基于辦公建筑空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)的分析

金鏑飛

深圳市口岸管理服務(wù)中心 廣東深圳 518000

摘要：隨著社會(huì)的發(fā)展，能源和環(huán)境問題日益尖銳，暖通空調(diào)所占用的建筑能耗必將占據(jù)更高的比例。人們?yōu)榱耸沟门照{(diào)系統(tǒng)的節(jié)能效果得到進(jìn)一步的提高，也將許多節(jié)能技術(shù)應(yīng)用到其中。本文結(jié)合辦公建筑工程，對(duì)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)的分析，為類似工程提供了一定的參考。

關(guān)鍵詞：辦公建筑；空調(diào)；節(jié)能設(shè)計(jì)

1 工程概況

本工程總建筑面積為126015m2，建筑物的總高為206m，大樓分為北塔樓（9層）及南塔樓（37層）。本工程空調(diào)面積為58880m2，夏季空調(diào)計(jì)算冷負(fù)荷為8056 kW。大樓內(nèi)專用設(shè)備需要24h不間斷供應(yīng)冷水，該部分負(fù)荷由業(yè)主確定為1758kW（500rt）。故整體夏季設(shè)計(jì)最大冷負(fù)荷為9700kW（2760rt）。本工程冬季空調(diào)計(jì)算熱負(fù)荷3360 kW。

2 節(jié)能技術(shù)和措施

2.1冰蓄冷

冷源采用單級(jí)泵閉式蓄冷的冰蓄冷系統(tǒng)，為主機(jī)上游的串聯(lián)流程，機(jī)房位于南塔樓地下4層。冷源系統(tǒng)共設(shè)有4臺(tái)1758kW（500 rt）的電動(dòng)螺桿式冷水機(jī)組，其中3臺(tái)為雙工況機(jī)組，另外1臺(tái)為基載單工況機(jī)組。同時(shí)還設(shè)有1臺(tái)703kW（200rt）的電動(dòng)螺桿式地源熱泵機(jī)組?？傃b機(jī)制冷量為7735kW（2200rt）。冷源系統(tǒng)還設(shè)有箱體式不完全凍結(jié)式盤管蓄冰裝置，總蓄冰量為26897 kWh（7650 rt·h）。

冰蓄冷系統(tǒng)可以減少冷水機(jī)組的裝機(jī)總?cè)萘?，相?yīng)減少配電總?cè)萘浚瑫r(shí)利用夜間低谷電價(jià)降低整體運(yùn)行費(fèi)用。

2.2水蓄熱

采用常壓型電熱水鍋爐生產(chǎn)的蓄熱水作為空調(diào)熱源，機(jī)房位于南塔樓地下1層。熱源系統(tǒng)共設(shè)有2臺(tái)1 800 kW的常壓型電熱水鍋爐，同時(shí)還設(shè)有2個(gè)有效容積為300 m3的蓄熱水箱。電熱水鍋爐在夜間電價(jià)谷時(shí)段（22：00至次日6：00）運(yùn)行，可將熱水加熱至90℃，并儲(chǔ)存熱量于蓄熱水箱內(nèi)供次日白天使用。設(shè)計(jì)采用全量蓄熱的形式，可保證設(shè)計(jì)日白天正常供熱時(shí)不開電鍋爐。由于電鍋爐夜間運(yùn)行（類似于夏季夜間蓄冰），本身并不占用配電的總?cè)萘俊?/p>

相對(duì)于常規(guī)的燃?xì)忮仩t，電鍋爐水蓄熱系統(tǒng)為常壓系統(tǒng)，沒有防爆、泄壓、專用疏散通道等要求，也無需設(shè)置煙囪和煙囪井道。雖然電鍋爐水蓄熱系統(tǒng)需要占用水箱空間，但整體對(duì)建筑空間的占用反而小于燃?xì)忮仩t系統(tǒng)，同時(shí)其具體的布置位置也不受安全要求的限定，自由度較高。

對(duì)于常規(guī)燃?xì)鉄崴仩t，目前的燃?xì)鈨r(jià)格為3.99元/m3，其熱值為35 564 kJ/ m3（8500kcal/m3），鍋爐效率按0.9考慮，則其單位熱量的價(jià)格為0.449元/（（kW·h）。對(duì)于電鍋爐水蓄熱系統(tǒng)，鍋爐效率幾乎可以認(rèn)為是10000，系統(tǒng)效率按0.95考慮（主要考慮蓄熱裝置熱損失）。就運(yùn)行費(fèi)用而言，其單位熱量的價(jià)格為0.344元/（kW·h）。電鍋爐蓄熱相對(duì)于燃?xì)忮仩t有較大的優(yōu)勢(shì)。

2.3地源熱泵

該機(jī)組可在夏季與冰蓄冷系統(tǒng)并聯(lián)對(duì)大樓供冷，冬季也可參與蓄熱和供熱。該機(jī)組參與蓄熱工況時(shí)的設(shè)計(jì)額定供回水溫度為60℃/52℃，其與板式換熱器換熱后的溫度仍高于水箱的蓄熱起始溫度，可與電熱水鍋爐串聯(lián)運(yùn)行。水箱的出水先通過板式換熱器提升溫度后再經(jīng)電鍋爐進(jìn)一步加熱至90℃，這樣就可以減少電鍋爐的運(yùn)行負(fù)荷，從而減少整體蓄熱耗電量。冷熱源系統(tǒng)原理示意圖詳見圖1，2。

與地源熱泵機(jī)組配套的地下?lián)Q熱埋管采用樁基敷設(shè)的形式，考慮到埋管的安全承壓因素，在地下埋管和地上管道之間設(shè)有隔離壓力的板式換熱器。

受地源熱泵運(yùn)行所需水流量的限定，供熱時(shí)該機(jī)組的設(shè)計(jì)選型額定供回水溫度為50℃/42℃，無法與系統(tǒng)的52℃/39℃匹配并聯(lián)運(yùn)行，故采用在回水總管上串接旁路的形式。實(shí)際運(yùn)行時(shí)，在回水總管上游端抽出部分水量供機(jī)組運(yùn)行，由機(jī)組加熱后再與回水總管下游端混合，如此可提升回水的整體溫度（理論值約為42℃），之后再通過蓄熱水箱板式換熱器進(jìn)一步將水溫提升至系統(tǒng)供水所需溫度。由于該地源熱泵機(jī)組的裝機(jī)容量占比很小，故其夜間蓄熱或日間供熱運(yùn)行時(shí)都無需控制其對(duì)水溫的提升量，只需滿載運(yùn)行即可。

2.4冷卻塔免費(fèi)冷源

冷源機(jī)房?jī)?nèi)同時(shí)設(shè)置了2臺(tái)板式換熱器，布置于冷卻水系統(tǒng)和冷水系統(tǒng)之間。在冬季，當(dāng)室外氣溫較低時(shí)（實(shí)際運(yùn)行時(shí)可調(diào)整介入條件），冷水機(jī)組停止運(yùn)行，該板式換熱器投入運(yùn)行，利用冷卻塔的冷卻能力產(chǎn)生較低溫度的冷水供系統(tǒng)使用，從而降低運(yùn)行能耗。

注：冰蓄冷、電蓄熱、地源熱泵、冷加塔等內(nèi)部閥門為常規(guī)設(shè)置、V4見圖2

圖1 冷源系統(tǒng)原理圖

注：冰蓄冷、電蓄熱、地源熱泵、冷加塔等內(nèi)部閥門為常規(guī)設(shè)置、V3見圖1

圖2 熱源系統(tǒng)原理圖

2.5冷卻塔風(fēng)機(jī)可調(diào)

本工程的冷卻塔控制采用總量控制的方式，當(dāng)部分冷水機(jī)組開啟時(shí)也運(yùn)行所有冷卻塔。此時(shí)，由于部分水量流經(jīng)了所有的冷卻塔，其實(shí)際換熱效果好于額定工況，這樣有可能在降低風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速減少強(qiáng)制通風(fēng)時(shí)也能滿足塔體的出水溫度，從而減少風(fēng)機(jī)能耗。當(dāng)負(fù)荷過小，冷卻塔所有風(fēng)機(jī)停運(yùn)但出塔水溫仍然過低時(shí)，關(guān)閉部分冷卻塔的水流通道。本工程設(shè)有4臺(tái)冷卻塔，采用雙速風(fēng)機(jī)也能達(dá)到較精細(xì)的級(jí)差控制，可避免采用高成本的變頻控制。

2.6大溫差供回水

空調(diào)冷水系統(tǒng)采用7℃的大溫差供回水，其設(shè)計(jì)溫度為5℃/12℃。相對(duì)于一般的5℃溫差，系統(tǒng)水流量減少，其管路上的水流輸送能耗理論上減少28.5700。與冷水機(jī)組配套的冷卻水系統(tǒng)同樣采用7℃的大溫差供回水，其設(shè)計(jì)溫度為32℃/39℃。

空調(diào)熱水系統(tǒng)采用13℃的大溫差供回水，其設(shè)計(jì)溫度為52℃/39℃。相對(duì)于一般的10℃溫差，同樣減少了系統(tǒng)水流量。為進(jìn)一步降低管道流速、減少摩擦阻力損失，在設(shè)計(jì)管道時(shí)適當(dāng)增加管徑（具體計(jì)算時(shí)按照10℃溫差的流量配管）。這樣，管路上輸送能耗理論上減少[1÷ 10-1÷13×（10/13）2）]一（1/10）=54.48%。

雖然該水系統(tǒng)龐大復(fù)雜，但通過上述措施還是能夠滿足節(jié)能規(guī)范中對(duì)輸送能效比的限定要求。

2.7水系統(tǒng)分區(qū)

該大樓地下4層地板標(biāo)高為-18.75 m，地上37層樓面標(biāo)高為182.50 m，其中5，20，36層分別為避難層及設(shè)備用房，其標(biāo)高分別為19.50，96.30，179.20m。

該空調(diào)水系統(tǒng)的總使用高差約為200 m，如采用“一泵到底”的做法，其設(shè)備和管道承壓級(jí)別要達(dá)到2.5MPa，這勢(shì)必會(huì)帶來管道及其連接上的安全可靠性問題，同時(shí)也會(huì)大大增加機(jī)組、水泵、板式換熱器和管道配件等的造價(jià)。根據(jù)該大樓的實(shí)際情況，空調(diào)系統(tǒng)分成高低兩個(gè)區(qū)，其換熱設(shè)備位于20層，低區(qū)系統(tǒng)的凈高為124.1m，設(shè)計(jì)確定其定點(diǎn)壓力為1.4MPa；高區(qū)系統(tǒng)凈高為86.2m，其定點(diǎn)壓力為1.1 MPa。

低區(qū)直接采用冷熱源系統(tǒng)供水，其冷熱水的供回水溫度分別為5℃/12℃和52 ℃/39℃?？紤]板式換熱器的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，設(shè)計(jì)采用冷水1.5℃和熱水2℃的換熱溫差，故高區(qū)的供回水溫度分別為6.5℃/13.5℃和50℃/37℃。

2.8水系統(tǒng)變流量調(diào)節(jié)

空調(diào)冷水采用二級(jí)泵供水系統(tǒng)，同時(shí)在高區(qū)換熱后再設(shè)二次泵。其中低區(qū)一級(jí)泵對(duì)應(yīng)冷水機(jī)組和冰蓄冷板式換熱器，為保證冷水機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行，水泵為定流量運(yùn)行，僅作臺(tái)數(shù)啟停控制。針對(duì)普通空調(diào)的高低區(qū)系統(tǒng)和24 h專用供冷系統(tǒng)，共設(shè)置3套二級(jí)泵，其中普通空調(diào)所用的2套各設(shè)3臺(tái)水泵（兩用一備），24 h專用供冷所用的1套設(shè)2臺(tái)水泵（一用一備）。普通空調(diào)的高區(qū)換熱采用2臺(tái)板式換熱器，設(shè)置3臺(tái)高區(qū)二次泵，兩用一備。24 h專用供冷的采用1套供回水管路，其低區(qū)用戶在使用的同時(shí)供應(yīng)高區(qū)系統(tǒng)的換熱，高區(qū)換熱采用2臺(tái)板式換熱器（一用一備），配置2臺(tái)高區(qū)二次泵，一用一備。對(duì)于低區(qū)二級(jí)泵和高區(qū)二次泵，分別在系統(tǒng)最不利端設(shè)置壓差傳感器，在負(fù)荷變化改變水量需求時(shí)通過變頻調(diào)節(jié)水泵來保證最不利端資用壓差的恒定，從而達(dá)到節(jié)能的效果。

由于空調(diào)熱源由蓄熱水箱通過板式換熱器換熱而得，故熱水采用一級(jí)泵變流量系統(tǒng)，同時(shí)在高區(qū)換熱后再設(shè)二次泵，其變頻調(diào)節(jié)控制同冷水的低區(qū)二級(jí)泵和高區(qū)二次泵。

2.9變風(fēng)量全空氣空調(diào)

大樓中的聯(lián)廊、銀行家俱樂部和標(biāo)準(zhǔn)層辦公區(qū)均采用變風(fēng)量（VAV）全空氣空調(diào)系統(tǒng)，其VAVBOX均采用無風(fēng)機(jī)單風(fēng)道的形式，并采用變靜壓控制方式。

對(duì)于聯(lián)廊和銀行家俱樂部采用統(tǒng)一不分內(nèi)外區(qū)的共用VAV系統(tǒng)，該系統(tǒng)夏季供冷、冬季供熱。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)層辦公，則采用了內(nèi)外分區(qū)、分設(shè)2個(gè)VAV系統(tǒng)的形式，內(nèi)區(qū)常年供冷，外區(qū)夏季供冷、冬季供熱，從而進(jìn)一步提高舒適性。

由于標(biāo)準(zhǔn)層機(jī)房的空間非常狹小，實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)將2個(gè)系統(tǒng)合并在1臺(tái)空調(diào)箱內(nèi)。該空調(diào)箱采用無蝸殼風(fēng)機(jī)，并設(shè)置在空調(diào)箱前端，之后再分設(shè)2個(gè)處理風(fēng)道，其間分別設(shè)置冷熱盤管和加濕器，從而達(dá)到一機(jī)兩用的功能。這樣就避免了常規(guī)1臺(tái)空調(diào)箱處理到內(nèi)區(qū)狀態(tài)、外區(qū)再由VAV BOX二次加熱的做法，達(dá)到節(jié)能的效果。標(biāo)準(zhǔn)層空調(diào)箱構(gòu)造圖詳見圖3。

圖3標(biāo)準(zhǔn)層空調(diào)箱構(gòu)造圖

2.10排風(fēng)熱回收

對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)層辦公區(qū)，其2臺(tái)集中處理的新排風(fēng)空調(diào)箱設(shè)置在20層設(shè)備間內(nèi)，分別對(duì)應(yīng)上下兩段。

該空調(diào)箱實(shí)際上是新風(fēng)空調(diào)箱和排風(fēng)風(fēng)機(jī)箱的組合，其內(nèi)部除設(shè)有新風(fēng)預(yù)熱盤管之外，還設(shè)置了1個(gè)全熱回收轉(zhuǎn)輪，通過它可回收部分排風(fēng)能量，降低空調(diào)負(fù)荷，減少能耗。新排風(fēng)通道在轉(zhuǎn)輪旁側(cè)各設(shè)置了1個(gè)風(fēng)閥，平時(shí)空調(diào)季節(jié)關(guān)閉該閥，保證轉(zhuǎn)輪的熱回收功能；過渡季節(jié)則開啟該閥，減少轉(zhuǎn)輪的流通阻力，降低風(fēng)機(jī)的運(yùn)行能耗。

2.11可變新風(fēng)量

對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)層新排風(fēng)系統(tǒng)，在每層均設(shè)有電動(dòng)可調(diào)的定風(fēng)量控制風(fēng)閥（CAV），同時(shí)集中新排風(fēng)空調(diào)箱內(nèi)的風(fēng)機(jī)采用了定靜壓控制，變頻調(diào)速，降低運(yùn)行能耗。

設(shè)計(jì)還采用了可變新風(fēng)量的措施，避免不必要的空調(diào)負(fù)荷，減少能耗?？紤]到實(shí)際控制時(shí)為避免系統(tǒng)振蕩失控和新排風(fēng)量不易平衡，故設(shè)計(jì)采用了CAV高低兩擋的控制方式，其值可根據(jù)新排風(fēng)量的差值需要預(yù)先設(shè)定好。室內(nèi)CO2探測(cè)也采用上下值設(shè)定，當(dāng)其達(dá)到上限并維持一段時(shí)間后，開啟CAV高擋運(yùn)行；當(dāng)其達(dá)到下限并維持一段時(shí)間后，則開啟CAV低擋運(yùn)行。

3 結(jié)語

在空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，有多種節(jié)能技術(shù)與措施，應(yīng)根據(jù)每個(gè)項(xiàng)目的特點(diǎn)選擇應(yīng)用，忌盲目堆積。本工程先期進(jìn)行了可行性和經(jīng)濟(jì)性分析比較，并在具體實(shí)施前與業(yè)主和相關(guān)顧問單位允分協(xié)商，最后根據(jù)項(xiàng)目的實(shí)際情況采用了以上的節(jié)能手段。

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卸荷板。一個(gè)成功的卸荷板設(shè)計(jì)可將峰值彎矩減少到原設(shè)計(jì)的1/3。大部分外荷載被卸掉，沒有作用在最不利的截面上。

4、未來發(fā)展：從總量控制走向儲(chǔ)量控制的優(yōu)化

在上文中，優(yōu)化的主要內(nèi)容是一個(gè)系統(tǒng)減少材料使用的過程，但這并不是優(yōu)化設(shè)計(jì)的全部。

建筑為人類構(gòu)造活動(dòng)的空間，壽命通常有50～200年，但人類活動(dòng)的組織形式一直在變。為了適應(yīng)新的社會(huì)結(jié)構(gòu)，每年都有大量的已有建筑物被改造，甚至形成一個(gè)新的城建領(lǐng)域詞匯——“舊城改造”。，如果一棟建筑在全生命周期內(nèi)需要多次改造，全面降低材料用量的優(yōu)化設(shè)計(jì)在建筑物全生命周期的回報(bào)還要低于非優(yōu)化設(shè)計(jì)，反而不經(jīng)濟(jì)。在這樣的背景下，我們結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)當(dāng)主動(dòng)在總量?jī)?yōu)化的工作后進(jìn)行另一種類型的優(yōu)化，在材料用量相近的情況下，調(diào)配結(jié)構(gòu)冗余度，提高結(jié)構(gòu)的承載潛能，例如：

◆將節(jié)省下來的材料更多的配置在關(guān)鍵核心構(gòu)件上，力求在可能的改造中避免全面加固；

◆將混凝土的用量適當(dāng)提高一些，力求在可能的改造中少進(jìn)行增大截面的濕作業(yè)，多使用可靠的高強(qiáng)材料；

◆使用更好的節(jié)點(diǎn)連接，力求在可能的改造中減少對(duì)節(jié)點(diǎn)的加固，工業(yè)化構(gòu)件的加固。

綜述

建筑設(shè)計(jì)的優(yōu)化要從理論出發(fā)，確保理論正確、假定正確，輸入的信息正確、精確，然后才能正式的開展優(yōu)化工作。在優(yōu)化工作過程中，要避免單純走降低用量、吃冗余度的老路。要從性能出發(fā)，在同等造價(jià)的情況下，改善結(jié)構(gòu)的潛力，提供最好的性能和承載潛力。

建筑是一個(gè)經(jīng)久不衰的行業(yè)，我們對(duì)建筑設(shè)計(jì)的認(rèn)識(shí)也在不斷的更新，很難說現(xiàn)在我們接觸到的理論能夠覆蓋我們所有的需求。筆者也是在自己多年的從業(yè)經(jīng)歷中總結(jié)了一些自己的想法，一家之言，請(qǐng)各位讀者斧正。

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