暖通空调系统设计手册

暖通空调系统设计手册前言暖通空调（HVAC）系统，作为现代建筑不可或缺的组成部分，其设计质量直接关系到室内环境的舒适度、空气品质、能源消耗乃至建筑的整体运行效率与可持续性。本手册旨在为从事暖通空调设计工作的专业人员提供一套相对完整、系统且实用的指导框架。它并非简单罗列公式与规范条文，而是试图从工程实践出发，阐述设计理念、关键步骤、常见问题及应对策略，以期帮助设计者在复杂多变的项目中做出合理决策，打造安全、健康、高效、经济的暖通空调系统。一、设计基础与前期准备1.1设计资料收集与分析任何优秀的设计都始于充分的准备。在项目启动阶段，设计人员必须全面收集并细致分析各类基础资料，这是后续一切工作的基石。*建筑概况：包括建筑类型（如住宅、办公、商业、医疗、工业等）、总建筑面积、各功能分区面积与使用特点、层数、层高、建筑朝向、围护结构材料与构造（墙体、屋顶、楼板、门窗的传热系数、遮阳措施等）。这些信息直接影响负荷计算与系统选型。*使用要求：明确各区域的温度、湿度、新风量、空气洁净度、噪声控制、气流组织等设计参数要求。不同功能区域（如手术室、数据中心、普通办公室）的标准差异巨大，务必细致周全。*室外气象参数：由项目所在地的气象站数据或权威气象资料获取，包括夏季与冬季的室外计算干球温度、湿球温度、相对湿度、风速、风向、大气压力以及太阳辐射强度等，这些是负荷计算的基本输入。*能源供应条件：了解项目可利用的能源种类，如电力、燃气、城市热网、区域冷源、可再生能源（太阳能、地热能、生物质能等）的可获得性、参数及价格。这对冷热源方案的经济性与可行性至关重要。*现场条件：机房位置与大小、管井尺寸与位置、室外设备安放场地、管线敷设路径等，这些实际条件往往对系统形式的选择构成重要约束。*相关规范与标准：熟悉并严格遵守国家及地方现行的设计规范、施工验收规范、节能标准、绿色建筑评价标准等，确保设计的合法性与合规性。*业主需求与期望：充分理解业主对系统的初投资、运行费用、维护管理便捷性、系统可靠性、使用寿命、智能化水平等方面的期望与偏好，在技术可行的前提下尽可能满足。1.2设计规范与标准体系暖通空调设计是一项高度规范化的工作，设计人员必须对现行有效的规范标准体系有清晰的认识和准确的把握。这不仅是保证工程质量与安全的法定要求，也是衡量设计水平的重要标尺。主要涉及的规范标准包括但不限于：*基础类：如《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》、《工业建筑供暖通风与空气调节设计规范》等，它们规定了设计的基本原则、方法和技术要求。*节能类：如《公共建筑节能设计标准》、《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》、《夏热冬暖地区居住建筑节能设计标准》等，对系统的能效提出了明确指标。*专项类：如《洁净厂房设计规范》、《医院洁净手术部建筑技术规范》、《汽车库、修车库、停车场设计防火规范》（涉及通风排烟）等，针对特定建筑类型或功能提出特殊要求。*设备产品类：如各类空调机组、锅炉、制冷机组等设备的产品标准，影响设备选型。*施工验收类：如《通风与空调工程施工质量验收规范》，确保设计意图能被正确实施。设计过程中，应密切关注规范标准的更新动态，确保采用最新版本。对于地方项目，还需特别留意地方标准的具体规定，其要求可能严于国家标准。1.3与其他专业的协同配合暖通空调系统是建筑整体的有机组成部分，其设计离不开与建筑、结构、给排水、电气、智能化等相关专业的紧密配合与协同工作，这是保证设计方案可行性与经济性的关键。*与建筑专业：协调机房位置与面积、管井尺寸与布局、设备吊装孔洞、外墙百叶、新风入口与排风出口位置、吊顶高度（影响风管敷设）、门窗选型（影响负荷）等。建筑平面与立面的变化往往对暖通空调布置产生直接影响。*与结构专业：提供设备（如冷水机组、锅炉、风机、水泵）的重量及安装位置，以便结构专业进行荷载核算与基础设计；协调风管、水管穿梁、穿楼板的孔洞位置与尺寸，避免对结构安全造成不利影响。*与给排水专业：协调空调系统补水、排水（如冷凝水、设备排水）、软化水系统、冷却水系统的取水与排水等接口问题。*与电气专业：提供所有暖通空调设备的用电负荷（容量、电压等级）、控制要求，以便电气专业进行配电设计与控制系统设计；协调配电箱位置、电缆敷设路径等。*与智能化专业：对于采用楼宇自控系统（BAS）的项目，需明确暖通空调系统的监控点（温度、湿度、压力、流量、设备运行状态、故障报警等）及控制逻辑，与智能化专业共同完成系统集成。有效的沟通、定期的协调会议是解决专业间接口问题、避免设计冲突的重要手段。设计过程中应树立“建筑整体”观念，而非局限于本专业。二、负荷计算2.1负荷计算的意义与基本原则负荷计算是暖通空调系统设计的核心环节，其结果是确定系统容量、选择设备型号、进行系统方案比较的根本依据。准确的负荷计算是保证系统经济运行、满足室内环境要求的前提。若负荷偏大，将导致设备选型过大，增加初投资和运行能耗；若负荷偏小，则无法满足舒适性或工艺要求。负荷计算应遵循以下基本原则：*全面性：需考虑所有可能的冷热负荷来源，包括围护结构传热、太阳辐射、人员散热散湿、照明设备散热、电动设备散热、新风负荷、渗透风负荷等。*准确性：采用合理的计算方法和符合实际的计算参数。对于重要或大型项目，应采用计算机软件进行详细计算，而非简单估算。*针对性：根据建筑类型、使用功能、气候分区等特点，选择适宜的计算模型和修正系数。*动态性：对于某些工艺性空调或对温湿度波动要求严格的场合，可能需要进行逐时负荷计算，以确定最大负荷出现的时刻及系统的调节能力。2.2冷负荷与热负荷的构成*冷负荷：*围护结构传热冷负荷：通过墙体、屋顶、楼板等围护结构传入室内的热量形成的冷负荷。其大小与围护结构的传热系数、内外温差、太阳辐射强度等因素有关。*太阳辐射得热冷负荷：透过窗户进入室内的太阳辐射热量，以及被窗玻璃吸收后传入室内的热量形成的冷负荷。这是夏季冷负荷的重要组成部分。*人员冷负荷：室内人员的显热和潜热散热形成的冷负荷。与人员数量、活动强度、性别、年龄等有关。*照明冷负荷：照明设备（灯具）消耗电能转化为热能形成的冷负荷。与灯具类型、功率、安装方式（是否带罩、是否嵌入）有关。*设备冷负荷：室内各种电动设备（如电脑、打印机、复印机、冰箱、精密仪器等）运行时产生的热量形成的冷负荷。需考虑设备的功率、同时使用系数和负荷系数。*新风冷负荷：为满足室内卫生要求而引入的室外空气，从室外状态处理到室内状态所需要的冷量。新风负荷通常占有较大比例，尤其在人员密集场所。*渗透风冷负荷：由于室内外压差，通过门窗缝隙渗入室内的室外空气所产生的冷负荷。在高层建筑或有风压、热压作用显著的场合需特别注意。*热负荷：*围护结构传热热负荷：冬季室内外温差导致的通过围护结构传出的热量损失。*冷风渗透热负荷：通过门窗缝隙渗入室内的冷空气加热到室内温度所需要的热量。*冷风侵入热负荷：当外门开启时，大量冷空气进入室内所形成的瞬时热负荷，在计算时通常采用换气次数法或百分数法估算。*新风热负荷：将室外新风加热到室内状态所需要的热量。*其他热损失：如地面传热损失（在严寒地区需考虑）等。2.3负荷计算方法与常用软件负荷计算方法多种多样，从简单的估算到复杂的动态模拟，各有其适用场景。*估算方法：如单位面积指标法（根据经验数据，按建筑类型和功能确定单位面积的冷热负荷指标）。此法快捷简便，常用于项目初期的方案估算或小型简单项目。但精度较低，不宜作为最终设计依据。*稳态计算法：假定室内外参数恒定不变，不考虑围护结构的蓄热特性。如冷负荷系数法（CLTD/SCL/CLF法）、谐波反应法的简化形式等。是目前工程设计中应用最广泛的方法之一，具有一定精度且计算相对简便。*动态计算法：考虑室外气象参数和室内热源随时间的变化，以及围护结构的热惰性和蓄热特性，通过求解热平衡微分方程来计算逐时负荷。此法精度最高，能反映负荷的动态变化过程，适用于对室内温湿度波动要求严格的工艺性空调、大型复杂建筑或进行能耗分析时。随着计算机技术的发展，基于动态计算法的负荷计算软件已成为主流。国内外常用的软件包括：*国内：天正暖通、鸿业暖通、斯维尔暖通等（通常集成于CAD平台，操作便捷，符合国内设计习惯）。*国外：EnergyPlus、TRNSYS、DOE-2、IESVirtualEnvironment、DesignBuilder等（功能强大，可进行详细的能耗模拟和动态负荷分析，但学习曲线相对陡峭）。选择软件时，应根据项目规模、复杂程度、设计阶段及精度要求综合考虑。无论采用何种软件，设计人员都需理解计算原理，正确输入参数，对计算结果的合理性进行判断，而非盲目依赖软件。三、系统方案设计与选择3.1空调系统分类与适用条件空调系统形式繁多，各具特点和适用范围。合理选择系统形式是设计成功的关键一步，需综合考虑建筑类型、使用功能、负荷特性、能源条件、初投资与运行费用、维护管理水平、安装空间等多种因素。*按空气处理设备的集中程度分类：*集中式空调系统：所有空气处理设备（过滤器、冷却器、加热器、加湿器等）都集中在空调机房内，空气经处理后通过风道送至各房间。*全空气系统：空调房间的冷热负荷全部由经过处理的空气来承担。例如，单风道系统、双风道系统、变风量（VAV）系统、定风量（CAV）系统等。*适用条件：空间较大、人员较多、负荷较大且较均匀的建筑，如商场、影剧院、体育馆、大型办公室等。尤其适用于需要严格控制温湿度、洁净度或有统一空气品质要求的场所。*优点：空气处理集中，便于管理和维护；可实现较好的空气过滤和净化；新风量易于调节，有利于改善室内空气品质；过渡季节可利用全新风运行，节约能耗。*缺点：风道断面大，占用建筑空间多；当各房间负荷变化不一致时，调节不灵活；风机能耗较大。*空气-水系统：空调房间的冷热负荷由空气和水共同承担。空气处理设备集中设置，水系统则输送至末端设备（如风机盘管、诱导器）。*适用条件：建筑空间较大，各房间负荷特性差异较大，需要单独调节的场合，如酒店、办公楼、医院等。*优点：比全空气系统节省风道空间；末端调节灵活；风机能耗相对较小。*缺点：空气处理机组仍需机房空间；末端设备（风机盘管）可能产生噪声，且存在冷凝水问题，需注意排水。*半集中式空调系统：除集中的空气处理部分外，在空调房间内还设有二次空气处理设备。如风机盘管加新风系统、诱导器系统等，这是空气-水系统的主要形式。*分散式空调系统（局部式空调系统）：将空气处理设备、冷热源设备（或仅有空气处理设备，冷热源由集中系统提供）分散设置在各个房间或区域。*单元式空调器：如窗式空调器、分体式空调器（壁挂式、柜式）、多联机系统（VRV/VRF）、风管式分体空调器等。*适用条件：小型建筑、房间数量少且分散、负荷波动大、需要灵活控制、改造或临时建筑等。多联机系统因其安装便捷、美观、调节灵活，在中小型办公、商业及高端住宅中应用广泛。*优点：安装灵活，不需要大的机房和风道；各房间可独立控制，互不干扰；初投资可能较低（尤其对于小项目）。*缺点：房间内有设备（窗式、部分柜式）时影响美观和占用空间；维修分散；多联机系统在大容量或高湿环境下能效可能不如冷水机组系统；室内空气品质主要依赖于房间门窗渗透或小型新风装置。*按承担室内负荷的介质分类：全空气系统、全水系统（如风机盘管系统，通常需配合新风系统）、空气-水系统、制冷剂系统（如多联机、单元式空调器）。*按冷热源设置方式分类：集中冷热源系统、分散冷热源系统、直燃式溴化锂吸收式冷热水机组系统等。3.2冷热源方案比较与确定冷热源是暖通空调系统的“心脏”，其方案的选择对系统的能效、初投资、运行费用、环保性能及维护管理具有决定性影响。*常见冷源设备：*电动压缩式冷水机组：*活塞式冷水机组：适用于中小冷量，结构紧凑，但振动和噪声较大。*螺杆式冷水机组：适用于中冷量，能效较高，运行平稳，维护方便，应用广泛。*离心式冷水机组：适用于大冷量，能效比高，振动小，但对水质和安装要求较高，部分负荷性能需关注。*涡旋式冷水机组：适用于中小冷量，能效高，结构简单，振动噪声小。*吸收式冷水机组：*溴化锂吸收式冷水机组：以热能（蒸汽、燃气、燃油、热水）为驱动能源，电能消耗少。分为直燃型（直接燃烧燃气或燃油）和蒸汽型/热水型（需外部提供蒸汽或高温热水）。*适用条件：有廉价热能或需要热回收的场合，或在电力供应紧张、电价较高的地区。但其制冷效率（COP）低于电动压缩式机组，且对工作真空度要求高，冬季需注意防冻。*常见热源设备：*锅炉：*燃气锅炉：清洁高效，自动化程度高，应用广泛。*燃油锅炉：适用于无燃气供应或作为备用热源。*电锅炉：清洁、简单，但运行费用高，通常在有低谷电政策或特殊场合使用。*燃煤锅炉