机械载荷计算

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能源效率

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机械载荷计算
机械负荷Calc2

机械系统在建筑中有非常重要的作用,保持室内条件是健康,舒适和安全的人类。机械设备的例子有锅炉、熔炉、空调、冷水机、空气处理器、冷却塔、风机盘管、热水器、增压泵、消防泵和自动洒水装置。

建造机械系统需要消耗大量的能源和水,特别是当它们过于庞大或缺乏智能控制时。使用比必要的更大的设备也会增加项目成本,而不会带来任何回报。然而,机械工程师也不推荐尺寸过小的设备,因为这可能会造成不合适或危险的条件。在机械设计中,多并不是好,最好的性能是在设备容量为建筑优化时实现的。

机械载荷计算是建筑设计过程中非常重要的一步。当所有机械装置的容量都根据您的建筑需求进行优化时,您就可以以最优的成本实现高性能。

  • 考虑到许多机械部件是笨重笨重的,并且修改可能是昂贵和困难的。
  • 通过在设计阶段与合格的机械工程师一起工作,您可以避免在施工期间昂贵的更改订单。

整个机械设计过程依赖于载荷计算。即使你使用最高质量的设备,如果机械负荷计算不准确,性能也会很差。

空调负荷计算

供暖、通风和空调系统为人类提供了一个合适的室内环境。以下是暖通空调系统的一些重要功能:

  • 保持舒适健康的室内温度。在商业环境中,有效的温度控制还能提高生产率。科学研究发现,过度加热和过度冷却都会导致生产率下降。
  • 保持ASHRAE和美国EPA推荐的最佳湿度范围。高湿度会导致霉菌、细菌和尘螨等有害生物的繁殖。另一方面,低湿度导致空气污染物在空气中停留的时间更长,其中包括病毒。
  • 提供足够的通风以保持空气质量。充足的室外空气供应可稀释空气污染物,同时置换和清除陈旧空气。

控制室内温度、相对湿度和空气质量需要大量的能源。因此,在大多数住宅和商业建筑中,HVAC系统比所有其他设备消耗更多的能源。体积过小的暖通空调系统不能有效地完成其功能,但从长远来看,体积过大的系统会浪费前期资金和能源。

通过精确的机械负荷计算,HVAC工程师可以为您的建筑指定最佳设备能力。您将不会花费超过必要的时候购买设备,您的室内环境将是健康和舒适的居住者。

暖通空调系统的特点是种类繁多,您经常会发现许多选项可以满足您建筑的需要。暖通空调工程师可以帮助您回答以下问题:

  • 我的供暖系统将使用什么能源?一些常见的选择是天然气、取暖油、丙烷和电力。
  • 供暖和制冷效果将如何分布在整个建筑中?一些系统直接分配空调空气,而另一些使用水或制冷剂作为传热介质。
  • 通风系统会输送什么样的气流?建筑规范通常根据建筑面积、人数和占用分类规定最小气流。然而,如果通风系统也对空气污染测量做出反应,改善空气质量是可能的。

无论建筑项目中使用何种HVAC配置,机械荷载计算对于正确确定设备尺寸都很重要。

泵负荷计算

泵送系统在建筑物中有许多重要作用,以下是一些示例:

  • 当当地自来水公司提供的压力不足时,水增压泵保证供水压力充足。
  • 当循环泵用作HVAC系统中的传热介质时,循环热水或冷水。
  • 消防水泵确保消防系统在紧急情况下有足够的供水。

无论应用何种情况,泵送系统都必须满足一个重要条件:提供合适的压力和流量。吸入压力也必须足够高,以防止空化;低压力下,微气泡形成并破裂,磨损泵叶轮等部件。建筑工程的机械负荷计算还包括泵的负荷计算。

即使泵的大小合适,它们的工作量也会根据建筑条件而变化。由于这个原因,泵系统的全部容量并不是一直都在使用。

  • 能源顾问建议使用变频驱动器(VFD),它可以根据工作量调整泵的转速。这比在泵出口安装阀门来限制流量要有效得多。
  • 阀门以压降的形式浪费泵的功率,而VFD则确保泵首先获得正确的功率输入。

准确的负载计算确保了正确的泵容量,而VFD则尽可能高效地使用该容量。

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风机负荷计算
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风扇是通风系统的基石,建立建筑所需的气流。通风系统中的风扇可以根据它们移动空气的方式分为两类:

  • 送风机将空气送入建筑物,造成正压。
  • 排气扇将空气从建筑物中排出,造成负压。

根据通风系统的设计,这两种风扇可以单独使用,也可以组合使用。建筑规范要求在厨房和卫生间等产生大量空气污染的房间安装排气扇。

通风系统的容量以每分钟立方英尺(CFM)或每小时换气次数(ACH)为单位。当在CFM中指定气流时,数量不取决于通风空间,因为立方英尺和分钟都是固定单位。但是,ACH的定义随室内空间尺寸的变化而变化。例如,大型会议厅中的5 ACH气流比小型办公室中的5 ACH气流高得多。

ASHRAE提供了两种计算机械通风负荷的方法,即通风速率程序(VRP)和室内空气质量程序(IAQP)。

VRP使用由ASHRAE通过实验确定的气流表,为每种类型的室内空间找到最佳的通风率。VRP费率考虑三个主要因素:

  • 通风空间的用途:教室、办公室、餐厅、仓库等。
  • 建筑面积:假设占用分类相同,则更大的空间需要更多的通风以保持空气质量。
  • 居住人数:例如,一个完整的办公室需要更多的通风,比一个同等大小的办公室,只有25%的人。

VRP不要求直接监测空气污染物。ASHRAE已经完成了这项任务,为每种类型的室内空间找到了最佳气流速率。然而,采用VRP设计的通风系统有一个关键的限制——它们不能对空气污染的突然增加做出反应。

IAQP是基于直接控制空气污染物,而不使用VRP中规定的气流值。这为通风系统的设计提供了更大的灵活性,整个过程可以总结为三个主要步骤:

  • 识别建筑物内所有可能存在的空气污染物。
  • 根据世界卫生组织或美国环保署等可靠来源,确定每种污染物的最高浓度。
  • 指定一个通风系统,该系统提供足够的气流,使所有污染物保持在各自的阈值以下。

许多建筑规范规定VRP是强制性的,因为它使用ASHRAE规定的气流速率,而不是IAQP的开放式设计方法。但是,这两种方法可以结合起来使用设计符合建筑规范的通风系统,改善室内空气质素。

空气管的计算

除了找到室内空间的最佳气流和风扇容量外,暖通空调工程师还必须设计足够的风道。与其他机械安装一样,正确的风管尺寸以最佳成本提供所需的性能。

  • 风管体积庞大,使用大量的金属片。超大的风管非常昂贵,而且它们占用的空间可以用于其他建筑系统。
  • 管道尺寸过小限制了气流,通风系统可能无法提供规范要求的气流。导管过小也会产生噪音,引起不适和注意力分散。

优化风道的布局非常重要,无论其大小如何。理想情况下,风管应完全覆盖建筑物内部,同时尽量减少使用的总长度。考虑到每增加一英尺管道工程,项目成本就会增加。

确定风管尺寸时,机械载荷计算非常重要,因为第一步是知道它们必须携带多少空气。反过来,风管布局会影响所需的风扇容量:较长的风管会产生更高的气流阻力,需要更多的风扇功率。换言之,由于风机耗电较多,规划不当的风管布局会降低能效。

液体循环加热的管道的计算

风管可以在水平距离上有效地输送空调空气。然而,在浪费能源的同时,垂直移动空调是不切实际的。暖通空调工程师通常在高层建筑中使用循环管道;将热水或冷水泵送至上层楼层比试图垂直移动空气要有效得多。

与风管一样,找到合适的管道容量是设计过程中的一个重要步骤。过大的管道价格昂贵,同时也大大增加了必须由泵输送的水量。另一方面,尺寸过小的管道限制了流量,无法向风机盘管输送足够的水。

循环管的容量取决于单个风扇盘管所需的加热和冷却输出。反过来,循环管道中的水流决定了泵系统的工作量。

循环回路的数量取决于暖通空调的设计。一些系统有一个单一的回路,这意味着所有的风机盘管必须在相同的模式下运行——空间供暖或空调。另一方面,其他的循环系统有冷冻水循环和热水循环,允许在一些区域冷却和在其他区域加热。最后,如果系统使用水冷式冷水机组,在冷水机组和冷却塔之间还有另一个管道回路。

消防系统中的机械荷载计算

消防系统被建筑规范分开处理,它们的设计要求被NFPA标准广泛覆盖。然而,从工程的角度来看,许多消防系统可以被认为是机械安装。以下是一些例子:

  • 消防泵
  • 那硕大
  • 自动喷水装置
  • 喷水灭火系统升压泵
  • 烟雾控制系统
  • 火灾后烟气净化系统

当其他建筑系统出现故障时,它们通常会造成不便或中断。另一方面,如果消防系统没有正确应对,后果可能包括生命损失和大规模财产损失。

在设计消防系统时,机械载荷的计算也很重要。例如,消防泵和喷淋增压泵必须在火灾紧急情况下提供足够的压力和流量。同时,防烟系统必须有足够容量的风扇来排除烟雾,特别是在楼梯和建筑物出口等关键区域。

能源效率在机械设计中的重要性

在大多数建筑中,机械系统占能源消耗的最大份额。由于机械装置具有难以修改的大型和重型部件,MEP工程师建议从一开始就采用节能措施。


特别是,暖通空调系统的节能措施具有最大的节能潜力。在大多数住宅和商业建筑中,供暖和制冷设备消耗的能源比所有其他设备的总和还要多。高效的暖通空调设计可以实现与高性能建筑围护结构的协同作用,减少冬季热量损失和夏季热量增加。

自动化可以大大提高机械系统的能源效率。楼宇自动化系统(BAS)可以实时监控楼宇需求,优化空气处理器、泵送系统、空调和空间加热器的运行。

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