某水源多聯(lián)機(jī)空調(diào)公共水環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

王鎮(zhèn)寶

(廈門合立道工程設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司 福建廈門 361006)

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，國家對(duì)綠色建筑不停地提高建造標(biāo)準(zhǔn)，暖通空調(diào)領(lǐng)域中新的節(jié)能措施和環(huán)保要求等綠色建筑方案大量涌現(xiàn)，針對(duì)同一個(gè)設(shè)計(jì)項(xiàng)目，往往有幾種、甚至十幾種不同的暖通空調(diào)設(shè)計(jì)方案可選擇。在評(píng)價(jià)空調(diào)設(shè)計(jì)方案時(shí)，常常認(rèn)為越復(fù)雜的方案越好。但暖通空調(diào)系統(tǒng)本身隨著環(huán)境的變化而變化，暖通空調(diào)設(shè)備及閥件越多、控制系統(tǒng)就越復(fù)雜，初投資成本就越高，系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性、可操作性和可維護(hù)性就越不利。因此在滿足使用功能的前提下，系統(tǒng)越簡單對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行越有利。最好的設(shè)計(jì)方案應(yīng)能貼近項(xiàng)目的實(shí)際要求。

1 工程概況

某23層辦公樓由于外立面采用封閉式的玻璃幕墻，無法在外立面留出空調(diào)百葉，且裙房屋面及主樓屋面可放空調(diào)設(shè)備的場地又少。業(yè)主在辦公業(yè)態(tài)的定位上做了詳細(xì)考慮，并對(duì)其辦公樓進(jìn)行初期的規(guī)劃：1、2層按商業(yè)考慮，3～10層考慮對(duì)外出租(4層設(shè)一個(gè)公共的大會(huì)議室)，除4層大會(huì)議室外，所有出租樓層及商業(yè)部分初期均不考慮設(shè)備安裝；11～23層為自用辦公樓層，自用辦公樓層有個(gè)別部門需加班；且要求空調(diào)系統(tǒng)能源計(jì)費(fèi)方式簡便。

通過對(duì)建筑功能的分析及業(yè)主的要求，不難看出：空調(diào)系統(tǒng)要滿足不同功能區(qū)制冷、采暖要求，使用時(shí)間差異，系統(tǒng)應(yīng)能夠根據(jù)負(fù)荷的波動(dòng)自動(dòng)調(diào)節(jié)，以滿足室內(nèi)的舒適性要求；不同使用功能對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的獨(dú)立控制要求較高，且需要獨(dú)立計(jì)費(fèi)。

2 空調(diào)系統(tǒng)分析

綜上所述，筆者與多位技術(shù)負(fù)責(zé)人進(jìn)行探討：由于建筑外立面采用封閉式的玻璃幕墻形式，該辦公樓用傳統(tǒng)水-水空調(diào)系統(tǒng)與多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比。根據(jù)使用時(shí)間的不確定因數(shù)，無法評(píng)估加班時(shí)所需的空調(diào)負(fù)荷，選擇傳統(tǒng)水-水空調(diào)系統(tǒng)難以獨(dú)立計(jì)費(fèi)及部分空調(diào)負(fù)荷對(duì)節(jié)能不利等因素，因此多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)比較適合本大樓的設(shè)計(jì)；又因沒有多余的場地放置大量多聯(lián)機(jī)空調(diào)外機(jī)，因此只能優(yōu)先采用水源多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)加風(fēng)冷多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)：1、2層商業(yè)及4層大會(huì)議室采用風(fēng)冷多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)，空調(diào)外機(jī)設(shè)于裙房屋面；其余辦公樓層采用水源多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)，又將3～10層對(duì)外出租樓層與4～23層自用辦公樓層分為兩個(gè)系統(tǒng)，便于物業(yè)管理。

3 設(shè)計(jì)選型(常規(guī)做法，只簡要說明系統(tǒng)概況)

水源多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)及集中送排風(fēng)系統(tǒng)按功能劃分為高低區(qū)兩套系統(tǒng)，低區(qū)為3～10層，高區(qū)為11～23層。每套系統(tǒng)由水源多聯(lián)機(jī)空調(diào)主機(jī)+夏季閉式冷卻塔+板換+低噪型風(fēng)冷螺桿式熱泵機(jī)組+公共水環(huán)路組成。低噪型風(fēng)冷螺桿式熱泵機(jī)組提供新風(fēng)冷熱源及冬季采暖熱源，空調(diào)冷凍水供/回水溫度:7/12℃，采暖供/回水溫度:40/45℃。

水源多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)冷卻系統(tǒng)(由于水冷系統(tǒng)造價(jià)比風(fēng)冷系統(tǒng)高20～40%，且主機(jī)換熱器對(duì)水質(zhì)要求較高，為了更好地保護(hù)水源多聯(lián)機(jī)空調(diào)主機(jī)的換熱器)因此冷卻水系統(tǒng)只有以下兩種選擇：①開式冷卻塔+板換+循環(huán)泵——初投資低，但占地面積較大，系統(tǒng)維護(hù)復(fù)雜；②閉式冷卻塔+循環(huán)泵——初投資略高，系統(tǒng)集成度高，維護(hù)簡便，且能有效避免外來雜質(zhì)對(duì)主機(jī)換熱側(cè)的堵塞，腐蝕管道和設(shè)備，造成能耗增加，換熱效率下降。結(jié)合該項(xiàng)目的實(shí)際情況：空調(diào)設(shè)備安裝空間有限，因此采用閉式冷卻塔+循環(huán)泵。

辦公樓同時(shí)設(shè)置新排風(fēng)系統(tǒng)：為了節(jié)約能源，辦公新風(fēng)、排風(fēng)采用轉(zhuǎn)輪熱回收組合空調(diào)箱集中送、排風(fēng)；高區(qū)轉(zhuǎn)輪熱回收組合空調(diào)箱設(shè)于屋面空調(diào)機(jī)房內(nèi)，低區(qū)轉(zhuǎn)輪熱回收組合空調(diào)箱設(shè)于地下一層空調(diào)機(jī)房內(nèi)。

4 公共水環(huán)路介紹

主機(jī)選型及新排風(fēng)系統(tǒng)均為較常規(guī)的做法，筆者不再詳細(xì)論述，本文重點(diǎn)介紹公共水環(huán)路的設(shè)計(jì)思路及其控制系統(tǒng)[1]如圖1 所示。

圖1 空調(diào)水系統(tǒng)原理圖

(1) 由于高區(qū)與低區(qū)的冷熱水系統(tǒng)大同小異，因此本文僅介紹高區(qū)水系統(tǒng)。每套冷熱水系統(tǒng)選用4臺(tái)閉式冷卻塔，2臺(tái)空調(diào)季循環(huán)泵，2臺(tái)采暖季循環(huán)泵，1臺(tái)加班循環(huán)泵；循環(huán)泵均為變頻水泵，季節(jié)轉(zhuǎn)換通過電動(dòng)閥開關(guān)切換，具體切換操作如圖1中的“制冷、采暖操作表”。

①空調(diào)季冷卻循環(huán)水路的控制規(guī)則：當(dāng)某臺(tái)室內(nèi)機(jī)開啟時(shí)，首先開啟冷卻塔的風(fēng)機(jī)→接著開啟水源多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)電動(dòng)閥→再開啟冷卻水系統(tǒng)相應(yīng)的電動(dòng)閥→接著開啟冷卻水泵→最后開啟水源多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)。停機(jī)順序相反。

加班時(shí)的部分負(fù)荷的控制規(guī)則：當(dāng)某臺(tái)室內(nèi)機(jī)開啟時(shí)，首先開啟水源多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)電動(dòng)閥→再開啟冷卻水系統(tǒng)相應(yīng)的電動(dòng)閥→接著開啟加班小流量冷卻水泵→再開啟水源多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)(此工況屬于冷卻水自平衡模式)；當(dāng)冷卻水系統(tǒng)無法把水源多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)所散發(fā)出來的熱量帶走，就需開啟冷卻模式。停機(jī)順序相反。

工作原理：水源多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)的主機(jī)及室內(nèi)機(jī)使用數(shù)量穩(wěn)定時(shí)，其系統(tǒng)的運(yùn)行通過監(jiān)控冷卻循環(huán)水的溫度來調(diào)控。冷卻循環(huán)水系統(tǒng)根據(jù)冷卻塔不同的回水溫度可細(xì)分5種模式：其一：自平衡模式(冷卻系統(tǒng)循環(huán)水不流經(jīng)冷卻塔)；其二：冷卻系統(tǒng)循環(huán)水流經(jīng)冷卻塔，經(jīng)冷卻塔散熱片自然對(duì)流，風(fēng)扇不開啟；其三：冷卻系統(tǒng)循水流經(jīng)冷卻塔，經(jīng)冷卻塔散熱片自然對(duì)流，且冷卻塔風(fēng)扇延遲開啟；其四：冷卻系統(tǒng)循環(huán)水流經(jīng)冷卻塔，冷卻塔風(fēng)扇開啟強(qiáng)制與冷卻塔散熱片對(duì)流，噴淋泵延遲開啟；其五：冷卻系統(tǒng)循環(huán)水流經(jīng)冷卻塔，冷卻塔風(fēng)扇開啟強(qiáng)制與冷卻塔散熱片對(duì)流，噴淋泵開啟降溫。

此做法目的是：加班時(shí)的部分負(fù)荷盡可能不開啟大流量水泵及冷卻塔風(fēng)機(jī)及閉式塔自帶的循環(huán)水泵，以達(dá)到節(jié)能運(yùn)行的目的。

②采暖季循環(huán)水路的控制規(guī)則：當(dāng)某臺(tái)室內(nèi)機(jī)開啟時(shí)，首先開啟低噪型風(fēng)冷螺桿式熱泵機(jī)組→接著開啟水源多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)電動(dòng)閥→再開啟采暖水系統(tǒng)相應(yīng)的電動(dòng)閥→接著開啟采暖水泵→最后開啟水源多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)。停機(jī)順序相反。

加班時(shí)的部分負(fù)荷參考空調(diào)季的控制方法。

③本系統(tǒng)還在14層增設(shè)高區(qū)與低區(qū)的連通管，目的基于以下考慮：

其一，當(dāng)過渡季節(jié)時(shí)，由于整棟辦公樓所需的系統(tǒng)負(fù)荷可不用開啟兩套冷卻水循環(huán)系統(tǒng)，可通過14層的連通管上的閥門切換，把整棟樓的系統(tǒng)合為一個(gè)大系統(tǒng)，只開啟一套冷卻水泵及閉式冷卻塔，以達(dá)到節(jié)能運(yùn)行的目的。由于系統(tǒng)水流量減少一半，根據(jù)公式H1/H2=(Q1/Q2)2[2]因此公共水環(huán)路系統(tǒng)的水壓降減少至原系統(tǒng)的1/4，仍可滿足系統(tǒng)的要求。

其二，當(dāng)某系統(tǒng)水泵或冷卻塔出現(xiàn)故障，也可通過14層的連通管上的閥門切換，把整棟樓的系統(tǒng)合為一個(gè)大系統(tǒng)，至少有50%的能源備用，避免由于某系統(tǒng)故障導(dǎo)致該系統(tǒng)完全無法使用處境。

(2)水源多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)單個(gè)主機(jī)換熱器水流量為定流量(約6.0m3/h·10匹)，不管在夏季制冷或冬季制熱開啟時(shí)，通過單個(gè)主機(jī)換熱器水流量恒定，單個(gè)主機(jī)換熱器末端水管上設(shè)置電動(dòng)二通閥及流量開關(guān)(注意：電動(dòng)二通閥及流量開關(guān)需與冷卻水泵或采暖水泵電氣連鎖)，當(dāng)多臺(tái)水源多聯(lián)機(jī)空調(diào)主機(jī)連接水環(huán)系統(tǒng)，可通過電動(dòng)二通閥的開關(guān)實(shí)現(xiàn)整個(gè)水環(huán)系統(tǒng)的變流量控制；為了更好地保護(hù)水源多聯(lián)機(jī)空調(diào)主機(jī)的換熱器并在進(jìn)水管處需再增設(shè)一級(jí)Y型水過濾器；每臺(tái)主機(jī)末端均設(shè)沖洗閥，具體做法如圖2所示。為了避免主機(jī)房內(nèi)積水，溢到空調(diào)房間內(nèi)，因此必須于主機(jī)房內(nèi)設(shè)地漏。每臺(tái)主機(jī)仍需考慮75-100W的散熱量，因此設(shè)在封閉的機(jī)房需考慮散熱措施。

圖2 水冷“智能變頻一拖多”空調(diào)主機(jī)接管示意圖

節(jié)能控制原理為：當(dāng)水源多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)的室內(nèi)機(jī)隨著空調(diào)房間的負(fù)荷變化時(shí)，先通過該系統(tǒng)的制冷劑流量來調(diào)節(jié)，再通過該主機(jī)換熱器進(jìn)出水溫度的改變來實(shí)現(xiàn)末端能量調(diào)整。當(dāng)室內(nèi)機(jī)不供冷供熱時(shí)，連鎖關(guān)閉電動(dòng)開關(guān)閥，完全關(guān)掉主機(jī)側(cè)供水管，防止室外機(jī)側(cè)水空流。

(3)冬季采暖時(shí)，低噪型風(fēng)冷螺桿式熱泵機(jī)組生產(chǎn)出來的熱水經(jīng)板換熱后與夏季冷卻水管道共用,又因該項(xiàng)目所在的區(qū)域冬季采暖負(fù)荷遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于夏季空調(diào)負(fù)荷，冬季公共水環(huán)路采暖水流量也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于夏季公共水環(huán)路冷卻水水流量，且須保證每臺(tái)主機(jī)的最小流量(每個(gè)廠家對(duì)此均有不同的要求，具體參數(shù)應(yīng)與相關(guān)廠家咨詢溝通后再選型)。

按照設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)工況設(shè)計(jì)，采暖供/回水溫度為45℃/40℃，通過板換與夏季冷卻水系統(tǒng)共用。

(4)節(jié)能控制措施

①空調(diào)冷熱水由供回水壓差控制的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的旁通管路，以調(diào)節(jié)末端設(shè)備的供水量，從而使系統(tǒng)制冷和水力工況穩(wěn)定。

②多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)采用智能化與節(jié)能系統(tǒng)進(jìn)行控制，通過智能化控制器系統(tǒng)可對(duì)所有空調(diào)室內(nèi)機(jī)的電量消耗情況進(jìn)行專業(yè)的管理，即使一個(gè)分區(qū)采用一個(gè)以上的空調(diào)系統(tǒng)，也能精確計(jì)算出該分區(qū)所消耗的電量，并自動(dòng)生成報(bào)表，便于能量計(jì)費(fèi)。

③新風(fēng)機(jī)出水管上裝設(shè)電動(dòng)二通閥(比例式)，出風(fēng)管道上裝有溫度傳感器,通過溫控器調(diào)節(jié)供水量，改變送風(fēng)溫度，從而維持設(shè)定的送風(fēng)溫度。

④設(shè)置多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)內(nèi)機(jī)的房間均裝有室內(nèi)溫度控制器控制房間溫度,手動(dòng)三檔開關(guān)控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和啟停。

⑤冷水機(jī)組等機(jī)電一體化設(shè)備由中央空調(diào)智能化與節(jié)能系統(tǒng)進(jìn)行控制，利用負(fù)荷隨動(dòng)技術(shù)控制冷凍水系統(tǒng)；利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法控制冷卻水系統(tǒng)；實(shí)現(xiàn)本空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能運(yùn)行。

⑥冷卻水系統(tǒng)：將水源多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)、冷卻水泵以及冷卻塔風(fēng)機(jī)三者的總能耗之和作為一個(gè)整體，通過人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法模型進(jìn)行計(jì)算,在滿足空調(diào)末端冷量需求的前提下，找到水源多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)、冷卻水泵以及冷卻塔風(fēng)機(jī)三者的總能耗之和的最低值，并以此調(diào)節(jié)冷卻水泵和冷卻塔風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速或運(yùn)行臺(tái)數(shù)，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)冷卻水的流量,從而保證整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)始終處于整體能耗最低值。

5 結(jié)論

雖然水源多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)具備傳統(tǒng)風(fēng)冷多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)所不具備的優(yōu)勢，其主機(jī)小巧，占用的空間小，且可多臺(tái)疊放；并可隨意安裝在次要的房間內(nèi)。但水源多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)必須要有滿足該系統(tǒng)制冷負(fù)荷或制熱負(fù)荷所需的水流量，否則該機(jī)組的制冷量或制熱量性能將隨之下降，在水流量過小時(shí)，主機(jī)啟動(dòng)自我保護(hù)機(jī)制。合理的供回水溫度，合適的水質(zhì)和供水穩(wěn)定性是影響該系統(tǒng)高效運(yùn)行效果的重要要素，此可通過技術(shù)上處理。

由此可見，水源多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)在國家提倡低碳環(huán)保、構(gòu)建節(jié)約型綠色建筑下具有一定應(yīng)用空間及廣闊的發(fā)展前景。