作者 徐鵬 撒世忠 王紅星 徐紅衛 曹娥 曾召娟

引言

近年來，建筑節能和綠色建筑逐漸成為建筑設計工作的兩大重點內容。國標公共建筑節能水平的要求不斷提高，《公共建筑節能設計標準》GB50189-2015從2005版的50%節能要求提升到了65%，2022年實施的《建筑節能與可再生能源利用通用規范》GB55015-2021進一步提到了72%要求。新風供冷技術在公共建筑的暖通空調節能技術中具有重要意義，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。

新風供冷能滿足室內溫濕度參數，又能提供室內優質的空氣品質，實現了節能和環保的高度統一。近年來很多類型的公共建筑項目都采用了新風供冷技術，新風供冷的相關研究成績斐然。

許錦峰[1]指出建筑行業碳減排是江蘇省率先實現“3060”雙碳目標的先決條件和重要組成，其中江蘇省綠色建筑關鍵技術策略中明確提出了充分利用自然通風，采用新風系統技術，最大化地營造室內自然通風改善室內品質等。

葉大法列出了變新風供冷在公共建筑空調系統的綠色節能設計中的各項要點，明確提出了誤差范圍小，工程可實施性強的固定溫度法代替焓值法原則[2]。

董濤等以南京某劇場為例，經理論性計算后得出全年新風供冷占全年總運營時間的68%，全年新風供冷節能率達到21%，節能效果顯著[3]。

文獻四《某大型購物中心暖通空調設計探討》[4]中指出對項目室內所有可能的區域實施免費供冷，優先實施新風免費供冷，若新風量偏小，則采用新風和冷卻塔聯合免費供冷的方式。

丁勇等在對重慶地區過渡季，實際建筑空調系統運行調研的基礎上，定量分析發現公共建筑采用全新風運行的機械通風模式，充分利用室外的低溫空氣營造舒適的室內熱環境，設備功耗僅為機械供冷模式的15％左右[5]。

高校體育館屬于高大空間、新風量大、空調能耗大的多功能綜合性公共建筑，一般以日常體育教學和體育項目訓練為主，兼顧體育比賽、文藝演出、會議報告、集會展覽等活動。體育館在冬季仍有部分冷負荷，實現新風供冷、減少人工制冷是過渡季和冬季節能的重要手段。本文以無錫某高校體育館工程暖通空調設計為例，針對該項目的籃球館、羽毛球場和健美操室這三個典型又各有特點的空間，展開新風供冷的運行計算分析。

#1項目介紹

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，屬于小型乙級體育建筑。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構。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、羽毛球場及設備用房等。其中籃球館為雙面看臺設計，觀眾席共計2000席，日常運行時按照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 空調系統

本工程所在地區電力條件充足，高校寒暑假恰好規避空氣源熱泵機組在夏熱冬冷地區運行效率最低的氣象時段，故空調冷熱源選用模塊式渦旋式空氣源熱泵冷熱水機組，夏季提供7℃/12℃的冷水，冬季提供45℃/40℃的熱水。冷熱源機組設置在三層局部屋面，變頻運行和可聯控啟停。

籃球館及其相關輔助房間的空調負荷匹配2臺機組，羽毛球場及二層輔助房間匹配1臺，一層健美操室等輔助房間分兩側各自匹配1臺，共計5臺。

本工程采用一級泵、雙管制閉式變頻變流量空調水系統，在水泵臺數控制的基礎上，通過流量調節，進一步節省水泵電耗。

籃球館和羽毛球場等大空間場所采用全空氣定風量系統，氣流組織為上部噴射滲透式柔性風管送風、側墻下部回風；健美操室等小空間輔助房間采用風機盤管加新風系統，氣流組織為上送上回，新風由獨立的新風機組集中處理后送至各房間。圖二為羽毛球場和籃球館空調風系統平面圖。

圖2 空調風系統平面圖（左側為羽毛球場、右側為籃球館）

1.3 室內外計算參數的確定

在空調系統運行的全過程中，室外參數總是不斷變化，即使是炎熱夏季，也會有早晚溫度適宜的天氣過程。室外氣象參數是影響空調運行的先決因素。

文獻六《超低能耗高校行政樓暖通空調設計探討》[6]中詳細分析了以2021年為代表的江陰地區氣候環境特征，江陰地區建筑物對冬季供暖、夏季制冷都有一定的要求；而且在過渡季節的室外溫濕度適宜時，可優先采用室外新風免費供冷，降低建筑的空調能耗。

本工程采用北京綠建軟件股份有限公司的暖通負荷BECH軟件計算，其室外氣象文件采用的是對無錫地區長期氣候特征具有一定的代表性的、《建筑節能氣象參數標準》[7]中的江蘇-常州地區（東經：119.98，北緯：31.88）的TMY（典型氣象年）參數，無錫地區室外氣象環境特征如圖3所示。

圖3 無錫地區TMY（典型氣象年）參數

如何合理的定義一個處于人體熱舒適區的室內空氣狀態點，是計算空調運行能耗的關鍵因素。目前，得到國際標準化組織ISO承認的PMV-PPD預測評價指標應用最為廣泛，即將溫度、平均輻射溫度、風速、濕度、活動量和衣著量等變量帶入公式中，迭代計算。依據我國《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》GB 50736-2012中的熱舒適I級指標：PMV在-0.5~+0.5之間，PPD≤10%，計算得出表一的過渡季（非供暖空調期）的舒適狀態參數。

經驗證，表一的參數同樣滿足更適合自然通風建筑的AMV熱舒適模型，即夏熱冬冷地區自然通風類建筑夏季室內舒適溫度范圍是24.8-28.3℃；冬季室內舒適溫度范圍是17.5-23.0℃；全年的可接受的室內溫度范圍是 15.35-27.13℃。

將無錫地區供冷期設定為6.1~10.31，共5個月；供暖期設定為12.1~3.31，共4個月；過渡季（非供暖空調期）時間段設定為11.1~11.30與4.1~5.31，共3個月。綜合分析，得到如表二所示的三個代表場所的全年室內設計參數。

表1 過渡季（非供暖空調期）的舒適狀態參數

表2 室內設計參數

#2新風供冷

2.1 計算方法

新風供冷基本原理為當新風比焓低于室內空氣比焓時，利用新風與室內空氣狀態點的焓差向室內提供免費冷量，減少甚至避免冷水機組的開啟，降低空調供冷所需的能耗。新風供冷的全熱供冷量可由式（１）計算：

式中為新風全熱供冷量，kW；為空氣密度，；為室內空氣的比焓，；為室外空氣的比焓，；G為新風量，。

其中，與的數值為按照全年無休、上午9點至晚上21點開放，全年共計4745個小時的室外空氣焓值（TMY參數）與室內狀態點焓值的比對，當大于值時，新風向室內提供冷量，計入新風供冷時間；選取新風量G時，將全空氣系統的籃球館、羽毛球館的新風量設計為5個檔位，即最小新風量檔、新風比25%檔、新風比50%檔、新風比75%檔、全新風新風比100%檔；將風機盤管加新風的健美操室設計為只有1個檔位，即恒定新風量1500 檔；如下表三所示。

表3 不同新風檔位對應的新風量

利用北京綠建軟件股份有限公司的暖通負荷軟件進行全年能耗計算，得出籃球館、羽毛球場和健美操室的全年逐時負荷峰值及全年耗冷量，其中，全年逐時負荷峰值如圖四所示，全年耗冷量在下文不同場所的新風供冷計算結果部分。

（a）籃球館

（c）健美操室

（b）羽毛球場

圖4 全年逐時負荷峰值

將室內逐時空調冷負荷與不同檔位下的新風供冷量進行逐一比對，判別選定保證室內冷負荷的合理的新風量檔位，并計算出相應的新風供冷量，計算流程圖如下圖五所示。其中，τ為全年4745h的第i個時刻，h為比焓，下標Ｗ為室外狀態點，Ｎ為室內狀態點，X為新風檔位。

圖5 新風供冷量逐時計算流程圖

2.2 籃球館新風供冷計算結果

籃球館具有高大空間、人員燈光密集、新風量大、潛熱負荷大等特點，除一月份外全年均存在顯著冷負荷。經過籃球館的全年新風供冷計算，得出如圖六所示的全年最優新風檔位運行圖；圖七為區別出小于值時，無法進行新風供冷而采用最小新風比，記做-1檔時的運行圖；圖八為不同新風檔位時間比例圖；圖九為全年逐時新風供冷量與耗冷量圖。

圖6 籃球館全年最優新風檔位運行圖

圖7 籃球館全年最優新風檔位運行圖（區別無新風供冷時間）

圖8 不同新風檔位時間比例圖

圖9 籃球館全年逐時新風供冷量與耗冷量

通過圖表分析籃球場發現，無法新風供冷的時間占42%，主要集中在7月和8月以及5月份的部分時間；全年可采用新風供冷運行時間的58%，共計2752h；可采用新風供冷的時段中，籃球館采用新風供冷時對應的1檔運行時間最長，占比85%；全新風5檔運行時間占比6%，主要集中在6月上旬和9月；其他4檔、3檔和2檔的運行時間相對短暫和分散；在1~3月和10月份期間，新風供冷量較大。經計算，籃球館全年新風供冷量436143kWh，全年耗冷量825507kWh，全年新風供冷比例為52.8%。

2.3 羽毛球場新風供冷計算結果

羽毛球場具有高大空間、桁架屋面、氣流組織要求嚴格等特點，全年均存在顯著冷負荷。經過羽毛球場的全年新風供冷計算，得出如圖10所示的全年最優新風檔位運行圖；圖11為區別出ｈN小于ｈw值時，無法新風供冷而采用最小新風比，記做-1檔時的運行圖；圖12為不同新風檔位時間比例圖；圖13為全年逐時新風供冷量與耗冷量圖。

圖10 羽毛球場全年最優新風檔位運行圖

圖11 羽毛球場全年最優新風檔位運行圖（區別無新風供冷時間）

圖12 不同新風檔位時間比例圖

圖13 羽毛球場全年逐時新風供冷量與耗冷量

從上圖中發現，羽毛球場最小新風比對應的1檔運行時間最長，占比84%，其中無法新風供冷的時間占43%，即全年運行時間的57%、共計2704h都可以采用新風供冷；無法新風供冷時間主要集中在7月和8月以及5月份的部分時間；全新風5檔運行時間占比7%，主要集中在9~12月；其他4檔、3檔和2檔的運行時間相對短暫和分散；在1~3月和10月份期間，新風供冷量較大；經計算，羽毛球場全年新風供冷量91577kWh，全年耗冷量214405kWh，全年新風供冷比例為69.7%。

2.4 健美操室新風供冷計算結果

健美操室為風機盤管加新風空調系統的典型公共場所，除1月、3月外全年均存在冷負荷需求。經過健美操室的全年新風供冷計算，得出如圖14所示的區別無法新風供冷時間、記做-1檔的新風運行圖；圖15為全年逐時新風供冷量與耗冷量圖。

圖14 健美操室全年新風運行圖（區別無新風供冷時間）

圖15 健美操室全年逐時新風供冷量與耗冷量

從上圖中發現，健美操室全年按一個檔位、固定新風量運行，無法新風供冷（-1檔）的時間占49%，全年運行時間的51%為可新風供冷的1檔運行；無法新風供冷時間主要集中在7~9月；在1~3月和12月份期間，新風供冷量較大；經計算，健美操室全年新風供冷量15345kWh，全年耗冷量43815kWh，全年新風供冷比例為35.0%.

#3新風供冷實施措施

本工程籃球館、羽毛球場的新風供冷節能量大，過渡季和冬季存在可利用時間，新風供冷較長，因此，暖通設計室需要認真考慮新風取風口和新風管所需的截面積，妥善安排好排風出路，作好進、排風量平衡，確保室內滿足正壓值。籃球館、羽毛球場的空調機房均靠建筑外墻設置，新風取風管路短，新風管截面積均按照全新風風量選取。

新風供冷技術中最節能的是自然通風，當室外溫度合適、空氣品質良好時應優先采用自然通風方式，這樣可以減少新風供冷中送風機和排風機的能耗，達到進一步節能的目的。籃球館、羽毛球場均在外墻設置自動可開啟外窗，其中，籃球館采用可開啟角度大于70°的上懸窗，兩個防煙分區排煙窗有效開啟面積分別為70.21m2和74m2，遠遠滿足《建筑防煙排煙系統技術標準》GB 51251-2017中37.76m2的要求；羽毛球場為一個防煙分區，設置可開啟角度大于70°的自動上懸窗，排煙窗有效開啟面積49.17m2，滿足《建筑防煙排煙系統技術標準》GB 51251-2017要求的37.76m2；這些自動排煙窗在平時完全能夠滿足自然通風的面積需求，保證室內舒適環境。

#4結語

本文以高校體育館建筑中的籃球館、羽毛球場和健美操室三個典型房間為例，合理定義保證室內舒適性的狀態點參數，設定供冷、供暖和過渡期，全年4745h逐時比對TMY參數下的室外空氣焓值與室內狀態點焓值，選出最合理的新風檔位，計算出相應的新風供冷量。

經過計算確定，籃球館和羽毛球場部分為全空氣系統、變新風運行，其最小新風比對應的1檔運行時間最長；全年共計大于2700h均可以采用新風供冷，占運行時間的57%左右；無法新風供冷時間主要集中在7月和8月；籃球館和羽毛球場全年新風供冷比例分別為52.8%和69.7%；健美操室雖采用風機盤管加新風系統的形式，全年新風量固定不變，其全年仍然有大約50%時間可以實現新風供冷，全年新風供冷比例為35.0%。

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

參考文獻：

[1] 許錦峰,魏燕麗.雙碳目標時期江蘇省綠色建筑技術綜述[J].江蘇建筑,2022 ,219(2):7-11

[2]葉大法.淺談公共建筑空調系統的綠色節能設計[J].暖通空調,2017, 47(10):62-67

[3]董濤,劉覽,呂欣欣.新風供冷在南京某劇場建筑中的應用[J].暖通空調,2016, 46(11):95-100

[4]撒世忠.某大型購物中心暖通空調設計探討[J].江蘇建筑,2018,193:119-122

[5]丁勇,蘇瑩瑩,李百戰,等.全新風機械通風在重慶地區的應用[J].煤氣與熱力,2011,31(2):18-21

[6]王紅星,撒世忠,徐紅衛,等.超低能耗高校行政樓暖通空調設計探討[J].暖通空調,2022, 52(S2):229-233

[7] 建筑節能氣象參數標準:JGJ/T 346-2014[S],北京:中國建筑工業出版社,2014

作者介紹：徐鵬，男，1979年3月生，暖通高級工程師

撒世忠，男，1975-，土木工程工學學士，暖通工學碩士，高級工程師，注冊公用設備師（暖通空調）

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