空調(diào)節(jié)能技術(shù)在超高層建筑中的應(yīng)用

莊秋鵬

(廈門(mén)佰地建筑設(shè)計(jì)有限公司 福建廈門(mén) 361009)

0 引言

當(dāng)今社會(huì)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，人口大量涌入城市，為了解決城市擁擠問(wèn)題，超高層建筑日益增多。作為建筑能源消耗大戶(hù)的空調(diào)系統(tǒng)，因?yàn)槌邔涌照{(diào)體量大、運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)的特點(diǎn)，其能源消耗表現(xiàn)得更加明顯，因此如何合理利用空調(diào)節(jié)能技術(shù)降低超高層建筑的空調(diào)能耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)能已成為超高層建筑空調(diào)設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)。本文將從工程實(shí)際應(yīng)用及節(jié)能的角度，分析以下5種空調(diào)節(jié)能技術(shù)在超高層建筑中的應(yīng)用及其產(chǎn)生的節(jié)能效果。

1 工程概況

廈門(mén)杏林灣營(yíng)運(yùn)中心12#樓位于廈門(mén)杏林灣路南側(cè)，園博園以北，總建筑面積：159 380m2，地下室面積：43 320m2，地上面積：116 060m2。建筑高度：262.05m。建筑層數(shù)：地上54層，地下3層。首層為入口大堂、配套商業(yè)及消控室；二層為配套商業(yè)、電梯大堂；3～4層為配套商業(yè)、員工餐廳；5～6層為會(huì)議室及辦公配套會(huì)所；7～53層為辦公用途,54層為觀(guān)光大廳；16F、27F、42F,為避難層。

2 空調(diào)節(jié)能技術(shù)應(yīng)用

2.1 大溫差小流量中央空調(diào)冷水系統(tǒng)

(1)大溫差小流量中央空調(diào)冷水系統(tǒng)與傳統(tǒng)空調(diào)冷水系統(tǒng)(5℃溫差)的性能比較

冷水機(jī)組提供的冷量與冷凍水流量及冷凍水供回水溫差有關(guān)，冷量計(jì)算公式(1)[5]如下：

Q=CP·L·△T

(1)

式中：Q——冷量，kW；

CP——冷凍水的比熱容，4.2×103J/(kg·℃) ；

△T——供回水溫差，℃。

由式(1)可知，CP為常數(shù)，當(dāng)提供相同的冷量Q時(shí)，△T越大所需的冷凍水流量L越小，則冷凍水泵的流量L就相應(yīng)減少，根據(jù)水泵功率計(jì)算公式(2)[5]如下：

N=L·g·h/(3.6·η)

(2)

式中：N——水泵的功率，kW；

L——水泵的流量，m3/h；

g——重力加速度，9.8m/s2；

h——水泵的揚(yáng)程，m。

由式(2)可知，當(dāng)水泵揚(yáng)程一樣，流量越小則水泵的耗功率越小。同理，冷卻水泵及未端設(shè)備的風(fēng)機(jī)功率也相應(yīng)減少。因此，大溫差、小流量中央空調(diào)冷水系統(tǒng)能收到明顯的節(jié)能效果。

(2)工程實(shí)例比較

該工程辦公部分空調(diào)冷凍水管路為二管制、變流量、閉式機(jī)械循環(huán)系統(tǒng)。冷凍水系統(tǒng)豎向分為高、低二區(qū)。低區(qū)：地下1層(-5.8m)至27層(119.8m)；高區(qū)：27(119.8m)層至機(jī)房層(249.8m)；低區(qū)冷凍水供回水溫度5/12℃，高區(qū)冷凍水供回水溫度6/13℃，其冷凍水供回水溫差為7℃?？照{(diào)冷卻水系統(tǒng)采用10臺(tái)橫流式冷卻塔，冷卻水進(jìn)、出水溫度40/32℃，其冷卻水供回水溫差為7℃。

相同條件下的大溫差、小流量空調(diào)冷水系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)方案一)與傳統(tǒng)溫差的空調(diào)冷水系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)方案二)設(shè)備組成、能耗及其初投資比較，如表1～表3所示。

表1 設(shè)備組成比較

注：①本表中的設(shè)備功率由文獻(xiàn)[4]及文獻(xiàn)[7]中相關(guān)設(shè)備選型得出。 ②空調(diào)冷水系統(tǒng)中的板式熱交換器由于沒(méi)有消耗電量，本表未作為比較項(xiàng)。

表2 主機(jī)設(shè)備運(yùn)行能耗比較 k

元

(3)結(jié)論

經(jīng)了解，廈門(mén)的空調(diào)季從5月1日～10月1日共約1500h，廈門(mén)電價(jià)按0.8元/kWh計(jì)算，則空調(diào)冷水系統(tǒng)部分每年可以節(jié)約的費(fèi)用為：(2759-2524)×1500×0.8=282 000元，同時(shí)其初投資更少，不存在回收期。

大溫差、小流量空調(diào)冷水系統(tǒng)降低了空調(diào)水系統(tǒng)的流量，進(jìn)而降低了設(shè)備如冷水機(jī)組、冷凍水泵、冷卻水泵的耗電量達(dá)到明顯的節(jié)能效果。

其中，冷卻塔由于進(jìn)、出水溫度為40/32℃，溫差增加至8℃，因此，相同的耗功率下制造的冷卻水流量減少。同時(shí)，由于增加通風(fēng)換熱面積造成初投資相應(yīng)增加，因此，從初投資角度冷卻塔部分并不節(jié)能，但從整個(gè)系統(tǒng)角度分析，還是產(chǎn)生明顯的節(jié)能效果。

2.2 變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)

(1)變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)與定風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的性能比較

定風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)和變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)，都有系統(tǒng)供給負(fù)荷平衡公式(3)[3]：

Qs=1.01G·(tN-t0)

(3)

式中：Qs——空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷，kW；

G——空調(diào)系統(tǒng)送風(fēng)量，kg/s；

tN——室內(nèi)溫度，℃；

t0——送風(fēng)溫度，℃。

由式(3)可知，當(dāng)室內(nèi)冷量發(fā)生變化時(shí)，定風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)送風(fēng)量不變，只能通過(guò)調(diào)節(jié)冷凍水流量改變送風(fēng)溫度來(lái)匹配冷量變化，需要冷水系統(tǒng)設(shè)備隨房間負(fù)荷變化而不變調(diào)整運(yùn)行狀態(tài)，顯然很浪費(fèi)冷量及運(yùn)行費(fèi)用。而VAV空調(diào)系統(tǒng)可以通過(guò)調(diào)節(jié)區(qū)域送風(fēng)量來(lái)適應(yīng)冷量變化，冷水系統(tǒng)卻只需維持送風(fēng)溫度t0不變即可；同時(shí)，由于送風(fēng)量減少，其風(fēng)機(jī)運(yùn)行功率也相應(yīng)減小，因此可以很明顯地降低運(yùn)行費(fèi)用；加之，VAV空調(diào)系統(tǒng)中各個(gè)不同的空調(diào)房溫度可獨(dú)立控制，在正常應(yīng)用情況下，節(jié)能效果較好。

(2)工程實(shí)例比較

該工程辦公室采用變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)，空調(diào)機(jī)組采用變頻風(fēng)機(jī)設(shè)置在各樓層空調(diào)機(jī)房?jī)?nèi), 系統(tǒng)由變風(fēng)量空調(diào)機(jī)組、單風(fēng)道節(jié)流型變風(fēng)量末端(壓力無(wú)關(guān)型)、風(fēng)機(jī)動(dòng)力型末端(外區(qū))組成，具體標(biāo)準(zhǔn)層平面圖如圖1所示。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)層空調(diào)系統(tǒng)平面圖

相同條件下變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)方案一)與傳統(tǒng)定風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)方案二)，設(shè)備組成、能耗與初投資比較如表4～表6所示。

表4 標(biāo)準(zhǔn)層未端設(shè)備組成比較

注：本表中的設(shè)備功率由文獻(xiàn)[4]及文獻(xiàn)[6]中相關(guān)設(shè)備選型得出。

表5 標(biāo)準(zhǔn)層未端設(shè)備運(yùn)行能耗比較 kW

注：經(jīng)查文獻(xiàn)[1]，VAV空調(diào)系統(tǒng)平均運(yùn)行于70%的設(shè)計(jì)風(fēng)量，空氣處理機(jī)能耗相應(yīng)減小。

表6 初投資比較 元

(3)結(jié)論

由表4～表6計(jì)算可知，采用VAV空調(diào)系統(tǒng)增加的初投資費(fèi)用為：254 285-209 600=44 685元。

采用VAV空調(diào)系統(tǒng)每年節(jié)約的費(fèi)用為：

(18.5-8.5)×1500×0.8=12 000元

因此，可在3.7年回收VAV空調(diào)系統(tǒng)初投資增加的費(fèi)用。

變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)通過(guò)改變送入房間的風(fēng)量來(lái)適應(yīng)負(fù)荷的變化，而空調(diào)系統(tǒng)大部分時(shí)間都是在部分負(fù)荷下運(yùn)行，因此，風(fēng)量的減少帶來(lái)了風(fēng)機(jī)能耗的降低，從而達(dá)到明顯節(jié)能效果。

2.3 地板式送風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)

該工程辦公區(qū)氣流組織為下送上回方式(地板式送風(fēng)空調(diào)系統(tǒng))形式。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)地板與樓板形成的靜壓腔將空氣處理機(jī)組處理過(guò)的冷風(fēng)送至各個(gè)辦公區(qū)，辦公室空調(diào)系統(tǒng)剖面圖如圖2所示。

圖2 辦公區(qū)空調(diào)系統(tǒng)剖面圖

地板式送風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)是新型的中央空調(diào)系統(tǒng)，它最大特點(diǎn)就是將傳統(tǒng)的上送風(fēng)方式改變?yōu)橄滤惋L(fēng)。由于它具有熱力分層特性，空調(diào)冷風(fēng)只要在人員停留的區(qū)域即可，上部的燈具等設(shè)備所產(chǎn)生的熱量還未到達(dá)地面就被排出，提高了排風(fēng)溫度，減少了總冷負(fù)荷，降低空氣處理機(jī)組冷量，減小了制冷機(jī)組容量，從而達(dá)到節(jié)能目的。同時(shí)，由于地送風(fēng)采用的是地板靜壓箱送風(fēng)系統(tǒng)，系統(tǒng)阻力小，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)能耗降低，減少風(fēng)機(jī)能耗。

2.4 變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)分區(qū)供冷

該工程采用的變風(fēng)量空調(diào)(VAV)系統(tǒng)是一種節(jié)能的空調(diào)系統(tǒng)。VAV系統(tǒng)各調(diào)節(jié)區(qū)域負(fù)荷改變時(shí)，各區(qū)域的VAV Box(變風(fēng)量末端)調(diào)節(jié)送入到各區(qū)域的風(fēng)量來(lái)適應(yīng)區(qū)域負(fù)荷改變。對(duì)于一般的VAV空調(diào)系統(tǒng)，送風(fēng)靜壓控制器調(diào)節(jié)空氣處理機(jī)送風(fēng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速保持送風(fēng)風(fēng)道某處的靜壓為設(shè)定的恒定值，但這樣的控制方式存在一定的缺陷。由于風(fēng)道中靜壓恒定，會(huì)出現(xiàn)負(fù)荷很大的區(qū)域(如靠近玻璃幕墻區(qū)域)的VAV Box風(fēng)閥開(kāi)到最大時(shí)仍然滿(mǎn)足不了負(fù)荷需要的情況，因而滿(mǎn)足不了調(diào)節(jié)區(qū)域的舒適性要求；而當(dāng)所有VAV區(qū)域中的最大負(fù)荷小于設(shè)定靜壓下VAV Box可提供的供冷(熱)量時(shí)，所有VAV Box的風(fēng)閥未開(kāi)啟到最大，增加系統(tǒng)風(fēng)道阻力，也就增加了空氣處理機(jī)能耗。因此，該工程將辦公區(qū)域進(jìn)行合理規(guī)劃區(qū)分，將辦公區(qū)域靠近玻璃幕墻一側(cè)劃歸為辦公區(qū)域外側(cè)，如圖1～圖2所示。并且，安裝若干風(fēng)機(jī)動(dòng)力型末端，僅以少數(shù)風(fēng)機(jī)動(dòng)力型末端隨室外日照熱氣進(jìn)行變風(fēng)量運(yùn)行來(lái)承擔(dān)該部分負(fù)荷，而不用所有變風(fēng)量未端一起隨著日照熱氣進(jìn)行變風(fēng)量運(yùn)行，進(jìn)而降低空氣處理機(jī)能耗。

2.5 新排風(fēng)熱回收系統(tǒng)

新排風(fēng)熱回收系統(tǒng)是通過(guò)回收排風(fēng)中冷量，并把回收的冷量作為新風(fēng)冷源加以利用的系統(tǒng)。在《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn) 》中，明確規(guī)定了“設(shè)有集中排風(fēng)的空調(diào)系統(tǒng)經(jīng)技術(shù)比較合理時(shí)應(yīng)設(shè)置空氣—空氣能量回收裝置。”[4]

該工程辦公區(qū)新風(fēng)及排風(fēng)系統(tǒng)由4臺(tái)轉(zhuǎn)輪式全熱交換器承擔(dān)，分別設(shè)于16、27、42及屋頂層，經(jīng)豎向新風(fēng)豎井、排風(fēng)豎井與各層聯(lián)接。

通過(guò)對(duì)相同條件下的新排風(fēng)熱回收系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)方案一)與不帶熱回收新排風(fēng)系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)方案二)，進(jìn)行經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析比較如表7～表8所示。

表7 新排風(fēng)系統(tǒng)組成

注：本表中的設(shè)備功率由文獻(xiàn)[6]及文獻(xiàn)[7]中相關(guān)設(shè)備選型得出。

表8 經(jīng)濟(jì)及能耗分析

轉(zhuǎn)輪式全熱交換器是一種高效的熱回收裝置，能回收80%的排風(fēng)余熱，該工程的總新風(fēng)量:LX=168 000m3/h,總排風(fēng)量:LP=134 400m3/h。經(jīng)核實(shí)該工程的室外新風(fēng)焓值h1=89kJ/kg,辦公區(qū)室內(nèi)排風(fēng)焓值h2=59kJ/kg，空氣的密度ρ=1.29kg/m3。

根據(jù)回收能量計(jì)算公式[3]，可以得出回收的冷量為：

Qh=ρ·LX·(h1-h2)/3600=

1.29×168 000×(89-59)/3600=1806kW

冷水系統(tǒng)(包括冷水機(jī)組、冷水泵、冷卻塔等)全年的綜合性能系數(shù)COP=4W/W，則新排風(fēng)熱回收系統(tǒng)每年節(jié)約費(fèi)用：1806÷4×1500×0.8=541 800元，風(fēng)機(jī)能耗增加費(fèi)用：(192-118)×1500×0.8=88 800元，則每年節(jié)約電費(fèi)453 000元，采用轉(zhuǎn)輪熱回收系統(tǒng)增加初投資320 000元，因此，1年內(nèi)可回收初投資成本。

綜之，新排風(fēng)熱回收系統(tǒng)，減少全年的運(yùn)行費(fèi)用的同時(shí)，減少冷水機(jī)組、冷卻水泵、冷凍水泵、冷卻塔等容量，減少初投資。

目前廈門(mén)杏林灣營(yíng)運(yùn)中心12#樓已竣工，即將投入運(yùn)營(yíng)。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著空調(diào)節(jié)能技術(shù)發(fā)展，空調(diào)節(jié)能技術(shù)效果變好的同時(shí)其初投資將變低，像大溫差、小流量空調(diào)冷水系統(tǒng)這種新型的空調(diào)節(jié)能技術(shù)在產(chǎn)生明顯節(jié)能效果的同時(shí)，其初投資比傳統(tǒng)冷水系統(tǒng)更低。VAV空調(diào)系統(tǒng)雖然初投資比空風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)略大，但通過(guò)地板式送風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)及分區(qū)供冷這兩項(xiàng)技術(shù)的輔助，能明顯降低運(yùn)行能耗，提高空調(diào)房間的舒適性。新排風(fēng)熱回收系統(tǒng)對(duì)于超高層這種大體量的建筑，其節(jié)能效果更加明顯，因此，對(duì)于超高層空調(diào)系統(tǒng)這是一項(xiàng)很實(shí)用的節(jié)能技術(shù)。

[1] 劉天川.超高層建筑空調(diào)設(shè)計(jì)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2004.

[2] GB50189-2015 公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2015.

[3] 陸耀慶.實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)(第二版)[M].中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2008.

[4] 特靈空調(diào)系統(tǒng)(中國(guó))有限公司.空調(diào)設(shè)備產(chǎn)品手冊(cè)[Z].2014.

[5] 北京環(huán)都拓普空調(diào)有限公司，熱回收式新風(fēng)換氣機(jī)[Z].2016.

[6] 美國(guó)皇家集團(tuán).VAV變風(fēng)量系統(tǒng)產(chǎn)品手冊(cè)[Z].2012.

[7] 荏原機(jī)械(中國(guó))有限公司.水泵選型手冊(cè)[Z].2015.