2016 car-ashrae设计竞赛dbj/t61-60-2011、《2009 ashrae...
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2016 CAR-ASHRAE设计竞赛 西安建筑科技大学图书馆空调系统设计
学校：东华大学 组员：陈思华、吴兴、谈屹、翟静 指导老师：赵敬德、沈恒根
成员介绍
陈思华（大四） 全年能耗模拟 冷热源设计 空调方案设计
谈屹（大四） 水系统设计 图纸绘制
翟静（研一） 气流组织模拟
吴兴（大四） 负荷计算 图纸绘制
建筑概况
负荷计算
水系统设计 系统设计
冷热源设计
自动控制与运行策略
设计特点
CONTENTS
目 录
风系统设计
建筑概况
高校图书馆
总建筑面积41950㎡
共5层，建筑高度
26.7m
四个贯穿楼层的中
庭
大进深房间
一层：业务用房、计
算机控制中心、密集
书库、设备用房
二层：大堂、期刊报
纸阅览、特藏书库
三层~五层：图书藏阅
区、多功能厅、会议
室、电子多媒体阅览
区
坡屋顶阁楼：图书藏
阅区
绿地面积丰富
水、电、燃气管网配
套完备
峰、谷、平电价
天然气价格：3.09元
/Nm3
5年后提供市政热力
建筑概况——设计参数
室外设计参数
《民用建筑供暖通风及空气调节设计规范（GB50736-2012）》
空气调节室外计算干球温度 空气调节室外计算湿球温度 室外平均风速
35.0℃ 25.8℃ 1.9m/s
空气调节室外计算日平均温度 室外大气压力 极端最高温度
30.7℃ 959.8hPa 41.8℃
空气调节室外计算温度 空气调节室外计算相对湿度 室外平均风速
-5.7℃ 66% 1.4m/s
年平均温度 室外大气压力 极端最低温度
13.7℃ 979.1hPa -12.8℃
室内设计参数
《图书馆建筑设计规范（ JGJ39-99 ）》、《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范（ GB50736-2012 ）》、《西安市建筑节能规范》DBJ/T61-60-2011、《2009 ASHRAE Handbook》、高校图书馆调研结果
围护结构设计参数
《公共建筑节能设计标准（GB50189-2015）》、《西安市公共建筑节能设计标准（DBJ/T61-60-2011）》、《陕西省建筑节能设计导则》
建筑概况——调研
统计各类型房间人员密度、照明密度、电子设备的使用情况
0
50
100
150
200
250
资源建设部
密集书库
外文书库
文艺书库
中文书库
读者沙龙
新书借阅室
创意空间
信息共享区
多功能阅览室
多媒体阅览室
1/11/2
12/1
03/2
3/22
4/11
5/15/2
16/1
06/3
07/2
08/9
8/29
9/18
10/810/2
811/1
712/7
12/27
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
2015
年两
校区
图书
馆门
禁刷
卡次
数
日期
松江图书馆人数 延安路图书馆人数
逐时统计各功能房间的人员、设备使用密度的变化趋势 年人员变化趋势
负荷计算
冷负荷（KW） 冷指标W/㎡ 热负荷（KW） 热指标W/㎡
3865.2 94.4 3240 79.1
围护结构负
荷W 18%
人员全热负
荷W 24%
照明负荷W 11%
设备负荷W 9%
新风负荷W 38%
冷负荷构成
围护结构负
荷 19%
新风热负荷
（W） 81%
热负荷构成
大进深房间：按3m进行内外分区 内区冷负荷：521.06KW 内区冷指标：47.4W/㎡
负荷计算——典型房间分析
藏阅区分布于该图书馆的2、4、5、6层，是该馆内建筑面积最大的功能区。
0.3
0.65 0.75
0.6 0.7
0.8 0.85 0.96
0.9
0.66
1
0.87
0.72 0.6
0.4
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
普通阅览室人员时间指派
0.34
0.49 0.54
0.49 0.59
0.72
0.85
1.00 0.93
0.65
0.85 0.93 0.88
0.56
0.40
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
普通阅览室设备时间指派
房间类型
夏季 冬季 风速
温度
(℃)
相对湿
度（%）
温度
(℃)
相对湿
度（%）
夏季
（m/s）
冬季
(m/s）
图书藏阅区
26 40 20 40 ＜0.3 ＜0.2
允许噪声
dB(A)
人均占有
面积
（m2/人）
照明密度
（W/ m2）
电器设备
散热
（W/ m2）
人员活动
情况
新风量
（m³/h.p）
40 4 20 6.1 静坐 25
负荷计算——典型房间分析
0
50,000
100,000
150,000
200,000
250,000
300,000
图书藏阅区设计日冷负荷逐时变化
围护结构冷负荷W 人员全热负荷W 照明负荷W
设备负荷W 新风负荷W
围护结构冷
负荷W
34%
新风热负荷
（W）
66%
冬季外区热负荷构成
-60000
-40000
-20000
0
20000
40000
60000
80000
冬季内区负荷逐时变化
人员全热负荷W 照明负荷W 设备负荷W 新风负荷W
负荷计算——全年能耗模拟
空调季 手算最大负荷
（kW）
鸿业计算最大负荷
（kW）
eQUEST模拟负荷
（kW）
DeST模拟负荷
（kW）
制冷季 3865.171 3706.176 3935.44 3449.62
制热季 -3240.490 -3425.175 -2577 -2876.54 -3098.06 -3397.6
误差分析 eQUEST模拟 DeST模拟
冷负荷 1.80% 10%
热负荷 4.40% 4.90%
负荷计算——空调季划分
-3.00E+06
-2.00E+06
-1.00E+06
0.00E+00
1.00E+06
2.00E+06
3.00E+06
4.00E+06
5.00E+06
冷负
荷（
W）
全年负荷变化图
10 20 30 40 50 60 70 80 90
100 110
焓值
（K
J/K
g）
全年室外焓值变化图 空调季 时间 天数（d）
供暖季 11月26日—3月10日 105
供冷季 4月10日—10月10日 184
过渡季 3月11日—4月9日＆10月11日—11月25日 76
负荷计算——空调季划分
24%
4%
9%
14% 13% 13% 12%
6% 3% 1%
0%
5%
10%
15%
20%
25%
冷负荷分段负荷频率
24% 28%
37% 52%
65% 77%
89% 95%
99% 100%
0%
20%
40%
60%
80%
100%
120%
冷负荷累计频率
28%
23%
18%
13%
8% 5% 3% 1% 1% 0%
0%
5%
10%
15%
20%
25%
30%
热负荷分段负荷频率
28%
52%
69% 82%
90%
95% 98% 99% 100% 100%
0%
20%
40%
60%
80%
100%
120%
热负荷累计频率
系统设计——系统分区
1F
2F
3F
4F
5F
阁楼
二次回风全空气系统
水源VRV+独立新风
全空气变风量系统
一次回风全空气系统
风机盘管+独立新风
立式风机盘管+一次回风全空气系统
负荷计算——系统分区
1F
2F
计算机网络总控制中心 《电子信息系统机房设计规范（GB50714-2008）》 双工况复合制冷系统
特藏书库 《图书馆建筑设计规范（JGJ 38-99）》 恒温恒湿空调系统
系统设计——空气处理方式
内区 单冷型单风道末端 （50~100㎡ ）
外区 并联式风机动力型末端 （25~50㎡ ）
变风量空调系统——图书藏阅区、电子阅览室、期刊阅览室、新技术体验区
系统设计——空气处理方式
内区
外区
变风量空调系统——图书藏阅区、电子阅览室、期刊阅览室、新技术体验区
系统设计——空气处理方式
书库
带热回收的二次回风空调系统
系统设计——空气处理方式
办公室 水源VRV+独立新风
系统设计——CFD模拟（400人会议室）
侧送下回空调方式
上送下回空调方式（旋流风口）
系统设计——冷热源设计
01 02
03 04
燃气 冬季供热
电力
夏季供冷
冷水机组+燃气锅炉
电力
燃气 冬季供热
地源热泵机组
电力
夏季供冷
冰蓄冷+燃气锅炉
电力
风冷热泵机组
系统设计——冷热源设计
01 02
03 04
冷水机组+燃气锅炉
地源热泵机组 冰蓄冷+燃气锅炉
风冷热泵机组
0
100
200
300
400
500
600
700
运行费用C（万） 初投资K（万）
140.6637
667.33
0
100
200
300
400
500
600
700
运行费用C（万） 初投资K（万）
136.8
699.899
0
100
200
300
400
500
600
700
运行费用C（万） 初投资K（万）
165
551.3
0
100
200
300
400
500
600
700
运行费用C（万） 初投资K（万）
149.86
633.4
2000
2200
2400
2600
2800
3000
3200
3400
3600
3800
4000
11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
冷水机组+锅炉 空气源热泵 地源热泵 冰蓄冷
500
700
900
1100
1300
1500
1700
1900
2100
2300
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
冷水机组+锅炉 空气源热泵 地源热泵 冰蓄冷
年 年
万元 万元
系统设计——冷热源设计
地源热泵+冰蓄冷
方案一：地源热泵+单冷冷水机组 方案二：地源热泵+双工况冷水机组（蓄冰量满足35%负荷） 方案三：地源热泵+双工况冷水机组（蓄冰量满足25%负荷）
蓄冷量kw.h 初投资（万元） 年运行费用（万元） 备注
方案一 0 104.9 53.98 地源热泵+单冷冷水机组
方案二 12600 318.66 45.14 蓄冰量满足35%负荷
方案三 7824 218.8 48.61 蓄冰量满足25%负荷
采用费用年值计算法计算逐年费用（基准折现率取8%）： c
1
(1 )n
k
i k
k
P C C i
0
100
200
300
400
500
600
700
800
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
费用
（万
元）
方案一
方案二
方案三
年
系统设计——设备选型
地源热泵+单冷冷水机组
按照热负荷选择2台地源热泵机组：
型号 名义制冷量（kW） 冷量调节档数 最小冷量
250A 870 8 14%
按照剩余所需冷量选择2台开利30HXC螺杆式冷水机组：
型号 30HXC-HP1 200A
制热工况 制冷工况
名义制热量 输入功率 名义制冷量 输入功率
kW kW kW kW
773 166 678 111
系统设计——设备选型
负荷率 10%负荷 35%负荷 50%负荷 75%负荷 100%负荷
负荷范围 0.65%-22.95% 29.11%-
39.46%
40.65%-
59.78%
60.32%-
89.48%
90.75%-
100%
典型日期 4月中旬，10
月初
4月末，9月
末 8、9月居多 6月初、7月 6月末
天数 18 36 44 75 11
夏季各负荷率天数分布表：
0 100 200 300 400 500 600 700
25%负荷日（54天）
螺杆式冷水机组A
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
50%负荷日（44天）
螺杆式冷水机组A 螺杆式冷水机组B
0
500
1000
1500
2000
2500
75%负荷日（75天）
螺杆式冷水机组A 螺杆式冷水机组B 地源热泵C
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
100%负荷日（11天）
螺杆式冷水机组A 螺杆式冷水机组B 地源热泵C 地源热泵D
系统设计——设备选型
年周期内土壤吸放热平衡：
地源热泵全年周期内的吸热量：429542KW.h
水源多联机的年周期内吸热量为24536.3KW.h
放热
吸热 年周期内总吸热量：
24536.3KW.h+429542KW.h=454078.3KW.h
地源热泵全年周期内的放热量：303885.7KW.h
水源多联机的年周期内放热量为146828KW.h
146828KW.h+303885.7KW.h=450713.7KW.h 年周期内总吸热量：
0.74%
系统设计——地埋管设计
基本参数：聚乙烯（PE）塑料管；管内介质为水；双U形管道；钻孔直径 为130mm；垂直埋管外径为de25；回填材料选择含有30%混凝土、 70%SiO2砂子的混合物。 埋管方式：并联同程
埋管长度：
制冷工况下
max
1000 [ (1 )] 1.( ) 26394
( )
c f pe b s c sp c
c
Q R R R R F R F EERl m
t t EER
制热工况下
min
1000 [ (1 )] 1.( ) 29070.25
( )
h f pe b s c sp c
h
Q R R R R F R F COPl m
t t COP
1000 1851.4 100025018.9
75 / 75 /c
QL m
W m W m
1000 1316.9 100029264.4
45 / 45 /k
QL m
W m W m
竖井数目：
29264390
75
L mN
H m
2400 20.25 8100A m
管深75m，各管间距4.5m
系统设计——BIM
系统设计——水系统 （供冷）
制冷工况时，开启的阀门为：V1、V2、V7、V8、V9、V12
V2
V1
V7
V8
V9
V12
系统设计——水系统（供热）
制热工况时，开启的阀门为：V3、V4、V5、V6
V3
V5
V4
V6
系统设计——水系统（过渡季）
制冷工况时，开启的阀门为：V10、V11、V13、V14
V10
V11
V13
V14
自动控制——冷热源
保证不同时间内空调负荷运行需求。 保证一年周期内，土壤的吸放热平衡。 尽量保证一台机组连续运行，避免频繁开关机，提高机组寿命。 尽量提高机组的COP，减少机组的年运行费用。
0
500000
1000000
1500000
2000000
1:0
0
2:0
0
3:0
0
4:0
0
5:0
0
6:0
0
7:0
0
8:0
0
9:0
0
10
:00
11
:00
12
:00
13
:00
14
:00
15
:00
16
:00
17
:00
18
:00
19
:00
20
:00
21
:00
22
:00
23
:00
eQUSET模拟12月21日建筑热负荷
自动控制——末端
变风量末端采用压力无关型末端 空调箱风量的控制采用总风量控制法
自动控制——全热回收
节能技术
新风排风全热回收 依据热回收系统节能运行的经济性计算 制冷季： 时，开启热回收系统 制热季： 时，开启热回收系统 其余时间开启热回收系统旁通阀门，不进行新排风热回收
过渡季节冷却塔供冷 室外湿球温度<7℃时，关闭
制冷机组，采用冷却塔供冷
采用开式冷却塔配合板式换热器实现过渡季冷却塔供冷
冬季内区新风供冷 冬季内区采用新风免费供冷 过渡季节当室外焓值低于室内焓值时，适当增大新风量
26 /h kJ kg
17 /h kJ kg
设计特点
负荷计算 依据各规范选取设计参数 结合调研结果，充分考虑高校图书馆的实际情况 对大进深房间进行内外分区
系统设计合理 合理分区，结合房间特性设计不同的空调系统 利用经济性分析，合理确定冷热源 冷热源设计可靠，实用，便于控制
自动控制 根据全年负荷制定冷热源运行策略 根据室内负荷特点制定末端运行策略 根据室外气象参数制定全热交换机组运行策略 计算机辅助设计 eQUSET DeST CFD Revit
此次竞赛中我们获益匪浅~
Thank you
请各位老师批评指正