海外項目暖通空調設計關鍵參數差異性介紹

劉希臣 方 宇 倪先茂

（中國建筑西南設計研究院有限公司 成都 610041）

0 前言

隨著國家鼓勵企業“走出去”、“一帶一路”、“去庫存、去產能”和“轉型升級、創新發展”等重大戰略決策的逐步展開和落實，海外建筑設計市場的拓展勢必會成為未來發展的熱點。對于國內建筑設計而言，開拓海外市場是一項嚴峻的考驗。陌生的海外市場充滿激烈競爭，諸多不明因素導致了開拓海外市場的不可預測、不可掌控性[1-3]。

對于暖通設計，海外項目同樣具有眾多特殊性，包括規范標準、負荷計算方法、地理位置、氣候條件、自然資源特性及分布、人們對冷熱的敏感度等等，這些因素都與暖通設計息息相關，對暖通設計提出了嚴峻的挑戰[4-6]。

由于目前我國尚無適用于海外項目的暖通設計體系，缺乏對國際上通用的相關計算方法、設計思路、系統形式的研究，造成了海外項目暖通設計過程中設計人員不熟悉相應的技術規范體系，對設計過程的順利推進造成了一定的影響[7]，基于此，本文將對海外國際項目的暖通設計體系相關的重點問題進行研究，對不同標準體系中的暖通設計差異性關鍵問題進行梳理，為海外項目的暖通設計提供參考。

1 海外項目規范和標準體系

對于暖通空調設計技術性規定文件，各國用詞不同，經常使用的有：規范（Code）、標準（Standard）、導則（Guide）、手冊（Handbook）。全球范圍內，每個國家及地區都會有其遵循的設計標準及體系，比較常見的有美國標準、英國標準、法國標準、日本標準及俄羅斯標準，同時根據項目的所在地情況，還有可能涉及項目所在國的標準。總體而言，使用最廣泛的為美標和英標，其中美國標準在全球的應用最為廣泛，權威性也最強，因此本文主要以美標為基礎進行分析。

在暖通設計領域，應用最多的美國標準體系為ASHRAE 和NFPA 及國際規范（International Mechanical Code），其中ASHRAE 主要側重于供暖、空調及通風的設計（也會有涉及消防部分），NFPA 主要針對消防及防排煙的設計，除此之外，美國各州也有其各自的規范。本文主要對ASHRAE標準體系進行分析。

ASHRAE 標準體系中，最常用的標準主要為：

（1）Energy Standard for Buildings Except Low-Rise Residential Buildings （Standard 90.1），公共建筑節能設計標準；

（2）Thermal Environmental Conditions for Human Occupancy（Standard 55），室內熱舒適標準；

（3）Ventilation for Acceptable Indoor Air Quality（Standard 62.1），公共建筑室內空氣品質標準；

（4）Ventilation and Acceptable Indoor Air Quality in Low-Rise Residential Building（Standard 62.2），居住建筑室內空氣品質標準；

（5）Climate Data for Building Design Standards（Standard 169），建筑設計氣象參數標準。

同時其編制的ASHRAE Handbook（暖通空調設計手冊）是目前全球使用最廣泛的設計手冊，包括4個獨立分冊，分別為：Fundamentals（基本原理）、Refrigeration（制冷）、HVAC Application（暖通空調應用）及HVAC Systems and Equipment（暖通空調系統及設備）。

2 主要差異性分析

2.1 室外設計參數

國標中對于室外設計參數，以不保證率的形式給出（小時不保證率、日不保證率），每種不同類型的設計參數，均基于不保證率給出一個確定的數值。ASHRAE 標準體系是以小時的不保證率進行設計參數的統計。國標與ASHRAE 在不保證率方面的對比如表1所示。

表1 國標與ASHRAE 不保證率對比Table 1 Comparison of no-guarantee rate between national standard and ASHRAE

相對于國標，AHSRAE 標準給出的數據更為豐富，每一種類型的數據都有幾種不同的保證率，不僅給出了基于全年不保證率數值，同時對于每一月份，也分別給出了不同不保證下的統計數據，讓設計者在不同的使用情況下可以具體靈活地選擇。同時ASHRAE 標準在室外設計參數的確定上，考慮了溫度與濕度的相互耦合特性，例如按不保證率為1%確定夏季干球設計溫度時，其對應的濕球溫度即為該干球溫度下對應的濕球溫度平均值。

2.2 室內設計參數

室內設計參數主要包括室內設計溫度、濕度、風速等，按國內的設計原則，確定室內設計參數的方法為：相關規范對不同類型建筑、房間的設計溫度、濕度及風速均進行了范圍規定，設計師只需按規范取值即可。但ASHRAE 設計體系，并未給出明確的室內參數范圍（見表2），只是提出了舒適性參數的要求，設計師需綜合考慮新陳代謝強度、服裝熱阻、空氣溫度、輻射溫度、空氣流速、空氣濕度六個參數，并計算在這些參數作用下的舒適性，只需保證舒適性指標滿足規范要求，即可說明室內設計參數的選擇是合理的。

表2 國標與ASHRAE 室內參數選擇方法對比Table 2 Comparison of indoor design parameters between national standard and ASHRAE

由此可見，在室內參數確定方面，ASHRAE方法與國內方法相差較大，其綜合考慮了不同參數的影響，該方法更合理，更具靈活性。對于給定的濕度，空氣流速，新陳代謝強度，和衣服熱阻，可以確定一個舒適區，在這個舒適區內環境溫度都是可接受的范圍，該種性能化的設計方法目前無法在國內直接使用，但可以采用該方法對設計進行復核，以確定室內人員的舒適度。

圖1使用一個簡化的圖表方法來確定不同條件下的可接受的舒適區溫度范圍，新陳代謝強度在1.0 到1.3met 范圍內，衣服熱阻度在0.5 到1.0clo范圍內，可以使用這種方法。在這個舒適區內，考慮到PMV-PPD 指標下個體的不滿意度為10%，再加上局部熱舒適的平均10%的不滿意度，80%的受試者都是可接受的。圖1的舒適區域的空氣流速不大于0.2m/s，由圖可見，舒適區域分成了兩部分，一部分的衣服熱阻為0.5clo，一部分的衣服熱阻為1clo，這兩個值分別可以代表典型冷熱條件下人的穿著情況。

圖1 熱舒適圖表法Fig.1 Chart of thermal comfort

表3 PMV 指標劃分Table 3 PMV index

預測平均評價（PMV）使用熱平衡原理來關聯影響熱舒適的6 個關鍵參數，將人群對熱的反應進行熱敏感度評定。預測不滿意率（PPD）是指環境中受試者對于該環境的熱感覺投票比例。PPD 是以PMV 的0 值軸對稱，如圖2所示。通過計算PMV-PPD 的數值，判斷其計算結果是否在可接受的熱環境中（見表4），可以確定設計參數是否可以給人們帶來舒適。ASHRAE 標準PMV 的使用需要空氣流速在0.2m/s 以下，在某些情況下，適當提高空氣流速來增加舒適區運行溫度的上限也是可行的。

圖2 PMV-PPD 相互關系圖Fig.2 Correlation diagram between PMV and PPD

表4 可接受熱環境PMV-PPD 限值Table 4 Acceptable PMV-PPD limit for thermal environment

2.3 新風量的確定

國內一般按照人員新風量法確定新風供應量，但ASHRAE 按人員及面積雙重指標的方法確定新風量，根據ASHRAE62.1 的規定，新風量的確定方法見下式：

其中，A為區域的面積，m ；Pz為區域的人數；Rp為每個人所需要的新風量指標；Ra為每平米面積所需的新風量指標。

新風量確定中，常用的指標可按表5來確定，區域的人數應為該區域的最大在室人數，對于某區域，若其在室人數無法確定，則需根據表5估計在室人數。不同類型空間的新風量指標參數選擇如表5所示。

表5 不同區域的最小通風量（部分）Table 5 Minimum ventilation rate in different areas

2.4 負荷計算方法

在負荷計算方面，以CARRIER E20-II 軟件為例進行說明，CARRIER E20-II 軟件是目前國際上認可的負荷計算和設備選型計算軟件之一，它由美國開利集團研發。此軟件基于國際上權威的ASHRAE（美國采暖，制冷與空調工程師學會）標準，而且通過多年的應用，它的性能穩定、功能齊全、運行可靠，是國際公認的一流的成熟的暖通空調設計計算軟件。

CARRIER E20-Ⅱ軟件的中的HAP Hourly Analysis Program（逐時分析程序）（以下簡稱HAP）和國內常用的空調負荷軟件相比，主要有以下幾方面的差異性。

（1）設計思路不同

HAP 運用了系統-區域-空間的設計思路。即先從工程本身的系統性考慮，先確定建筑的空調形式，然后在不同系統里劃分區域，再把這些區域里的每個空間做單獨計算。

（2）對設備選型的思路不同

負荷計算的根本目標都是用來選擇要使用的設備。HAP 從設備選型出發的結果導向設計思路，在計算一開始就要把系統和設備類型進行定義。采用設備選型出發的結果導向設計思路，每一步的設置都是圍繞設備選型這個目標，而不是單純的對每個空間的負荷計算。

（3）對氣象參數的設置范圍和功能不同

HAP 有較為強大的海外氣象資料數據庫和氣象模擬計算功能。此軟件中存儲了世界大部分國家和地區的氣象資料，而且具有氣象資料的模擬計算功能，對一些氣象數據不全的地區，只要輸入主要的參數，比如海拔，經緯度之類的，也可以得到較為準確的設計數據，給設計工作帶來很大方便，從而提高設計質量。

3 結論

通過對暖通設計中的國標及美國ASHRAE 標準體系進行對比，研究了兩種設計體系的理念、方法的差異性，分析了美標中主要設計參數的確定原則，為海外項目暖通設計提供了參考。

（1）對于室外設計參數，供冷與供熱情況時，美標均以小時不保證率給出設計參數，同時對于每一月份，也分別給出了不同不保證下的統計數據，讓設計者在不同的使用情況下可以具體靈活地選擇；

（2）對于室內設計參數，美標采用舒適區的方法進行確定，即基于新陳代謝強度、服裝熱阻、空氣溫度、輻射溫度、空氣流速、空氣濕度六個參數進行舒適區的計算，從而確定室內滿足舒適要求的設計參數；

（3）對于新風量，美標根據人員及面積雙重指標的方法進行確定；

（4）對于負荷計算，美標采用系統-區域-空間的設計思路，即先從工程本身的系統性作為出發點進行空調負荷的計算。