暖通空调方案设计现状分析
摘要： 认为方案设计是暖通空调设计中最重要、最复杂、难度最大的环节, 而目前又存在较多的问题。其主要原因在于设计管理体制上的某些弊病和缺乏科学的设计方案评价方法。提出应采用寿命周期评价的思想, 综合考虑技术、经济、环境和人文等因素, 对设计方案进行客观的综合评价和优选。
关键词 ：暖通空调 方案设计 现状分析 评价方法
引言
暖通空调关系到千家万户的冷暖, 关系到人们的健康和安全, 关系到工作效率和产品质量, 同时暖通空调还是耗能大户, 其能耗占全国总能耗的 15% 以上[ 1] , 随着我国经济的发展和人民生活水平的提高, 这一比例还在逐年提高。因此暖通空调还关系到国家能源安全、资源消耗和环境污染。一句话, 暖通空调是关系到国计民生和国家可持续发展战略的重要行业。工程设计是影响暖通空调工程质量最重要的一个环节, 暖通空调设计方案直接关系到系统性能特性、能耗、投资和运行费用, 因此方案设计是暖通空调设计工作最重要的环节之一。但是方案设计是目前暖通空调设计工作中问题较多的一个环节, 而且这些问题并没有引起有关方面的足够重视, 这影响到暖通空调设计质量和水平的提高, 因此有必要对目前暖通空调方案设计现状和存在的问题进行一些分析。
1 暖通空调方案设计现状分析
1. 1 方案设计是设计工作最重要的环节
暖通空调设计方案不仅关系到建筑的室内环境参数能否满足使用要求, 而且直接关系到建筑的工程投资、运行能耗和费用、系统可靠性、安全性、调节性能、操作方便性、维护费用、环境影响、人员舒适性、机房面积、建筑层高、建筑美观性等诸多指标参数( 见图 1) 。
图1 暖通空调设计方案的影响指标和关系图
设计方案的问题往往是方向性的问题, 造成的损失通常较大, 而且修改困难、影响时间长, 例如前些年流行一时的分户电热供暖方案, 使供暖的一次能耗和污染排放总量大幅度增加, 如果此类 新 的技术方案得到推广应用, 将造成重大损失。因此方案设计是暖通空调设计工作最重要的一个环节。暖通空调设计方案的 关系户 很多, 确定设计方案时必须从住户、业主、公众、施工、政府相关部门、建筑相关专业等众多方面来
考虑问题, 协调各方面的矛盾关系, 因此它也是最复杂、难度最大的一项设计工作。图 2 是笔者根据长期设计工作实践, 对暖通空调主要设计工作的综合重要性影响因子和工作时间的统计分析结果。需要说明的是, 图中的工作时间分配比例与建筑类型、规模、设计内容、复杂程度、设计师水平等因素有关,各设计院的情况也有差别, 因此仅供参考。从图 2 可以看出方案设计是最重要的一个设计环节。
图 2 暖通空调设计工作分析图
1. 2 方案设计是目前易被忽视的设计环节
由于建筑设计方案直接关系到建筑设计单位在工程设计投标中能否中标, 关系到其效益和生存, 因此它受到了设计院领导等各方的重视, 建筑专业设计人员投入的精力也很大。相比之下, 对于暖通空调设计方案, 有关方面往往重视不够。在大多数情况下, 建筑方案招标设计阶段, 暖通空调专业基本上是 靠边站 , 建筑设计方案评标审查时通常只看重建筑造型方案。暖通空调设计人员对方案设计也往往重视不够, 设计人员在方案设计上花的时间和精力相对较少( 见图 2) , 而将大部分精力放在图纸绘制上。经过长期 训练 , 一部分暖通空调设计人员已经成了 画图匠 。造成这一问题的主要原因是目前设计周期普遍偏短、建筑设计收费和分配体制不合理。在暖通空调方案设计时, 多方案的优化设计和技术创新需要投入的时间和精力通常成倍增加、风险增大、设计周期大幅度增加, 而限于偏短的设计周期, 不可能在方案设计上投入较多的时间和精力; 另一方面, 目前的设计费按总投资( 或建筑面积) 的固定比例来收取, 与设计质量和水平无关, 而且与国外相比明显偏低, 通常不超过工程造价的 3% , 一些国外建筑设计费率为 7% ~ 10% [ 2] ; 目前各专业分配比例对暖通空调专业也很不利, 暖通空调的分配比例平均为总分配值的 10% , 这与目前实际的工作量比例不相称, 从而大大挫伤了暖通空调设计人员进行设计方案优化和技术创新的积极性。
1. 3 暖通空调方案设计是目前问题较多的设计环节
目前在实际设计工作中确定暖通空调设计方案的方法很多, 常用的方法有: 凭经验, 采用惯用的方案; 追求新奇的方案; 采用甲方指定的方案; 采用最经济的方案; 采用最节能的方案; 专家评审法。其中凭经验确定设计方案的方法用得最多, 大约占 60% 以上。尽管设计经验对暖通空调设计具有重要的作用, 但完全依靠经验来确定设计方案的方法也难以适应新技术发展的要求。专家评审法是目前在重要工程项目中常用的、被认为比较科学的方法, 但要求专家在很短的时间里对一些复杂问题作出决断, 往往也是勉为其难, 加之其他一些技术性和非技术性的问题, 这种方法有时也难以达到预期的效果。另外最经济的方案、最节能的方案、最“绿”的方案也未必是最佳可行的方案, 因此这些确定设计方案的方法均存在一些不足。由于设计人员在方案设计上投入精力和时间太少, 加上设计方案评价方法的一些技术难题没有解决, 方案设计成为目前暖通空调设计工作中比较薄弱、问题较多的一个环节, 出现了一些简单化、主观性、片面性、赶时髦、商业炒作、盲目崇洋的问题。由于暖通空调设计方案不当造成的综合损失是巨大的, 影响是长期的。但由于评价手段的落后, 人们往往对此难以察觉, 更谈不上如何优化和改进。
1. 4 暖通空调方案设计的主要技术问题是缺乏科学的设计方案评价方法
暖通空调设计的特点是 条条道路通罗马 , 近年来, 随着对节能和环保要求的不断提高, 新的技术方案大量涌现。每种技术方案往往都有各自的优缺点, 面对众多的设计方案, 由于考虑问题的角度不同, 各方的评价结果往往各不相同, 甚至大相径庭; 由于缺乏科学的、客观的设计方案评价方法,设计人员往往是雾里看花、无所适从。如何在众多的设计方案中找出最合适的方案, 这是长期困扰暖通空调设计人员的重要课题。现行暖通空调设计规范[ 3] 中有十多处提到应通过技术经济性比较来确定具体的设计方案, 但关于应如何评价比较, 设计人员却找不到答案。这就需要为设计人员提供一双 慧眼 科学的设计方案评价方法, 使真正优秀的设计方案能够为设计人员所认识和采用, 使设计人员能够发现最合适的技术方案, 避免失误而造成损失。另一方面, 不科学的评价方法则会起到误导的作用, 造成严重损失。
2 暖通空调设计方案的评价方法分析
2. 1 设计方案评价方法的主要问题是评价体系不完整
目前在暖通空调设计方案比较评价时, 单项评价做得较多, 尤其集中在经济性和节能性等定量参数上。依据单项评价结果进行方案选择, 其结果往往是 盲人摸象 , 从不同的评价指标出发可以得出完全不同的评价结果。任何单项评价, 尽管可能做得十分完美, 但都不可能找出最合适的设计方案,并有可能发生误导。
2. 2 评价体系不完整的主要体现
2.2. 1 评价空间不完整
目前一些设计方案评价方法通常只对少数几个指标进行评价, 但暖通空调系统是一个众多影响参数和众多目标参数相互影响、相互制约的高维复杂系统, 方案设计时暖通设计师必须站在建设方、业主、用户、操作管理方、公众、环保局、消防局、建筑师等角度来考虑问题, 综合协调各方面的矛盾关系, 综合考虑技术、经济、环境、人文等因素。只有结合具体的设计条件和要求, 对设计方案的可行性、经济性、节能性、可靠性、可控性、可维护性、安全性、舒适性、美观性、环境影响等指标进行全面客观的评价比较, 才是找出最佳设计方案的必由之路。
2.2. 2 评价时域不完整
当前的一些设计方案评价体系没有采用寿命周期评价( life cy cle assessment, LCA ) 的观点。
例如, 能耗评估通常只考虑设备运行阶段的能耗,没有考虑设备材料生产、运输、安装、维护、回收等阶段的能耗。能耗计算时, 没有考虑间歇运行因素的影响, 或仅按运行时间比例来计算间歇运行能耗, 造成了较大的计算误差。在经济性分析方面,投资通常只考虑建设期系统设备材料的购置费, 较少考虑设备的寿命和更新费用, 以及运输费、安装费、管理费等。
2. 3 暖通设计方案综合评价决策方法
为了解决单项评价存在的问题, 不少学者进行了暖通空调设计方案综合评价决策方法的研究。暖通空调设计方案的综合评价优选是典型的多属性决策问题, 近年来国内在这方面形成了一个研究热点, 但呈现出国内热、国外冷, 研究多、应用少的现象。目前在研究中采用的综合评价方法很多, 如线性加权法、理想点法[ 4] 、层次分析法[ 5~ 6] 、价值工程法[ 7~ 8] 、灰色关联评价法[ 9~ 10] 、模糊综合评价法[ 11~ 12] 、智能决策支持系统[ 13~ 14] 等。其中线性加权法是一种最基本的方法, 其他方法都采用了线性加权的原理。层次分析法是应用最多的一种方法,该方法本质上是一种主观赋权法。这些方法本质上差别都不大, 都是在单项评价的基础上采用权重进行综合。目前对可靠性、安全性、美观性、维修性、环境影响等指标的评价研究较少。这些指标主要采用专家( 或评价者) 比较打分的 模糊 评价方法进行量化评价, 因此其主观成分较大。
由于评价指标的权重对暖通空调设计方案综合评价结果有重要的影响, 因此评价指标权重的确定对于设计方案综合评价来说是至关重要的。目前评价指标权重通常采用主观法、客观法和主客观法三种方法来确定。主观法是目前最常用的方法,它是采用专家咨询的方法来确定权重, 如 Delphi 法等。这种方法的实质是将困难推给专家, 由专家来拍脑袋, 因此其问题也是明显的。其结果取决于咨询专家的学识、知识结构、对问题的熟悉程度、职业道德水平等众多的不确定因素, 而且对于众多不具可比性的评价指标, 即使是专家权威也很难在短时间内 拍 出相互之间重要性的合理定量评价结果。由于这种打分比较的方法缺乏客观性、物理意义不明确, 而且很难考虑具体的设计条件和设计要求对权重的影响, 因此评价结果往往缺乏公信力。客观法是通过评价指标的敏感性比较分析来确定评价指标的权重, 最常用的是信息熵法, 该方法认为越敏感的指标越重要, 其权重就越大。这种将指标敏感性与其重要性等同的方法显然也不尽合理。主客观法是将主观法和客观法的结果综合在一起,这会产生如何综合的问题, 由此又出现了权重的主观性问题。总之, 目前的一些暖通空调设计方案综合评价方法, 采用权重的方法进行多指标综合评价决策, 与单指标评价决策法相比是一种进步, 但仍然存在评价指标体系不够完整、一些指标评价和权重的确定主观性强等问题, 评价结果往往各不相同、公信度不高, 尽管研究的文章较多, 但在实际设计工作中应用较少。
3 对提高暖通空调方案设计水平的一些思考
由于日益增大的人口、资源和环境压力, 使我们只能走自己的可持续发展之路, 而不能照搬欧美的一些经验。可持续发展、绿色建筑、生态建筑等已经成为建筑行业十分流行的词汇。建筑设计正在从单纯重视建筑美观性、视觉冲击力到综合考虑经济性、安全性、美观性、人居环境质量、能源和资源消耗、环境影响转变, 这有利于提高暖通空调专业的地位, 但同时对暖通空调设计也提出了越来越高的要求。这将促使暖通空调设计经历一系列的转变: 从重视施工图绘制到重视方案设计转变; 从单纯考虑满足设计参数要求到综合考虑设计要求、经济性、节能性、安全性、健康舒适性、环境影响等多参数设计转变; 节能等性能参数控制从事后检查处罚向前期设计方案综合性能评估控制转变; 从只重视一次投资和运行能耗向全寿命周期评价转变;
从冬夏季两点典型工况设计方法向全年全工况模拟设计方法转变; 从单专业设计向多专业融合设计转变; 节能设计从只重视技术节能向技术节能、行为节能和管理节能综合节能方向转变; 相应地, 对设计质量和水平的考核重点从图纸出错率向设计综合性能指标评价转变; 设计人员评价指标也从出图量向设计水平和质量转变。概括来说就是向综合性能化设计的方向转变。这些转变将经历一个漫长而艰苦的过程, 它需要设计、科研、院校、行政管理、设备厂家等有关方面共同努力, 加强合作, 踏踏实实做工作, 而不是浮在面上进行概念炒作。设计水平的提高首先必须是设计思想水平的提高, 应从大学专业教育开始灌输新的设计思想。
应从管理和技术两方面入手来解决暖通空调设计方案的问题。在技术方面, 目前暖通空调设计方案评价方法的主要问题是评价体系不完整、定性指标的评价和权重的确定缺乏客观性。没有一个放之四海而皆优的技术方案, 应采用寿命周期评价的观点, 针对具体的设计条件和要求, 对暖通空调设计方案的可行性、经济性、节能性、可靠性、可控性、可维护性、安全性、舒适性、美观性、环境影响等十大评价指标进行综合评价, 以确定最合适的设计方案。应加强对定性指标量化评价方法的研究, 使设计方案评价方法做到科学、透明、客观、公正, 这是评价方法能够进入工程应用的基本要求。多方案综合评价决策的方案设计方法将使方案设计工作量大幅度增加, 这将成为影响其推广应用的一个重要问题, 为此应加强相关方案设计软件的开发研究, 实现暖通空调方案设计软件化、规范化。在设计管理方面, 国家应制定有关法规、设立专门机构加强对建筑方案设计阶段的节能性、经济性、环境影响、安全性等建筑性能指标的评估控制; 在建筑设计评标时, 设计方案的节能性、经济性、环境影响、安全性应作为评标的重要指标; 应改变目前按投资的固定比例来收取设计费的设计管理政策, 将设计方案产生的综合效益与设计费挂钩, 解决暖通空调设计费偏低的问题, 调动暖通空调设计人员进行方案优选和创新的积极性。提高国内建筑设计收费水平, 使国内外设计单位能在公平的条件下进行竞争; 管理部门应制定相应法规保障工程设计的合理设计周期, 使暖通空调设计人员在方案设计阶段投入更多的时间和精力, 这将达到事半功倍的效果。
4 结语
综上所述, 方案设计是暖通空调设计工作最重要、最复杂的一个环节; 要提高我国暖通空调整体设计水平、提高与国外设计公司的竞争力, 首先必须提高暖通空调方案设计水平。但方案设计又是目前常被忽视、投入精力较少、问题较多的设计环节, 这个问题严重制约了我国暖通空调设计质量和水平的提高, 因此亟待解决。目前的一些暖通空调设计方案综合评价方法, 存在评价指标体系不够完整、评价方法主观性较强等问题, 评价结果公信度不高, 亟待改进。提高暖通空调方案设计水平是一个复杂的系统工程, 需要设计、科研、院校、行政管理、设备厂家等有关方面共同努力。设计人员首先必须树立综合设计思想, 提高思想认识水平、增强紧迫感, 在这方面任重而道远。最后需要说明的是, 各设计院、各设计人员之间方案设计水平的差别较大, 这也是我国暖通空调设计现状的一个重要特点, 一些大的设计院在提高暖通空调方案设计水平方面做了大量的工作, 也有许多好的经验。本文只是对目前暖通空调方案设计总体现状和一般情况做一些粗浅的分析, 希望本文能起到抛砖引玉的作用, 使更多的人来关注和研究暖通空调方案设计的问题, 以提高我国暖通空调的整体方案设计水平和竞争力。
