调节性。
当系统采用很好的保温措施，管路水力平衡调整较好的系统；冷(热)量在输送途中损失就更少，水泵运行的阻力越少，其能效比就越高。
七、结语
工业厂房的供暖、通风与空气调节系统工程量大面广，其能耗在建筑总能耗中占有相当大的比例，对其设计应积极采用有关的节能措施，以达到合理有效地使用能源，促进能源、经济与环境的协调、可持续发展。
参考文献
[1] 陆耀庆 实用供热空调设计手册（第二版） 中国建筑工业出版社
[2]电子工业部第十设计研究院空气调节设计手册（第二版） 中国建筑工业出版社
[3] 周鸿昌 能源与节能技术 同济大学出版社
[4] [日] 中原信生著 《建筑和建筑设备的节能》 中国建筑工业出版社