辦公建筑的暖通空調(diào)系統(tǒng)案例診斷分析

程 烜 張文宇 卜 震

上海市建筑科學研究院

1 引言

既有建筑的暖通系統(tǒng)運行與效果診斷需要從建筑環(huán)境、圍護結(jié)構(gòu)、暖通系統(tǒng)和自動控制系統(tǒng)等多個方面進行。診斷基于通過“現(xiàn)象”找“原因”、通過“個別性原因”找“系統(tǒng)性原因”相結(jié)合的診斷方法，從建筑已有的現(xiàn)象出發(fā)，檢查檢測關聯(lián)的系統(tǒng)設備，查找產(chǎn)生現(xiàn)象的原因，由表入里進行診斷排查，以確定現(xiàn)象產(chǎn)生的原因。同時采用科學的抽樣方法，對于同類別的現(xiàn)象進行分析診斷，從個別性原因出發(fā)歸類相似性現(xiàn)象，確定產(chǎn)生此類現(xiàn)象的系統(tǒng)性原因。

目前既有建筑的暖通系統(tǒng)運行效果不佳，主要是因以下原因?qū)е拢海?）初步設計和二次深化設計不合理；（2）運行維護不及時導致的硬件故障和性能衰減；（3）系統(tǒng)運行正常，但未達到節(jié)能運行的水平。本文以上海某既有辦公建筑為例，從建筑環(huán)境、圍護結(jié)構(gòu)、暖通系統(tǒng)和自動控制系統(tǒng)著手，就運行維護不及時導致的硬件故障和性能衰減導致暖通系統(tǒng)運行效果不佳的問題進行診斷分析，為解決相類似的工程問題提供參考。

2 建筑概況

本案例的既有辦公樓位于上海市徐匯區(qū)某開發(fā)區(qū)內(nèi)?？偨ㄖ娣e為23 835.11m2，其中地上部分為 13 277.01m2，地下面積 10 558.1 m2，建筑總高度為44.95m（見圖1、圖2）。

圖1 標準層平面示意圖

圖2 立面示意圖

空調(diào)系統(tǒng)的室內(nèi)設計溫度見表1。建筑設計冷熱負荷分別為1 105kW和525kW，空調(diào)能耗冷熱指標為0.108kW/m2和0.051 kW/m2?？照{(diào)設計夏季供回水溫度為7℃/12℃，冬季供回水溫度為50℃/55℃。

表1 室內(nèi)溫濕度設計值

空調(diào)風系統(tǒng)中，2～8層及1層辦公區(qū)采用全空氣單風道變風量空調(diào)系統(tǒng)，內(nèi)外區(qū)各設置一臺空調(diào)箱。辦公樓外區(qū)新風機排風經(jīng)屋頂熱回收集中處理后送入各層外區(qū)空調(diào)箱，內(nèi)區(qū)空調(diào)箱由新風口直接吸入處理。氣流組織采用上送上回方式，單風道變風量末端送至房間，吊頂內(nèi)集中回風。大堂層采用全空氣單風道定風量空調(diào)系統(tǒng)，氣流組織主要采用上送上回方式，由條形風口下送，同時采用下送風方式進行冷熱量補充?？照{(diào)水系統(tǒng)采用四管制同程式系統(tǒng)。

3 技術路線

針對建筑空調(diào)冷源系統(tǒng)、空調(diào)風系統(tǒng)、空調(diào)自控系統(tǒng)、空調(diào)VAV末端和圍護結(jié)構(gòu)等影響建筑內(nèi)部空間溫度分布不均勻、導致末端風量控制、冷源系統(tǒng)運行異常問題的系統(tǒng)和主要設備展開。

診斷工作分為4個階段：空調(diào)系統(tǒng)測試與診斷階段、圍護結(jié)構(gòu)測試與診斷階段、編制改造方案階段和改造單項復驗階段。各階段的分項工作內(nèi)容如圖3所示。本文僅討論相關系統(tǒng)和設備的核查與診斷內(nèi)容，即空調(diào)系統(tǒng)測試與診斷階段、圍護結(jié)構(gòu)測試與診斷階段。

圖3 技術路線圖

4 測試與診斷

4.1 室內(nèi)環(huán)境測試與診斷

（1）冬季室內(nèi)溫度測試

測試當日，室外溫度：8.1℃，室外相對濕度：17.2%；抽檢5樓，平均溫度：24.6℃，平均相對濕度：48.6%，室內(nèi)人員體感舒適。

經(jīng)過對主要功能區(qū)室內(nèi)環(huán)境測試，1F主要功能區(qū)室內(nèi)溫度實測值均不滿足設計值（20℃）要求；2F、8F主要功能區(qū)室內(nèi)溫度實測值滿足設計值（20℃）要求（見圖4、圖5）。

圖4 1F功能區(qū)室內(nèi)環(huán)境溫度

圖5 2F功能區(qū)室內(nèi)環(huán)境溫度

（2）夏季室內(nèi)溫度測試

測試當日，室外溫度：36.7℃，室外相對濕度：39.6%；抽檢5樓，平均溫度：22.1℃，平均相對濕度：49.6%，室內(nèi)人員體感舒適。

經(jīng)過對主要功能區(qū)室內(nèi)環(huán)境測試，8F部分辦公室溫度實測值不滿足設計值（25℃）要求，室內(nèi)人員體感偏熱（見圖6）。

圖6 8F功能區(qū)室內(nèi)環(huán)境溫度

（3）室內(nèi)PM2.5測試

室外PM2.5濃度為148 mg/m3時，經(jīng)過空調(diào)系統(tǒng)粗效、中效過濾系統(tǒng)過濾，室內(nèi)PM2.5平均濃度為102 mg/m3，過濾效率僅為31%（見表2）。

表2 室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測

4.2 空調(diào)系統(tǒng)檢測與診斷

4.2.1 組合式空調(diào)機組測試與診斷

本項目空調(diào)風系統(tǒng)中，1～8層及1層辦公區(qū)采用全空氣單風道變風量空調(diào)系統(tǒng)，內(nèi)外區(qū)各設置一臺空調(diào)箱。辦公樓外區(qū)新風機排風經(jīng)屋頂熱回收集中處理后送入各層外區(qū)空調(diào)箱，內(nèi)區(qū)空調(diào)箱由新風口直接吸入處理。氣流組織采用上送上回方式，單風道變風量末端送至房間，吊頂內(nèi)集中回風。1層大堂采用全空氣單風道定風量空調(diào)系統(tǒng)，氣流組織主要采用上送上回方式，由條形風口下送，同時采用下送風方式進行冷熱量補充。

（1）通過對空調(diào)箱總送風量的檢測發(fā)現(xiàn)，空調(diào)箱普遍存在送風能力不足的情況。抽檢的5個樓層共9臺空調(diào)箱中，送風能力衰減最嚴重的B1層空調(diào)箱總風量實測值僅為空調(diào)箱額定總風量的37%（見圖7）。

（2）通過對風系統(tǒng)的風口風量的檢測發(fā)現(xiàn)，風管普遍存在較大漏風現(xiàn)象。抽檢的5個樓層共9套風管中，漏風情況最嚴重的1層內(nèi)區(qū)風管的漏風率達到了59%（見圖8）。

圖7 AHU總風量實測值與額定值之比

圖8 風管漏風率

4.2.2 風管系統(tǒng)檢查

根據(jù)對空調(diào)箱單機檢測及各風口風量檢測發(fā)現(xiàn)，被測系統(tǒng)存在較嚴重的風管漏風情況，通過排查發(fā)現(xiàn)問題主要集中在以下方面：

●VAVbox無風管風口存在閥門關閉不嚴，密封膠老化脫落。

●風管連接部分松動且保溫老化脫落。

●風管以風口連接處脫落，風管送風無法送入室內(nèi)。風管送風未完全送出風口，部分送風直吹內(nèi)部導致天花板內(nèi)部溫度升高。

●VAVbox二級風管過長導致此段阻力增加。

上述問題均會導致系統(tǒng)供冷熱量無法有效地送達空調(diào)區(qū)域的問題，導致冷熱量輸配損耗增加、室內(nèi)空調(diào)區(qū)域供冷熱量不足、室內(nèi)熱舒適性不佳。

4.2.3 風系統(tǒng)末端檢查

室內(nèi)氣流組織異常。冬季送風溫度較室內(nèi)空氣溫度高，存在熱流上升的現(xiàn)象，而通過風口以一定風速下送，可促進室內(nèi)空氣循環(huán)，有助于房間下部空間溫度提升。而本項目部分風口透明導流板阻礙熱風下送，影響氣流組織，加劇室內(nèi)垂直溫度分布差異（見表3）。

表3 部分功能區(qū)室內(nèi)溫度垂直分布

大堂送風異常。該項目大堂高度約12m，空調(diào)風口采用爪式條形風口。區(qū)域總送風量為3 008 m3/h，風口風速不足3m/s，氣流無法送達人員活動高度。室內(nèi)垂直溫度分布為20.5℃、16.1℃和13.1℃。人員活動區(qū)域溫度為13.1℃，人員的熱舒適性不佳。

4.2.4 自控系統(tǒng)檢查

（1）VAVbox最大開啟（風量）限值異常。

本系統(tǒng)房間溫度由各區(qū)域室內(nèi)人員通過末端空調(diào)溫度控制面板獨立控制。在冬季實際使用過程中，室內(nèi)人員普遍會因房間溫度不足而將末端空調(diào)溫度設置在35℃。此行為導致樓層VAVbox風閥均100%開啟，區(qū)域風口風量失衡。如2F外區(qū)空調(diào)在此情況下，西南側(cè)會議室（VIP會議室）面積為129m2，實測室內(nèi)平均溫度為25.1℃，風量1 763 m3/h，北區(qū)公共辦公區(qū)面積為1 289 m2，實測室內(nèi)平均溫度為20.6℃，風量2 883 m3/h（見表4）。

表4 2F部分功能區(qū)室內(nèi)環(huán)境與風口風量檢測

（2）風系統(tǒng)壓力控制異常

本項目VAR系統(tǒng)為定靜壓風量控制型系統(tǒng)，空調(diào)箱風量由總風管設定靜壓反饋至風機而決定。該項目存在風系統(tǒng)壓力控制異常問題。例如8F內(nèi)區(qū)室內(nèi)平均溫度均可達到25℃，而大部分末端溫控面板設定溫度僅為15℃，此時各VAVbox風閥開啟度正常，風管靜壓為294Pa，遠高于風管靜壓設定值的205Pa，而此時空調(diào)箱運行頻率依然為50Hz。

（3）VAVbox控制異常

該項目VAVbox根據(jù)房間末端溫控器檢測到的實際溫度與設定溫度，根據(jù)差值輸出信號作為風量設定值，以此設定調(diào)節(jié)風閥改變風量，從而使室內(nèi)溫度保持在設定范圍內(nèi)。

通過對VAVbox及其控制器排查，發(fā)現(xiàn)部分VAVbox風閥存在失控的情況，部分末端溫度傳感器存在大幅漂移的情況。例如8F南區(qū)獨立辦公室風閥控制開啟度為74.4%，而實際開啟度僅為32.8%。另外，W14號溫控區(qū)域設定溫度為12.4℃，末端溫控器監(jiān)測溫度為30.88℃，按照系統(tǒng)控制邏輯，風閥開啟度應僅為設定的最小開啟度，而此時風閥實際開啟度卻為100%。

4.3 圍護結(jié)構(gòu)檢測與診斷

4.3.1 內(nèi)圍護結(jié)構(gòu)檢查

（1）非空調(diào)區(qū)域滲透風異常

各樓層存在設備間等于非空調(diào)區(qū)域連接的常閉門，該類型門滲透風較大，冷風侵襲嚴重。以2F空調(diào)機房門為例，該門的滲透風速最大可達到1.9m/s，由熱成像照片可以清楚地看出由于滲透風導致的熱量損失。

（2）非空調(diào)區(qū)域通風異常

1F北側(cè)辦公區(qū)與相鄰的西側(cè)茶水間（非空調(diào)區(qū)域）存在一扇常開門，而茶水間的北側(cè)為樓棟入戶門（東北門）、南側(cè)為公共走廊與大堂相連。因此1F北側(cè)辦公區(qū)受到北側(cè)入戶門及南側(cè)大堂的冷風侵襲，室內(nèi)實測溫度僅為15.6℃。此外，諸如更衣室及衛(wèi)生間均存在因人員流動性大而大門常開，影響室內(nèi)溫度。

1F與2F間的旋轉(zhuǎn)樓梯連接區(qū)域，采用電動感應門分隔?，F(xiàn)況為電動門處于常開狀態(tài)，開啟時面積為3.8 m2，風速達到2m/s，通風溫度為19.8℃，風量達到27 360 m3/h，接近2F區(qū)域2臺空調(diào)箱的送風量。電動門正對2F走廊區(qū)域風速達1m/s，風感強烈。

該建筑中部為中庭結(jié)構(gòu)，自2樓通至8樓屋頂。由于熱壓作用產(chǎn)生煙囪效應使室內(nèi)熱空氣上升，在中庭內(nèi)形成較大的垂直溫度梯度，造成上熱下冷的問題。而本項目中庭底部與2樓辦公區(qū)域相連，無任何內(nèi)圍護結(jié)構(gòu)，從而導致冬季辦公區(qū)熱量因煙囪效應進入中庭上部，導致室內(nèi)負荷增加，人員熱舒適度差。

4.3.2 外圍護結(jié)構(gòu)檢查

1樓大廳入戶門有拉門（雙重）及旋轉(zhuǎn)門，現(xiàn)況為使用外拉門，內(nèi)門常開，熱損失較大。其他入戶門氣密性不足，同時存在常開現(xiàn)象。

部分辦公室存在氣窗長時間開啟狀態(tài)，且現(xiàn)場人員反映房間空氣不佳。

5 結(jié)論

既有建筑的暖通系統(tǒng)運行與效果診斷涉及建筑環(huán)境、圍護結(jié)構(gòu)、暖通系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)等多個方面，需要通過“現(xiàn)象”找“原因”、通過“個別性原因”找“系統(tǒng)性原因”相結(jié)合的診斷方法高效的解決暖通空調(diào)系統(tǒng)運行效果不佳的問題。

其中，運行維護不及時導致的硬件故障和性能衰減是暖通空調(diào)系統(tǒng)運行效果的主要問題。需要從建筑內(nèi)外部圍護結(jié)構(gòu)、空調(diào)冷熱輸配風機組、空調(diào)冷熱輸配風管、氣流組織形式等多方面進行檢查檢測，查找個別性原因找到系統(tǒng)性原因，以解決暖通空調(diào)系統(tǒng)運行效果不佳的各類“現(xiàn)象”。