關(guān)于高層建筑空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的分析

信息產(chǎn)業(yè)電子第十一設(shè)計(jì)研究院科技工程股份有限公司深圳分公司 深圳市 518040

摘要：設(shè)計(jì)質(zhì)量關(guān)系到中央空調(diào)系統(tǒng)最終使用效果，本文主要介紹近幾年來建筑空調(diào)設(shè)計(jì)單位在承接高層辦公樓設(shè)計(jì)中所采用的一些新設(shè)計(jì)方法，并介紹了空調(diào)自控設(shè)備的應(yīng)用，可供從事中央空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員參考。

關(guān)鍵詞：高層建筑；空調(diào)系統(tǒng)；優(yōu)化；空調(diào)負(fù)荷；設(shè)計(jì)

引言

空調(diào)能夠在局部范圍內(nèi)，改善生活環(huán)境，使人們得到相對舒適的工作或生活環(huán)境。影響空調(diào)的質(zhì)量和使用效果的因素有很多，但首要影響因素應(yīng)該是設(shè)計(jì)質(zhì)量?？照{(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的好壞直接關(guān)系到建筑物建成后的使用功能，對系統(tǒng)運(yùn)行管理、維修都有很大關(guān)系。超高層建筑體型巨大，功能復(fù)雜，容納人員眾多，投資十分龐大。超高層建筑絕不是普通建筑的拉伸或簡單疊加，在一般建筑物中的一般問題，到了超高層建筑中都可能成為特殊問題，做出特殊處理辦法。

1.工程概況

某高層建筑，用地面積22100萬㎡。裙房及附樓共4層，1～4樓為商業(yè)用途；5樓為避難層，兩座大樓標(biāo)準(zhǔn)層（6～25層）辦公，大樓1～25層各房夏季設(shè)置有空調(diào)，6～25層塔樓標(biāo)準(zhǔn)層辦公冬夏季均設(shè)置冷暖空調(diào)。

2.變風(fēng)量空調(diào)方式的應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)

2.1用全空氣方式取代了水——空氣方式的風(fēng)機(jī)盤管，從而從根本上杜絕了凝結(jié)水滴漏的可能性。

2.2它不同于一般的全空氣方式的空調(diào)系統(tǒng)，前者利用吊頂空調(diào)作回風(fēng)室，基本上可省去回風(fēng)管，而且一次風(fēng)可采用低溫送風(fēng)，溫度可以較低，因而一次風(fēng)量可減少，從而可縮小送風(fēng)干管的截面尺寸。

2.3與一般全空氣方式的多區(qū)系統(tǒng)不同，可實(shí)現(xiàn)各分區(qū)的獨(dú)立的溫度控制，從而改善室內(nèi)溫度分布狀態(tài)，并且可節(jié)能。

2.4可適應(yīng)辦公室隔間的變化，因?yàn)轱L(fēng)機(jī)混合箱的安裝部位及回風(fēng)口的位置均與其下面的隔墻無關(guān)，即使要改變送風(fēng)口位置，也只需調(diào)整送風(fēng)軟接管的走向即可。

2.5當(dāng)然，這種系統(tǒng)也有其不足之處。首稱，在冬季，由于內(nèi)區(qū)需供冷，周邊區(qū)需供暖，周邊區(qū)的一次風(fēng)需要冷卻后再進(jìn)行加熱，這顯然構(gòu)成了能源的浪費(fèi)。其次，在多數(shù)情況下，其造價(jià)要高于一般的風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)。

3.空調(diào)水系統(tǒng)的分區(qū)

本項(xiàng)目水系統(tǒng)的分區(qū)采用按水系統(tǒng)壓力分區(qū)和按承擔(dān)空調(diào)負(fù)荷的性質(zhì)分區(qū)。

3.1按壓力分區(qū)。在空凋水系統(tǒng)中，由于機(jī)械制造的原因，各種設(shè)備及附件的工作壓力是有一定限制的，國產(chǎn)附件如閥門等的壓力等級(jí)一般有0.6MPa、1.OMPa、1.6MPa、2.5MPa、4.0MPa等，設(shè)備的壓力等級(jí)一般分為0.8MPa、1.2MPa、1.6MPa.2.OMPa.2.5MPa等。從附件的制造來看，當(dāng)工作壓力達(dá)到2.5MPa以上時(shí)，其造價(jià)將成倍上升。設(shè)備的工作壓力達(dá)到2.0MPa以上時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)類似的情況。另外，普通焊接鋼管的壓力等級(jí)一般也是2.0MPa。為了減少投資及減少對建筑本身的影響，空調(diào)系統(tǒng)通常以1.6MPa作為工作壓力劃分的界限，即在設(shè)計(jì)時(shí)，使水系統(tǒng)內(nèi)所有設(shè)備和附件的工作壓力都處于1.6MPa之下?？紤]到水泵揚(yáng)程大約40m左右，因此，水系統(tǒng)的靜壓應(yīng)在120m以下，對于目前的建筑來說，這相當(dāng)于大約室外高度100m左右的建筑（地下室-10m左右）。當(dāng)建筑高度較高，使得水靜壓大于1.2MPa時(shí)，水系統(tǒng)宜按豎向進(jìn)行分區(qū)以減少系統(tǒng)內(nèi)的設(shè)備承壓。

3.2按負(fù)荷性質(zhì)分區(qū)。負(fù)荷性質(zhì)本身包括兩個(gè)主要方面，即使用特性和固有特性，本項(xiàng)目用使用特性的負(fù)荷性質(zhì)分區(qū)。

從使用性質(zhì)上看，主要是各區(qū)域在使用時(shí)間、使用方式上有較大的區(qū)別，這一點(diǎn)在綜合性建筑中較為明顯，如酒店建筑中的客房與公共部分，辦公建筑中的辦公室與公共部分等等。公共部分本身像餐飲、商場、娛樂等在使用時(shí)間上也存在一定的區(qū)別。

優(yōu)勢是可以各區(qū)獨(dú)立管理，不用時(shí)可以最大限度的節(jié)省能源，靈活方便。從高層建筑來看，通常在公共部分與標(biāo)準(zhǔn)層之間都有明顯的建筑形式轉(zhuǎn)換，以此轉(zhuǎn)換處分區(qū)既對豎向分區(qū)有利，也對使用方式上的分區(qū)有利，是一種較好的方式。但這一分區(qū)通常要求設(shè)一個(gè)分區(qū)轉(zhuǎn)換建筑層（有時(shí)也稱為設(shè)備層），它將對建筑形式尤其是投資產(chǎn)生較大的影響，應(yīng)認(rèn)真比較后才能確定。一般來說，對于上部為客房，下部為公共區(qū)域的高層酒店而言，由于排水管道等的布置也會(huì)要求有設(shè)備層，因此這時(shí)空調(diào)水系統(tǒng)的分區(qū)是可以與之一起考慮的。但對于一些辦公式建筑，如果高度不大，單為空調(diào)專業(yè)設(shè)置設(shè)備層是不經(jīng)濟(jì)的，因此，此時(shí)通常是分為不同的環(huán)路而不是真正的從壓力上分開。

4.優(yōu)化模型的建立

4.1目標(biāo)函數(shù)的建立

常見的水冷壓縮式空調(diào)系統(tǒng)中，空調(diào)系統(tǒng)能耗一般包括三部分，即1冷水機(jī)組；2冷卻泵和冷水泵；3末端裝置。這三部分能耗中，冷熱源能耗約占總能耗的二分之一左右，冷凍水水泵，冷卻水水泵，冷卻塔風(fēng)機(jī)的耗電量約占整個(gè)能耗的四分之一，本文以給定制冷量時(shí)冷卻水泵。冷水泵和冷水機(jī)組總的能耗最小為目標(biāo)函數(shù)，選取便于控制的冷卻水流量率和冷水出口溫度兩個(gè)參數(shù)做為優(yōu)化數(shù)學(xué)模型的獨(dú)立變量。

4.2約束條件

空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)化就是在給定的外部條件下，適當(dāng)?shù)剡x擇能耗目標(biāo)函數(shù)中的各個(gè)獨(dú)立變量，使系統(tǒng)總能耗也就是目標(biāo)函數(shù)的值最小。但一般的，目標(biāo)函數(shù)中的各個(gè)獨(dú)立參數(shù)必須滿足一定的關(guān)系式或條件，也就是約束條件。

4.3制冷量約束

影響表冷器熱工性能的因素有很多，包括表冷器內(nèi)部結(jié)構(gòu)！空氣入口溫濕度！冷水供水溫度，風(fēng)量，水流量，排數(shù)等。當(dāng)送風(fēng)量，冷水流量一定時(shí)=對給定的表冷器，制冷量只與冷水供水溫度有關(guān)，那么當(dāng)表冷器的送風(fēng)量不變時(shí)，要滿足用戶需冷量的要求，符合率與冷水出口溫度必須滿足。

4.3冷凝壓力約束

制冷裝置運(yùn)行時(shí)，冷凝壓力對系統(tǒng)性能有很大影響。當(dāng)冷凝壓力偏高=壓縮比增大，容積效率減小，制冷量減小，耗功率增，排氣溫度升高；冷凝壓力過低時(shí)，膨脹閥前后壓差太小，膨脹閥容量減小導(dǎo)致供液能力不足，系統(tǒng)制冷量大幅度下降，因此，必須將冷凝壓力控制在合理的范圍之內(nèi)，才能充分保證制冷裝置的性能。當(dāng)空調(diào)系統(tǒng)已經(jīng)確定時(shí)，冷凝壓力是冷卻水流量率和冷卻水進(jìn)口溫度的函數(shù)，而當(dāng)室外濕球溫度不變時(shí)，冷卻水進(jìn)口溫度變化不大。

4.4蒸發(fā)壓力約束

外界條件變化和符合變化時(shí)，會(huì)引起制冷裝置蒸發(fā)壓力變化。蒸發(fā)壓力的波動(dòng)，會(huì)使被控對象的控制精度降低，蒸發(fā)溫度過低，不僅導(dǎo)致系統(tǒng)能效降低，而且會(huì)導(dǎo)致蒸發(fā)器結(jié)霜、冷凍水凍結(jié)等故障；蒸發(fā)溫度過高，又會(huì)出現(xiàn)壓縮機(jī)過載、除濕功能降低等現(xiàn)象。對于冷水定流量系統(tǒng)冷水出口溫度和蒸發(fā)溫度之差與制冷量成正比例變化，當(dāng)制冷量降低時(shí)，這一溫差也減小。

5.優(yōu)化結(jié)果分析

當(dāng)兩個(gè)優(yōu)化參數(shù)在最佳值運(yùn)行時(shí)，空調(diào)系統(tǒng)的總功率比額定功率明顯下降 25.5%到38.3%不等，節(jié)能效果明顯。優(yōu)化后空調(diào)系統(tǒng)總功率與額定功率關(guān)系可以繪制成如下圖：

圖1 優(yōu)化后空調(diào)系統(tǒng)總功率與額定功率關(guān)系

6.結(jié)束語

空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)質(zhì)量的保證，不僅使建筑物室內(nèi)環(huán)境美化，提高工作效率，同時(shí)還造成能源的大量節(jié)約。為此，作為工程設(shè)計(jì)人員，就要通過經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較，根據(jù)具體情況選擇確定最適合、最經(jīng)濟(jì)、最有效的空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化方案精心設(shè)計(jì)，這樣才能確?？照{(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)質(zhì)量，避免各種問題的出現(xiàn)，為后續(xù)工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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