本书介绍了英国**屋宇装备工程师学会关于公共建筑和居住建筑的供热、通风、空调和制冷系统的设计,主要涉及如何选择热电联产、地源热泵、太阳能供热、机械通风、空气调节和制冷系统;如何设计供热、通风、空调和制冷的自动控制系统,在不断提高居住环境质量的基础上,将系统能耗控制在*低水平上;如何将太阳能、地热、风能、生物能等可再生能源在供热、通风、空调和制冷系统中加以利用��;分析了英国的绿色建筑标准,还提供了大量的关于供热、通风、空调和制冷系统设计的流程图,便于广大科研和工程技术人员查阅。

1 供热
1.1 引言
本指南首先介绍供热系统设计者遇到的策略性问题,包括由建筑用途决定的各种要求、能源和环境问题、规范要求以及与其他建筑设备系统之间的相互影响。在不同阶段的设计工作包括:
——确定详细的需求并进行仔细的系统负荷计算;
——系统的特点以及系统的选择;
——燃料的特点及其储存的要求;
——交付使用。
1.2节将介绍选择策略,这一节范围相对较广且要点比较分散,可以作为设计初始阶段关键决策的参考。后面的小节根据要点进行了细分,当遇到具体问题时可作为重要参考;这一节还包括了一系列详细的内容,并在适当的地方给出了更详细的参考,比如CIBSE的出版物以及BS、EN和ISO标准。
当使用这本指南的时候,设计者应首先对将要进行的设计步骤有所了解。虽然每个实例的设计步骤都是****的,但也都会遵循如下的一般模式:
——明确问题;
——形成设计方案;
——分析;
——选择*终方案。
图1.1(略)为此模式的示意图,它以流程图的形式给出。
1.2 策略性设计
1.2.1 概要
与其他建筑设备系统相似,对供热系统的要求首先取决于建筑形态和结构。在建筑设计的早期,建筑设备工程师在供热系统设计中的作用很大,这一时期供热工程师还可能影响建筑结构的选择。这样就使得供热系统的选择必须建立在综合考虑的基础上,如建筑设计或者供热设计的规定将如何影响供热要求。在其他情况下,特别是在既有建筑供热系统的改造设计中,经过综合考虑后设计范围就会受到更多限制。然而在所有情况下,设计者都应该在原则框架内对系统进行*优化设计。
一个成功的供热系统设计,在安装、调试后能够为住户提供要求的温度。系统运行时,应保持**的运行状态,并使燃料成本和排向周围环境的排放物降到*低,以满足相应的规定。在设计寿命中,系统还应该能够通过有限的维护和更换配件来维持其性能。除了要满足运行和经济方面的要求外,设计者还必须满足相关法律的要求,包括对环境的影响以及健康和**等方面。
1.2.2 供热系统的目的
大多数建筑的供热系统主要是为建筑物内工作或居住的人提供舒适的环境。人体通过对流和热辐射两种方式与周围的环境发生热交换,所以人体的热舒适度取决于环境空气和周围物体表面的温度以及空气的流动。综合干球温度包含了空气温度和平均辐射温度,一般用来评价环境的舒适度。欧洲标准BS EN 7730¨’给出的预测平均投票指数(PMV),考虑了一系列影响热舒适度的因素。建立舒适环境的方法将在后面的1.3.2节中详细讲述。
在一般无人居住的建筑(或建筑的一部分)中,供热系统不再是仅为维持舒适度而设计。然而,供热系统可以用于控制湿度或温度,以保护建筑结构以及建筑内存储的物质,比如防止霜冻或结露,或为在建筑中进行的工艺流程创造条件。但是不管哪一种情况,都要对每个房间或分区提出明确的要求。
1.2.3 与建筑场所相关的问题
需要考虑建筑场所的特征,包括朝向、场所入口及其与当地燃气和供热主干线的连接情况。在计算热损失时需要考虑朝向问题(参见1.3.3节)。是否存在燃气或供热的主干线是影响燃料选择的重要因素。
建筑物的形式和朝向对供热及制冷要求的影响非常大,如果建筑设备系统的设计者能够在建筑设计早期参与进来,将会对决策有所影响,比如可以优化“被动式太阳能”设计以降低能源的耗费。
1.2.4 法规、经济和总体方面的考虑
各种法规、标准都会影响供热系统的设计。供热系统的设计和性能方面的要求包含于旨在通风以及节省燃料和能源的规范条款中。体现欧盟锅炉指标的规范中确定了锅炉的*低效率水平。另外,产热设备也受到规范的限制,其助燃空气、燃料和烟气的供给以及气体与固体颗粒向大气的排放问题都有相应的规范,参见1.5.5.1节。设计者还应该知道他们有责任遵从建筑(设计、管理)规范,以及施工中的健康和**规定。
除了严格的法规外,客户希望满足的能耗与环境要求,在很大程度上取决于供热系统的性能。包括:
——cIBSE Building Energy Codes给出的设定能耗目标的方法。
——碳排放性能/碳密度:二者*初是为了用于显示是否与Building Regulations Part L相符。现在,“碳性能级别”(CPR)和“碳密度”更为广泛的用于确定其性能。CPR可用于对带有空调和机械通风设备办公建筑的能效性能进行评价;而碳密度一般用于供热系统。
——广义上的环境评估还包括能耗评价,比如,Building.Research Environmental.Assessment Method(BREAM)中就制定了一系列实用的标准,用它可以对建筑的环境性能做出评估。BREAM级别的高低还取决于供热系统的性能。
——拥有并管理住房的业主委员会有一个“暖气供给”目标,以确保低收入者不会觉得供热费用太过昂贵。英国政府的住宅能效标准评审程序(SAP)和住宅能效(NHER)给出了评估住宅建筑能耗级别的两种方法。
根据业主的标准(可能是基于业主的贷款偿还期,或者是具体生命周期内的一定贴现率),应该对不同水平的保温、供热系统、燃料和控制进行经济性评价,来体现投资的优化水平。公共部门的收购政策可能会对生命周期成本有特殊的要求。
1.2.5 建筑设计、建筑围护结构以及设备和设施之间的相互作用
如前面提到的,供热系统的设计者越早参与到建筑的总体设计中,对优化建筑设计就越有利。在建筑物内,建筑的布局、窗户的大小及朝向、热流的位置与范围以及建筑围护结构的绝热水平都会对供热要求产生很大的影响。另外,建筑外围护结构的气密性和建筑所采用的通风形式也非常重要。对于绝热性和气密性较好的建筑,在有人居住时不需要采用专门的管网供热,而只需设计供热系统,在居住前对建筑进行预热。
但是,很多时候设计者所面临的情况并不是这样,他们很少有机会去改变建筑的某些对供热系统具有重要意义的特性,特别是在要更换既有的供热系统时,例如设备间的位置与面积都会受到限制,而且输配管网的安装位置和管线走向也会受到一定限制。对于供热系统或者通风系统,还可能会存在一些综合利用部分已有系统的问题。
当需要生活热水时,需要考虑是利用供热系统提供热量,还是单独在使用点进行加热。
1.2.6 住宅建筑
对于住宅建筑,何时入住以及在建筑内部要进行什么活动对选择供热系统的类型非常关键。居住者是从事轻微活动还是剧烈运动?使用和居住时期拥有的发热设备,包括电脑和办公器械等都有些什么?建筑的所有区域只需满足一个要求,还是各自都有不同的要求?以上这些因素或多或少都会决定或限制设备的选择。预期的居住形式也会对供热设计的后期产生影响,考虑到将来或许会重新分配房间的面积,因此也应该考虑系统的灵活性和适应性。
1.2.7 能效
“能效”这个词从20世纪80年代开始出现,现在已经得到了广泛的应用。
一般来说,建筑的能效只能用相对的方式进行评价,可以基于以前相同建筑的性能,也可以与其他建筑相比较。因此,某个建筑的能耗可以用每平方米建筑面积的年能耗量来表示,并与类似建筑的基准水平相比较。这样所得到的结果取决于许多物理因素,包括绝热性能、锅炉效率、温度、控制系统以及照明设备的使用率,但也取决于住户使用建筑的形式,特别是建筑是否有可开启的窗户进行自然通风。
根据“供给”的能量来测量建筑能耗是很容易的,可以直接从仪表读取,也可以查看燃料购买记录。供给能量不区分是电能还是燃料,两者*终都将被转化为热能。“基本”能量包括提供的燃料和电能,及其生产和输送相关的能耗。因此,有时能效是以基本能源为基础进行比较的,或者考虑到能量的日常消耗,也会以“温室气体”的排放量为基础进行比较。用燃料成本来比较能效,对非技术性建筑的所有者和住户来说,更具透明性。在任何情况下,将电能和燃料消耗量相加所得到的供给能源消耗量都是无意义的。因此,如果要根据供给能量进行能效比较,那么就需要将电能和燃料消耗量分别进行比较。
很明显,供热系统的性能对能效具有非常重要的影响,特别是对绝热性较差的既有建筑。设计者可以通过采用合理的设计策略,选择合适的燃料和节能组件,并设计一个能使能量输出与用户需求准确匹配的控制系统,来提高供热系统的能效。有关能效其他方面的内容在本指南的其他部分介绍。供热和热水系统的能效在cIBSE Guide F第9部分Energy efficiency in buildings中有详细的介绍。
1.2.8 策略性的选择
对于每一个工程,我们都需考虑它本身的特点,并对其进行经济和环境方面的严格评估,图1.2和1.3所示的流程图可以作为一般性的指南。这两个流程图**出现是在Good Practice Guide GPG303中,这本书是政府根据能效*佳实践方案出版的,主要针对工业建筑,但也适用于一般的情况。图1.2是针对一般的供热系统,图1.3是关于燃料的选择。
1.3 设计标准
1.3.1 概述
在对所安装的系统形式做出初步决定之后,就有必要在细节上对系统建立设计标准。一般设计标准的确定是由定义室内和室外气候条件以及为维持室内空气品质和舒适性所需的换气次数开始的。热平衡计算是用来确定供热系统在设计条件下所需要的热量输出,并以此来确定系统内每个房间和分区所需要的热量输出。热平衡计算可以采用静态计算,也可以采用动态计算。由于动态计算很复杂,后来出现了分析动态影响的简单方法,这些方法在CIB-SE Guide A第5.6节论述。当需要建立详细的动态响应模型时,就需要采用计算机动态模拟仿真。但是不管在何种情况下,其基本原则都是相同的——不管是静态还是动态,供热系统输出的热量都是通过在设计条件下计算热流量来确定的。
具有中等保温水平的建筑,包括20世纪80年代由于对建筑绝热要求提高而建造的建筑,其室内空气温度和平均辐射温度的差异很小,对于整个建筑而言通常可忽略不计。然而,这对于那些会因此影响供热输出量需求的情形是很重要的。一般说来,当各空间不统一供热或者需要间歇供热时,这个差异可能会显得更重要。对于一些设备,例如风机盘管,其热量输出仅取决于空气温度和供热媒介温度之差。对于其他一些形式的设备,例如辐射板,其散热量还受到周围表面温度的影响。第1.3.3.3节详细地介绍了这方面的内容。
供热区域温差可能会影响到人体的热舒适度。垂直温差一般是由于对流换热后热空气上升所引起的。一般来讲,建议人的脚和头部之间的垂直温差不要超过3 K。如果地面附近的空气流速超过人体上部的空气流速,那么垂直温度梯度不能超过2 K·m(-1)。地板过冷或过热同样都会引起脚部的不舒适感。因此,一般建议地板温度应维持在19~26℃,但是对于地板供热系统,地板温度可以增加至29℃。
热辐射的不均匀性是造成人体不舒适的潜在因素。而热辐射的不均匀可能由如下几种情况引起:
——人体与冷表面接近,例如窗户;
——人体与热表面接近,例如散热器、发光体和天花板辐射加热器;
——人体透过窗户暴露在太阳辐射下。
CIBSE Guide A建议,因辐射温度的不均匀性所引起的不舒适比例不能超过5%,即垂直方向辐射温度不均匀性(相对于热天花板)不得超过5K;水平方向辐射温度不均匀性(相对于冷墙壁)不得超过10 K;而对于冷天花板来说不得超过14K,热墙壁不得超过23 K。该指南中还给出人员与不同尺寸单层玻璃窗之间的*小舒适距离。
建筑通常都有供热系统,但并不都有空气调节系统,而对相对湿度的控制,除有特殊工艺要求之外也不太常见。虽然一般不需要对湿度进行控制,但是,考虑满足建筑内相对湿度的要求是十分重要的,尤其是涉及到建筑表面温度,或是在某特定条件下可能会使墙体表面发生凝结现象时。
同样,气流组织对热舒适的影响也很大,因此也需加以考虑。当需要同时设计通风系统时,各个设计工种之间要有良好的沟通,这样就可以通过协调通风口和散热器的安装位置来避免引起局部区域的不舒适性,详见Ventilation and air conditioning的第2部分。对于一个已设置机械通风系统的建筑,在对其进行供热系统设计时,应充分考虑送风口的安装位置及其气流组织。
供热系统的控制水平直接影响着居住人员在室内环境的热舒适性,参见CIBSE Guide A第1.4.3.5节。影响舒适(或不舒适)性的其他因素还有很多,但是供热及其控制系统将综合干球温度维持在设计工况附近的能力,对于热舒适性而言是一个非常重要的必要条件。关于自然通风建筑中的热舒适性可进一步参考cIBSE Applicalions Manual AMl0:National ventilation in non-domestic buildings;温度对办公室内工作人员效率的影响可参考CIBSE TM24:Environmental factors affecting office worker,peformance。
在工业和仓库建筑中,采用封闭式的温度控制通常是不可取的。在这些建筑中可接受的温度波动范围为±3 K,并且对于这些建筑,要优先考虑工艺过程对温度控制的要求,其次才是人体的热舒适性。
1.3.3 房间和建筑的设计热负荷计算
1.3.3.1 计算原理
计算房间和建筑的热负荷之前首先要做的工作就是估计在室外设计温度条件下系统要供给多少热量才能维持房间温度,以使其满足室内温度的设计要求。然后对每个房问或分区进行计算,估计设计热负荷和每个散热器的尺寸。
1.3.3.2 室外设计条件
室外设计温度主要取决于建筑所处的地理位置、海拔高度、建筑朝向以及建筑的热惰性等。cIBSE Guide A中建议的确定室外设计温度的方法是基于建筑的热反应特性,但这种方法可能存在使所确定的室外设计温度值过高的风险。在这种情况下,考虑到以后对建筑、居住人员以及建筑内部设施带来的一系列问题,设计人员和住户均需慎重考虑其风险程度。
CIBSE Guide A中的2.3节给出了有关**温度的出现频率和持续时间方面的内容,包括在某个临界值以下24h和48h内的平均值。同时也给出了相应低温和高风速方面的数据。在英国,许多地区都有长期的气象数据可供利用。
对于热惰性较低的建筑,通常采用的室外设计温度是历年采暖季节中日平均温度,参见1.3.3.7节。类似地,对于热惰性较大的建筑,采用供热季节中连续2天低于平��温度的日平均温度。表1.2给出的是英国各地基于以上定义所得到的室外设计温度。如果在表中未列出该地区的具体资料,那么可以采用表中与其距离*近的地区的设计温度,并且根据海拔每增加100m温度降低0.6K来进行修正。CIBSE Guide A的2.3节还给出了如何基于其他风险水平来确定室外设计温度的方法。
……

1 供热
1.1 引言
1.2 策略性设计
1.3 设计标准
1.4 系统选择
1.5 设备
1.6 燃料
参考文献
附录1.A1 实例计算
附录1.A2 烟囱与烟道的尺寸和高度的计算
2 通风与空气调节
2.1 引言
2.2 综合措施
2.3 要求
2.4 系统
2.5 设备
参考文献
附录2.A1 通风评价技术
附录2.A2 传湿过程
3 风管
3.1 引言
3.2 设计方案
3.3 设计标准
3.4 系统选择
3.5 管道材料以及安装
3.6 测试及试运转
3.7 维护以及清洁
参考文献
附录3.A1 风管参考尺寸
附录3.A2 空间余隙
附录3.A3 *大允许空气泄漏率
附录3.A4 风机类型及其效率概要
附录3.A5 防火方法
附录3.A6 计算举例
4 制冷与热排放
4.1 引言
4.2 设计策略的选定
4.3 要求
4.4 系统选择
4.5 设备
参考文献
附录4.A1 制冷剂数据汇总
附录4.A2 制冷剂的压焓图
5 暖通空调系统的消声与隔振
5.1 引言
5.2 暖通空调系统中噪声与振动问题的总结
5.3 建筑设备中的噪声源
5.4 设备机房的噪声控制
5.5 管道内噪声的再生
5.6 管道内噪声传送的控制
5.7 房间的声音等级
5.8 噪声的往复传播
5.9 暖通空调系统的噪声标准
5.10 噪声预测
5.11 振动问题和控制
5.12 噪声和振动控制指南总结
参考文献
附录5.A1 声学术语
附录5.A2 预测建筑中公共设施噪声的常用公式
附录5.A3 解释设备制造厂家的噪声数据
附录5.A4 暖通空调系统房间噪声等级初算的基本方法
附录5.A5 所使用的噪声仪器
附录5.A6 测量振动的仪器
附录5.A7 房间内的直接声和回响声
附录5.A8 噪声标准