北方超高層甲級辦公樓VAV變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

文｜同濟大學(xué)建筑設(shè)計研究院（集團）有限公司 周水鋒

前言

隨著我國經(jīng)濟快速增長，全國各大城市超高層辦公樓如雨后春筍般拔地而起，如何打造一個既健康舒適，又經(jīng)濟節(jié)能的辦公環(huán)境是擺在設(shè)計師面前的一個重要課題。眾所周知，空調(diào)系統(tǒng)的好壞直接決定了辦公環(huán)境的舒適與否，也影響了整個建筑物的能耗大小。因此，大力發(fā)展節(jié)能性空調(diào)系統(tǒng)已經(jīng)成為現(xiàn)代化智能辦公樓宇的重要內(nèi)容。由于VAV變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)具有高舒適性以及低能耗等優(yōu)點，逐漸得到了建筑行業(yè)的廣泛推廣，尤其在高層智能辦公樓中得到了普遍應(yīng)用。

我國地域廣闊，南北氣候差異大，城市經(jīng)濟發(fā)達程度不同等因素，決定了VAV變風(fēng)量系統(tǒng)在實際工程的設(shè)計與應(yīng)用中，不能千篇一律，照搬照抄；必須充分考慮項目的實際情況，分析比較各VAV系統(tǒng)組合的優(yōu)缺點，結(jié)合實際情況，兼顧舒適性、節(jié)能性、經(jīng)濟性等因素，選擇最優(yōu)方案。本文通過對VAV變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)分類組合進行了分析比較，結(jié)合青島某超高層甲級辦公樓工程實例，闡述了適合北方超高層辦公樓VAV變風(fēng)量系統(tǒng)的優(yōu)化方案和主要控制策略。

一、VAV變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)簡介

VAV 變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)，相對于傳統(tǒng)的風(fēng)機盤管+獨立新風(fēng)系統(tǒng)以及傳統(tǒng)的定風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)而言，是一種更為先進的空調(diào)方式。其工作原理是通過改變各個房間的空調(diào)送風(fēng)量，來消除室內(nèi)冷、熱負荷，從而在滿足室內(nèi)人員對房間不同溫濕度的要求下，實現(xiàn)室內(nèi)溫度在某個設(shè)定溫度值并保持恒定。夏季時，當(dāng)房間溫度高于設(shè)定溫度時，變風(fēng)量末端裝置加大風(fēng)閥開度增大送風(fēng)量，反之減小送風(fēng)量；冬季時，當(dāng)房間溫度高于設(shè)定溫度時，變風(fēng)量末端裝置減小風(fēng)閥開度減少送風(fēng)量，反之增加送風(fēng)量。VAV變風(fēng)量系統(tǒng)其最大的特點是可實現(xiàn)區(qū)域空氣溫度獨立控制，部分負荷時風(fēng)機可變頻調(diào)速節(jié)能運行。據(jù)國外多年工程案例實測，VAV變風(fēng)量系統(tǒng)相比傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能30～40%。此系統(tǒng)已被歐美等發(fā)達國家廣泛應(yīng)用于高端樓宇中，特別是超高層甲級辦公樓項目中，此系統(tǒng)基本屬于標配系統(tǒng)。

二、VAV變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的分類

1、無動力單冷型

無動力單冷型系統(tǒng)，是指系統(tǒng)末端裝置全部由不帶任何加熱功能的單風(fēng)道變風(fēng)量末端裝置構(gòu)成。室內(nèi)回風(fēng)和室外新風(fēng)混合后經(jīng)空調(diào)機組集中制冷處理后，通過送風(fēng)管道分別送至各個單風(fēng)道變風(fēng)量末端裝置，末端裝置根據(jù)室內(nèi)房間溫度變化自動調(diào)節(jié)風(fēng)閥開度大小實現(xiàn)變風(fēng)量送風(fēng)，以適應(yīng)房間空調(diào)負荷的變化。此系統(tǒng)只適用于南方需全年制冷地區(qū)。

2、無動力單冷再熱型

無動力單冷再熱型系統(tǒng)，是指系統(tǒng)末端根據(jù)房間內(nèi)外分區(qū)設(shè)置，內(nèi)區(qū)設(shè)置不帶加熱功能的單風(fēng)道變風(fēng)量末端裝置，外區(qū)設(shè)置帶加熱功能的單風(fēng)道變風(fēng)量末端裝置，其中帶加熱功能常用熱水加熱盤管、蒸汽加熱盤管或電加熱盤管。室內(nèi)回風(fēng)和室外新風(fēng)混合后經(jīng)空調(diào)機組集中制冷處理后，通過送風(fēng)管道分別送至房間內(nèi)外區(qū)各單風(fēng)道變風(fēng)量末端裝置，冬季外區(qū)末端裝置需開啟加熱功能，集中處理后的冷空氣通過加熱裝置“再熱”后送出。此系統(tǒng)適合于夏熱冬冷地區(qū)。

3、冷熱型

對于冷熱型系統(tǒng)而言，其末端裝置與無動力單冷型系統(tǒng)一樣，均采用不帶加熱功能的單風(fēng)道變風(fēng)量末端裝置，其末端裝置根據(jù)房間溫度變化自動調(diào)節(jié)送風(fēng)的原理也與單冷型系統(tǒng)一樣。不同的是兩者的末端控制方式，單冷型末端控制方式只有制冷一種工況，冷熱型系統(tǒng)末端控制方式有供冷和供熱兩種工況。系統(tǒng)根據(jù)房間負荷的需要，系統(tǒng)集中送冷風(fēng)或者集中送熱風(fēng)。此系統(tǒng)適用于夏熱冬冷地區(qū)，且不分內(nèi)外分區(qū)的小型辦公場所。

4、串聯(lián)式風(fēng)機動力型

串聯(lián)式風(fēng)機動力型變風(fēng)量系統(tǒng)的外區(qū)設(shè)置帶加熱功能的串聯(lián)式風(fēng)機動力型末端裝置，內(nèi)區(qū)設(shè)置不帶加熱功能的串聯(lián)式風(fēng)機動力型末端裝置。此系統(tǒng)是無動力單冷熱再熱型系統(tǒng)的升級，因其末端設(shè)置動力風(fēng)機，利用風(fēng)機抽取房間內(nèi)的二次回風(fēng)再熱，減少了一次冷風(fēng)的再熱耗能。

5、并聯(lián)式風(fēng)機動力型

并聯(lián)式風(fēng)機動力型變風(fēng)量系統(tǒng)的外區(qū)設(shè)置帶加熱功能的并聯(lián)式風(fēng)機動力型末端裝置，內(nèi)區(qū)可以采用無動力的單風(fēng)道末端裝置，也可以采用不帶加熱功能的并聯(lián)式風(fēng)機動力型末端裝置。此系統(tǒng)也是無動力單冷熱再熱型系統(tǒng)的升級，因其末端設(shè)置動力風(fēng)機，利用風(fēng)機抽取房間內(nèi)的二次回風(fēng)再熱，減少了一次冷風(fēng)的再熱耗能。此系統(tǒng)與串聯(lián)式風(fēng)機動力型系統(tǒng)的區(qū)別在于末端裝置的風(fēng)機連接方式不同。我國目前南方需要夏季供熱冬季供冷且內(nèi)外分區(qū)的高端寫字樓變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)中運用最多的是外區(qū)帶加熱功能的并聯(lián)式風(fēng)機動力型末端裝置，內(nèi)區(qū)無動力的單風(fēng)道變風(fēng)量末端裝置。

6、單風(fēng)道型組合式變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)

組合一：四周設(shè)置風(fēng)機盤管機組加單冷型單風(fēng)道變風(fēng)量系統(tǒng)。此系統(tǒng)房間外區(qū)靠窗設(shè)置落地式風(fēng)機盤管（帶制冷、制熱功能），承擔(dān)外圍護結(jié)構(gòu)的冷、熱負荷。房間吊頂內(nèi)設(shè)置單冷型單風(fēng)道變風(fēng)量末端裝置，且內(nèi)外分區(qū)設(shè)置，承擔(dān)內(nèi)區(qū)除圍護結(jié)構(gòu)外的全年冷負荷及新風(fēng)負荷。

組合二：四周散熱器加單冷型單風(fēng)道變風(fēng)量系統(tǒng)。此系統(tǒng)房間外區(qū)靠窗設(shè)置落地式散熱器（僅冬季供熱），承擔(dān)冬季外圍護結(jié)構(gòu)的熱負荷。房間吊頂內(nèi)設(shè)置單冷型單風(fēng)道變風(fēng)量末端裝置，且內(nèi)外分區(qū)設(shè)置，承擔(dān)內(nèi)外區(qū)全年冷負荷及新風(fēng)負荷。此系統(tǒng)四周散熱器亦可以用熱輻射板、地板嵌入式對流器等設(shè)備代替。

三、VAV變風(fēng)量系統(tǒng)優(yōu)缺點對比分析

四、VAV變風(fēng)量系統(tǒng)在北方某實際工程中的設(shè)計與應(yīng)用

1、工程概況

本項目為青島市某超高層甲級寫字樓（雙子樓），總建筑面積約168000平方米，其中地上部分總建筑的面積約108000平方米，地下總建筑面積約60000平方米。地上35層，地下2層（局部地下3層）；塔樓一建筑高度150米，塔樓二建筑消防高度85米。

2、空調(diào)冷熱源系統(tǒng)

方案設(shè)計之初，業(yè)主對本項目提出了定位，本工程部分樓面作為業(yè)主方自己集團本部辦公使用，其余部位主要出租給金融、IT等高端企業(yè)辦公，要求項目建成時為片區(qū)的辦公樓標桿，要求面向未來，保證10年后亦不落伍。結(jié)合這一定位，設(shè)計院就空調(diào)冷熱源、末端空調(diào)系統(tǒng)等，向業(yè)主進行了多輪專題匯報與討論。最終確定空調(diào)冷熱源采用電動壓縮式冷水機組+燃氣熱水鍋爐。

夏季空調(diào)冷源選用3臺離心式冷水機組，單臺制冷量為4800KW（1400RT），供回水溫度為6/12℃;冷水機組集中設(shè)置在地下室冷凍機房內(nèi)，冷卻塔設(shè)置在室外綠化處。主樓冷凍水系統(tǒng)以100米為界高低分區(qū)，低區(qū)冷凍水一次直供，低區(qū)設(shè)備承壓1.6MPa；高區(qū)冷凍水經(jīng)水-水板式換熱器后二次供水，二次側(cè)供回水溫度為7/13℃，高區(qū)板換機組及干管、閥門等設(shè)備承壓2.0MPa，末端設(shè)備承壓1.0MPa。

冬季空調(diào)熱源采用燃氣熱水真空鍋爐，選用3臺熱水真空鍋爐，單臺制熱量約4200KW,鍋爐一次熱水供回水溫度為80/60℃，主樓空調(diào)熱水系統(tǒng)以100米為界高低分區(qū)，低區(qū)空調(diào)一次熱水經(jīng)水-水板式換熱器后供低區(qū)二次空調(diào)熱水系統(tǒng)，低區(qū)設(shè)備承壓1.6MPa；高區(qū)一次熱水經(jīng)水-水板式換熱器后二次供水，二次側(cè)空調(diào)供回水溫度均為60/50℃，高區(qū)板換機組及干管、閥門等設(shè)備承壓2.0MPa，末端設(shè)備承壓1.0MPa。

考慮到后期運營的節(jié)能性、經(jīng)濟性，本項目設(shè)置一套冷卻水板式換熱器，并聯(lián)冷凍水系統(tǒng)，利用開式冷卻水系統(tǒng)，實現(xiàn)過渡季免費制冷。

金融類、IT類企業(yè)擁有小型數(shù)據(jù)機房，需24小時冷源降溫。為滿足租戶需求，設(shè)置獨立的租戶冷卻水系統(tǒng)供租戶自帶壓縮機的空調(diào)機組使用，每層預(yù)留1組租戶冷卻水接口。租戶冷卻水冷源采用閉式冷卻塔，低區(qū)冷卻塔設(shè)置在一層室外綠化處，選用2臺處理水量為125m3/h的閉式冷卻塔；高區(qū)冷卻塔設(shè)置在主樓屋面，選用2臺處理水量為50m-/h的閉式冷卻塔。

3、末端VAV變風(fēng)量系統(tǒng)

在明確了業(yè)主對本項目的定位后，如何選用一套合理的空調(diào)末端系統(tǒng)，顯得尤為重要。鑒于國內(nèi)外大中城市高端甲級寫字樓空調(diào)系統(tǒng)實際工程經(jīng)驗，設(shè)計院和甲方對本工程空調(diào)末端系統(tǒng)采用VAV變風(fēng)量系統(tǒng)，持一致意見。但就VAV變風(fēng)量系統(tǒng)如何結(jié)合本項目實際情況，進行方案優(yōu)化，設(shè)計院和業(yè)主進行了深入的溝通和交流。最終確定空調(diào)末端方案為：單風(fēng)道VAV變風(fēng)量末端+外圈地板嵌入式對流器（只制熱不制冷）。下面兩張附圖為此空調(diào)方案的冬夏季房間氣流組織示意圖。

此方案最大的優(yōu)點：①因末端采用了無動力的單風(fēng)道VAVBOX，在保證房間舒適性的同時，夏季房間內(nèi)無風(fēng)機噪音，靜音效果好。②冬季外區(qū)利用地板對流器加熱玻璃幕墻，熱空氣從下往上，加速空氣對流循環(huán)，氣流組織好，舒適性高。③相比較常規(guī)的外區(qū)風(fēng)機動力型雙風(fēng)道系統(tǒng)可以減小“再熱”影響，節(jié)能性更好。④非工作時間或夜間值班采暖時，只需要開啟地板對流器系統(tǒng)進行采暖，整個空調(diào)采暖系統(tǒng)可以關(guān)閉。⑤過渡季節(jié)或初冬時，可以利用溫度較低的室外新風(fēng)直接送風(fēng)供冷，不需要開啟制冷設(shè)備。

4、末端系統(tǒng)控制

（1）房間室內(nèi)溫度控制

房間內(nèi)墻上設(shè)置溫度控制器。溫度控制器通過與其自身連接的溫度傳感器，感知房間溫度，與房間設(shè)定溫度值進行比較，發(fā)出信號至末端控制器進行判斷和處理，末端控制器發(fā)送指令分別控制內(nèi)外區(qū)VAVBOX的風(fēng)閥開度，從而控制房間的送風(fēng)量，以實現(xiàn)房間室內(nèi)溫度控制。當(dāng)冬季房間外區(qū)需要供冷，內(nèi)區(qū)需要供熱時，空調(diào)機組采用制冷模式運行。外區(qū)的VAVBOX以恒定的最小送風(fēng)量運行，并保證最小新風(fēng)量要求。外區(qū)的嵌入式地板對流器通過溫控器對供熱水管上的電動調(diào)節(jié)閥進行調(diào)節(jié)，以控制對流器的出風(fēng)溫度，對流器承擔(dān)外區(qū)圍護結(jié)構(gòu)熱負荷及外區(qū)最小新風(fēng)“再熱”負荷。當(dāng)內(nèi)外區(qū)VAVBOX均以最小送風(fēng)量運行時，房間溫度仍過冷或者過熱?？照{(diào)系統(tǒng)將通過空調(diào)機組冷熱盤管上的空調(diào)水管閥門開度來實現(xiàn)機組出風(fēng)溫度的條件，以實現(xiàn)房間室內(nèi)溫度控制。

(2)空調(diào)機組的送風(fēng)量及送風(fēng)溫度的控制

空調(diào)機組送風(fēng)量控制采用定靜壓控制方式，在送風(fēng)主管上某一點處裝設(shè)靜壓傳感器。當(dāng)室內(nèi)VAVBOX因負荷變化自動調(diào)節(jié)風(fēng)閥開度導(dǎo)致整個空調(diào)系統(tǒng)管網(wǎng)出現(xiàn)壓力波動。送風(fēng)主管上的靜壓傳感器感知壓力變化，并輸出信號，將信號傳送至自控系統(tǒng)的DDC，自控系統(tǒng)DDC通過判斷管網(wǎng)壓力變化情況，來對空調(diào)機組風(fēng)機的變頻器進行調(diào)節(jié)，通過改變風(fēng)機的電機轉(zhuǎn)速實現(xiàn)送風(fēng)量調(diào)節(jié)，保證管網(wǎng)壓力恒定。同時系統(tǒng)也可以通過改變空調(diào)機組冷熱表盤回水管的電動調(diào)節(jié)閥的開度來調(diào)節(jié)機組送風(fēng)溫度。

（3）系統(tǒng)新風(fēng)量的控制

超高層往往因建筑立面及新風(fēng)豎井等土建條件制約，無法實現(xiàn)全新風(fēng)送風(fēng)，本工程新風(fēng)量最大取送風(fēng)量30%。當(dāng)夏季供冷室外空氣的焓值是比夏季室內(nèi)設(shè)計狀態(tài)點的焓值要高時，系統(tǒng)按最小新風(fēng)量運行。如果室外空氣的焓值比室內(nèi)設(shè)計狀態(tài)點的焓值要低時，就要加大新風(fēng)量運行。當(dāng)取最大新風(fēng)量運行時，送風(fēng)溫度還是大于設(shè)定溫度，就要運行冷凍水系統(tǒng)進行供冷。在冬季，優(yōu)先利用室外新風(fēng)來帶走室內(nèi)冷負荷，當(dāng)最小的新風(fēng)量運行時，送風(fēng)溫度還是小于設(shè)定溫度，就要運行熱水系統(tǒng)進行供熱。

五、結(jié)論

VAV變風(fēng)量系統(tǒng)是目前比較先進的空調(diào)系統(tǒng)，主要體現(xiàn)在它相對于定風(fēng)量系統(tǒng)更舒適和更節(jié)能。但其也有系統(tǒng)相對復(fù)雜，技術(shù)含量較高，后期調(diào)試困難等因素，要求設(shè)計師和業(yè)主在前期就必須確定一個合理的系統(tǒng)方案。本文對VAV變風(fēng)量系統(tǒng)各種常見的方案組合進行了歸類總結(jié)，并結(jié)合實際工程案例，闡述了VAV變風(fēng)量系統(tǒng)在北方項目中的實際應(yīng)用。