主动式冷梁在节能建筑中的设计应用

汤晓峰

摘要：能源问题是目前世界各国所面临的普遍问题，也是目前所公认的人类四大生存威胁问题之一。随着各国工业化进程的不断发展，地球上可供人类利用的能源日益减少，能源危机的总趋势不可避免。而在能源消耗中，作为人类活动基本场所的建筑，其使用过程中所消耗的能量，在社会总耗能中占据着较高的比例，其中，西方发达国家的建筑耗能占社会总耗能的30%-50%，而我国目前的建筑耗能占社会总耗能的30%左右，且该占比正在逐渐上升。在公共建筑中，空调系统又是最主要的耗能设备，本文就主动式冷梁在节能建筑中的设计应用进行了一些探讨。

关键词：建筑；节能；主动式冷梁；设计应用

1項目概况：

本工程为苏州工业园区宝时得机械（中国）有限公司总部大楼一期办公研发楼项目，办公研发楼总建筑面积19095m2，地下1层，为汽车库及设备用房，地上5层，为研发办公用房。业主要求该项目设计、施工及运营均能获得国内建筑最高的绿色三星奖和国际LEED铂金奖。这就要求我们需将占整个建筑能耗将近65%的中央空调系统设计得尽可能的节能。以下就本项目设计运用的主动式冷梁空调末端系统作一些分析探讨。

2主动式冷梁发展简史：

早在80年代初欧洲学者就已经开始研究和开发这种技术形式，在应用和发展的过程中，为了达到更大的供冷能力、得到更加均匀的室内温湿度分布、更加人性化和美观的外形，逐步开发了被动式冷梁、主动式冷梁以及多功能冷梁形式。其中主动式冷梁由于其制冷能力大、节能、环保舒适等特性现在已在欧洲、美国等发达国家广泛应用。

图1冷梁发展过程图

在中国，主动式冷梁技术虽然刚刚起步，但其发展非常迅速， 国家环保总局履约中心、西门子北京中心、全国工商联办公大楼、陆家嘴竹园办公大楼以及一些知名的外商企业总部大楼都有成功的主动式冷梁系统运行案例，上海、台北等大型金融中心经评估也选用主动式冷梁系统，目前正在进行规划设计中。可见主动式冷梁技术之应用已经得到了全世界的重视，其发展的势头已不容小视。

3主动式冷梁的原理及特点：

3.1主动式冷梁空调原理：

主动式冷梁（Chilled Beams）系统主要包括水系统和风系统两部分，水系统是指主动式冷梁所带冷水盘管对诱导风进行等湿降温的部分，风系统是指室外新风（新风加回风）经过AHU空气处理机组的除湿降温后通入冷梁腔体的部分。水系统负责室内温度的调节（显热负荷），风系统负责调湿（潜热负荷）。主动式冷梁作为一种空调末端形式，是典型的温湿度独立控制系统，新风湿负荷与室内人体湿负荷通过独立的除湿设备进行单独处理，常用的系统有冷冻除湿、转轮除湿及溶液除湿等方式。宝时得研发楼采用的是冷冻除湿方式，冷冻除湿是利用冷冻水或制冷剂通过冷却盘管，而空气流过盘管和肋片表面得到冷却，空气冷却到要求的露点温度后将其中水分脱除的除湿方式，冷冻除湿方式是现在应用较为普遍的除湿方式。

3.2主动式冷梁的空气处理过程：

如图1，首先室外新风与室内回风混合得到状态点Q ，由混合点Q 冷却到机器露点K；由送风温差Δt 0沿室内等湿线得到送风状态点O，状态点K 与O 混合至点C ，沿室内空气热湿比线到达室内状态点N。

冷梁的设计步骤：

（1）在焓湿图上过室内状态点N ，再由送风温差Δt 0确定送风状态点O。

（2）由新回风混合比例，得到混合后点Q，Q K为新回风混合后的处理过程，混合后的风须要承担的湿负荷为：W=L m（d n-d k），d n 、d k分别为室内及新回风混合处理后的空气含湿量，L m为新回风混合后的空气质量，由上式得到d k，K点为L m与相对湿度U=95%的交点。

（3）诱导比：n= qm2/ qm1=CK/CO=KM/NO由此可以确定C点。

（4）室内余热量Q分别由qm1（一次风空气），qm2（一次风与室内回风诱导后的混合空气）负担，故 Q= qm1 （ho-hk）+ qm2 （hn-ho）。其中一次空气处理箱处理冷量：Q1= qm1 （ho-hk）；冷量内盘管处理冷量： Q2= qm2 （hn-ho）。

（5）根据一次空气量和诱导比及生产厂家提供的产品样本选择型号合适的冷梁，并根据冷梁的热效率对换热器的供冷量进行校核。

图1 主动式冷梁的空气处理过程

3.3主动式冷梁优势及特点：

与传统的空调系统相比，主动式冷梁由于其特殊的干工况运行特点，具有较大优势，对提高建筑的整体舒适性及节能降耗具有重要意义。

主动式冷梁主要具备以下优势和特点：

（1）由于设备本身无任何（电机、风机）等部件的运转，整体运行噪声较低，对提高室内环境的安静度具有重要作用；

（2）由于本身结构的特点，主要以贴附吊顶进行送风，出风口速度分布均匀，气流在室内流动速度较低，没有明显的吹风感，极大提高了室内的舒适性；

（3）整体采用辐射智能系统，能够使室内温度均匀分布，具有较高的热舒适性；

（4）其本身的干工况运行，不会产生凝结水，极大程度抑制了细菌的滋生；

（5）采用水作为输送媒介，整体输送耗能小，其输送能耗只是传统空气输送空调系统的60%左右；

（6）由于仅处理室内显热负荷，可降低送风温差，采用高温供水（16～19℃），有效提高冷水机组的COP值；

（7）一次风量较小，有效减少了风管尺寸及空调的装机容量，能够极大节约机房面积和吊顶空间，使室内空间更加开阔；

（8）与VAV变风量空调系统相比，可以大幅降低空调末端控制及BA楼宇自控系统的初投资；

（9）设备本身自带送回风口，无需另外安装，使整个系统整体性更高，安装更加方便，同时也为后期的维修管理提供了方便；

（10）结构较为简单，不会影响室内空间的装修设计；

（11）后期维护成本较低；

4主动式冷梁与常规空调系统的节能比较：

节能比较主要在主动式冷梁与常规空调系统，FCU风机盘管系统及VAV变风量空调系统之间进行，下面为三种空调系统的建设成本与运行费用的比较分析：

4.1初期投资比较：

宝时得研发楼空调面积按12000 m2计算，具体按照如下标准进行计算：

（1）主动式冷梁制冷量1.5KW，單价7000元/台（单价包含压力无关式定风量阀）；以4台主动式冷梁作为一个控制区域，单个控制区域（温湿度控制）总费用1800元。

（2）单台风机盘管制冷量3.0KW，单价3000元/台；共需480个风机盘管；单台风机盘管带四个空调风口，风口（含风管、风阀）单价900元/个。

（3）单台单风道变风量末端单价7000元/台（含控制器、温控器等），风机动力型变风量末端单价14000元/台（含控制器、温控器等），按照1台/20 m2估算；共需600台变风量末端，变风量BA系统需配置送风变频器、静压传感器、DDC控制器等设备（单台3000，含调试费）；一个变风量末端配置三个空调风口，风口（含风管、风阀）单价按照900元/个估算。

表中仅列出了显性的初投资，其中主动式冷梁与VAV变风量空调及FCU风机盘管空调系统相比还存在节约空调机房面积，制冷主机的高COP值运行，节省吊顶空间，增加室内净高等隐性增值。

4.2运行费用比较：

主动式冷梁、VAV变风量空调系统及FCU风机盘管空调系统的运行比较，冬季运行费用基本相似，不作比较，仅对夏季运行费用进行比较。在比较空调系统能耗及运行费用时，首先要确定空调系统运行时间和负荷情况，根据苏州市气候条件及房间使用功能，设定比较前提如下：

（1）空调夏季供冷共180日；

（2）空调运行时间取12时/天；

（3）电价按0.867元/kWh计算；

（4）夏季空调平均负荷按设计负荷的75%计算；

（5）VAV变风量空调系统全年平均运行于设计风量的70%；

（6）VAV变风量空调机组风量350000m3/h，加上变风量控制器等设备功耗，功率450KW；

（7）主动式冷梁系统及FCU风机盘管新风AHU空调机组风量100000m3/h，功率120KW；

（8）变风量系统运行维护费用按照25万元/年计算；

（9）单个风机盘管湿工况下的制冷量3KW，共需480个风机盘管；

（10）风机盘管考虑电机功率及冷损，按照80W/台估算；

（11）风机寿命取8年，风机单价350元/台，人工更换1台需1人1小时，人工费用按照200元/天计算。滤网的更换，一年换一次，每个滤网按照25元/个（含人工费）。

根据得到的负荷结果，可计算出三种空调系统的夏季运行费用，具体如表2 所示：

通过对表1及表2中数据的综合对比，可以看出主动式冷梁系统的初投资在三种末端系统中是居中，而运行费用是最低的，亦是最为节能的空调末端系统。从三种空调系统的初期投资费用及运行费用来看，主动式冷梁系统具有较高的使用价值，且随着时间的推移，该优势越加的明显。

5总结：

由于主动式冷梁系统的安装方便，节能，美观等各优点，现在逐渐被推广开来。同时，随着人们对生活、工作环境的要求越来越高，主动式冷梁系统的舒适性优势将得到极大程度的发挥，从各种空调系统中脱颖而出。另外，从前文中对CB主动式冷梁系统、FCU风机盘管系统及VAV变风量空调系统的投资成本及运行费用的综合对比分析来看。主动式冷梁在节能降耗方面具备了明显的优势，在当今的能源节约型社会环境下，主动式冷梁系统具备了较高的市场竞争力，为主动式冷梁系统的发展提供了广阔的市场空间。

主动式冷梁系统以其节能、美观、经济等多种特点，在当前的空调系统中具有广阔的应用前景。冷梁系统的一次风根据房间具体显热负荷及冷梁侧的诱导比可以是全新风，也可以是新风与部分回风的混合送风。由于冷梁的出风速度较小，空气循环相对较弱， 导致室内的降温速度较慢，降温延时较长，所以要求在房间需使用空调时提前开机运行。冷梁系统是一个新的课题，需要在实践中不断的探讨和完善，在实际的空调系统设计中，具体使用何种末端方式，需要根据具体建筑的使用功能及空调使用模式而定。

参考文献：

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[2]刘雪梅，张兰芝，牛宝联.浅谈建筑冷梁系统的设计及性能[J].住宅产业，2012（7）.

[3]陆耀庆. 实用供热空调设计手册[M].第2版. 北京：中国建筑工业出版社，2008