一次回風(fēng)全空氣系統(tǒng)在商業(yè)建筑中的應(yīng)用分析

石磊 吳榮 梁雄光

保利商業(yè)地產(chǎn)投資管理有限公司

商業(yè)建筑的空調(diào)形式按負(fù)擔(dān)室內(nèi)空調(diào)負(fù)荷所用介質(zhì)可分為：全空氣系統(tǒng)，空氣-水系統(tǒng)，冷劑系統(tǒng)。其中全空氣系統(tǒng)在商業(yè)空調(diào)設(shè)計(jì)中有著空氣品質(zhì)好、節(jié)能效果明顯、維護(hù)簡(jiǎn)便等眾多優(yōu)點(diǎn)，迅速得到設(shè)計(jì)行業(yè)、商業(yè)管理的廣泛認(rèn)可。本文結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目為例，針對(duì)全空氣（一次回風(fēng)露點(diǎn)送風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)）與另外兩種常規(guī)空氣-水系統(tǒng)對(duì)比分析，探討全空氣空調(diào)系統(tǒng)在商業(yè)項(xiàng)目上的應(yīng)用特性。

1 實(shí)際工程案例

以佛山保利Mall 項(xiàng)目永盟區(qū)域首層為例，對(duì)幾種空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比分析。商業(yè)建筑對(duì)送風(fēng)溫度要求不高，采用露點(diǎn)送風(fēng)方式，按室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度26 ℃、相對(duì)濕度50%考慮。

佛山市（同廣州市）夏季室外空氣計(jì)算參數(shù)具體見表1：

表1 佛山市夏季室外計(jì)算參數(shù)

1.1 三種空調(diào)形式設(shè)計(jì)：

1.1.1 一次回風(fēng)露點(diǎn)送風(fēng)的全空氣系統(tǒng)

佛山保利Mall 項(xiàng)目首層北端永盟區(qū)域空調(diào)面積約3660 m2，一次設(shè)計(jì)為全空氣系統(tǒng)，選用了3 臺(tái)同型號(hào)參數(shù)的臥式空調(diào)機(jī)組：L=36000 m3/h；H=300 Pa；Q=288 kW；N=15 kW。

商場(chǎng)按人員密度0.4 人/m2計(jì)，人均新風(fēng)量取20 m3/(h·人)（參考文獻(xiàn)[1]第3.0.6 條），則單臺(tái)空調(diào)機(jī)組夏季工況設(shè)計(jì)新風(fēng)量為：L新=3660×0.4×20÷3=9760≈10000 m3/h。

夏季室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)（tN=26 ℃，φN=50%，tN=52.9 kJ/kg，dN=10.5 g/kg 干空氣），則室外氣象的參數(shù)（tW=34.2 ℃，φW=68%，tW=95 kJ/kg，dW=23.7 g/kg 干空氣），在焓濕圖上繪制曲線如圖1 所示：

圖1 永盟區(qū)域一次回風(fēng)系統(tǒng)h-d 圖

查圖可以知道C 點(diǎn)：焓值hC=64.6 kJ/kg，相對(duì)濕度dC=14.2 g/kg干空氣。

由空調(diào)機(jī)組表冷段處理過程知：QS=G(hC-hL)，而QS=288 kW，送風(fēng)量G=36000×1.01/3600=10.1 kg/s。代入上式可得hL=36.1 kJ/kg，空調(diào)機(jī)組機(jī)器露點(diǎn)取φ=90%[2]，則在焓濕圖上可知對(duì)應(yīng)露點(diǎn)相對(duì)濕度dL=8.8 g/kg 干空氣。則：承擔(dān)室內(nèi)負(fù)荷Q0=G×(hN-hL)=10.1×(52.9-36.1)≈170 kW，其中顯熱負(fù)荷為Q顯=G×(tN-tL)=10.1×(26-13.8)=123 kW，承擔(dān)新風(fēng)負(fù)荷QX=QS-Q0=288-170=118 kW。

1.1.2 風(fēng)機(jī)盤管加新風(fēng)系統(tǒng)

根據(jù)文獻(xiàn)[1]第7.3.10 條“風(fēng)機(jī)盤管加新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，新風(fēng)宜直接送入人員活動(dòng)區(qū)”，為便于分析計(jì)算，設(shè)定風(fēng)機(jī)盤管只承擔(dān)室內(nèi)負(fù)荷，新風(fēng)只承擔(dān)新風(fēng)本身的負(fù)荷。

選取一臺(tái)全空氣系統(tǒng)空調(diào)機(jī)組對(duì)應(yīng)的空調(diào)面積，若設(shè)計(jì)選用風(fēng)機(jī)盤管加新風(fēng)系統(tǒng)，新風(fēng)機(jī)組露點(diǎn)（φ=90%）送風(fēng)且處理至室內(nèi)等焓線，則選用：

新風(fēng)機(jī)：QX=118 kW，LX=10000 m3/h。

風(fēng)機(jī)盤管：選用某品牌編號(hào)為GFC-08-CC-3S 的三排管標(biāo)準(zhǔn)型（12 Pa 靜壓），其全熱量為7.92 kW，顯熱量為5.85 kW。

根據(jù)前述計(jì)算有：室內(nèi)冷負(fù)荷Q0=170 kW，顯熱負(fù)荷為Q顯=123 kW。

按全熱計(jì)算應(yīng)設(shè)計(jì)風(fēng)機(jī)盤管臺(tái)數(shù)n1=170/7.92=21.5≈22 臺(tái)，按顯熱計(jì)算應(yīng)設(shè)計(jì)風(fēng)機(jī)盤管臺(tái)數(shù)n2=123/5.85≈21 臺(tái)，對(duì)比選擇設(shè)計(jì)臺(tái)數(shù)取22 臺(tái)。

1.1.3 吊柜加新風(fēng)系統(tǒng)

若設(shè)計(jì)選用吊柜加新風(fēng)系統(tǒng)，則選用：

新風(fēng)機(jī)：QX=118 kW，LX=10000 m3/h。

吊柜：選用某品牌編號(hào)為AH04B-6R 的六排管設(shè)備，其額定風(fēng)量為4000 m3/h，額定冷量為30.7 kW。則n=170/30.7=5.54 臺(tái)，選擇設(shè)計(jì)臺(tái)數(shù)取6 臺(tái)。

1.2 空調(diào)系統(tǒng)配置對(duì)比

首層北端永盟區(qū)域采用三種不同空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)備表統(tǒng)計(jì)對(duì)比如表2 所示：

表2 空調(diào)系統(tǒng)配置對(duì)比

1.3 空調(diào)系統(tǒng)造價(jià)分析

參考某設(shè)備廠商的供貨單價(jià)，三種空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備采購(gòu)價(jià)格如表3 統(tǒng)計(jì)：

表3 空調(diào)系統(tǒng)造價(jià)對(duì)比

結(jié)論：由表3 可知，三種系統(tǒng)在設(shè)備成本上A 系統(tǒng)最低，B 系統(tǒng)及C 系統(tǒng)分別比其高出8.6%及25%。

此外三種空調(diào)系統(tǒng)總風(fēng)量相當(dāng)，對(duì)于風(fēng)系統(tǒng)、水系統(tǒng)施工下料而言，末端越分散、管道布置越密集其對(duì)應(yīng)的鐵皮用料、管材、閥門閥件的用量越多，總造價(jià)也相應(yīng)越高，因此A 系統(tǒng)較B、C 系統(tǒng)在施工用料成本上也能減少預(yù)算。

1.4 維護(hù)成本

全空氣系統(tǒng)屬與集中式空調(diào)系統(tǒng)。在運(yùn)營(yíng)中需對(duì)空調(diào)機(jī)組進(jìn)行集中維護(hù)：空調(diào)機(jī)組應(yīng)定期對(duì)風(fēng)閥、表冷器、電機(jī)等每周定期檢查一次，風(fēng)閥開啟或關(guān)閉時(shí)應(yīng)注意是否運(yùn)行平穩(wěn)、無異響，表冷器是否積灰、泄漏，電機(jī)皮帶存在嚴(yán)重磨損、變形等。同時(shí)還應(yīng)對(duì)空調(diào)系統(tǒng)回風(fēng)口、濾網(wǎng)行定定期清洗。

風(fēng)機(jī)盤管加新風(fēng)系統(tǒng)屬半集中式空調(diào)系統(tǒng)。新風(fēng)機(jī)組外均分散布置在空調(diào)區(qū)各處，清洗維護(hù)類似上述全空氣系統(tǒng)空調(diào)機(jī)組。風(fēng)機(jī)盤管在運(yùn)營(yíng)中需逐個(gè)進(jìn)行維護(hù)：定期對(duì)其回風(fēng)過濾網(wǎng)進(jìn)行清洗，定期清洗其供水管Y 型過濾器。

由此可見集中設(shè)備管理維護(hù)較半集中設(shè)備更為便利，全空氣系統(tǒng)在后期運(yùn)營(yíng)過程中成本更低，故障數(shù)更低。機(jī)組檢修工作無需進(jìn)入商戶進(jìn)行，不影響商戶經(jīng)營(yíng)以及商戶或公區(qū)天花的完整性。

2 全空氣系統(tǒng)的變新風(fēng)及全新風(fēng)運(yùn)行

前述三種系統(tǒng)的風(fēng)速調(diào)節(jié)的需求亦有區(qū)別：風(fēng)機(jī)盤管及吊柜一般僅為三速調(diào)節(jié)，在很大程度上直接制約了末端運(yùn)營(yíng)的節(jié)能性。而組合式空調(diào)機(jī)組的電機(jī)轉(zhuǎn)速一般在50%～100%范圍可調(diào)，其對(duì)應(yīng)電機(jī)功率則在12.5%～100%之間變換，其節(jié)能效益相當(dāng)可觀。

如圖2 所示，一次回風(fēng)系統(tǒng)如果關(guān)閉或者調(diào)小回風(fēng)閥開度，加大新風(fēng)閥開度，系統(tǒng)即在全新風(fēng)或變新風(fēng)工況下運(yùn)行。這種工況廣泛應(yīng)用于過渡季和新風(fēng)冷卻節(jié)能運(yùn)行中。一般春、秋季甚至夏季極端情況下空調(diào)系統(tǒng)新風(fēng)比焓可能小于回風(fēng)比焓，此時(shí)即為常說的過渡季[3]。變新風(fēng)工況常用于冬季，由于人員、燈光、設(shè)備等散熱，商業(yè)內(nèi)區(qū)仍然需要空調(diào)系統(tǒng)供冷，但新風(fēng)溫度遠(yuǎn)低于室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度，可通過調(diào)節(jié)新風(fēng)比達(dá)到舒適的送風(fēng)溫度。

圖2 一次回風(fēng)空調(diào)平面圖

以佛山地區(qū)11 月、12 月為例，當(dāng)?shù)?1 月、12 月歷史平均最高溫度分別為26 ℃、21 ℃，完全可以采用全新風(fēng)或變新風(fēng)工況運(yùn)行，此時(shí)的設(shè)計(jì)送風(fēng)量一般為夏季標(biāo)準(zhǔn)工況送風(fēng)量的70%，電機(jī)轉(zhuǎn)速則為設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速的70%，因電機(jī)功率E 與轉(zhuǎn)速n 的三次方成正比[4]：

根據(jù)前述佛山保利Mall 項(xiàng)目首層永盟區(qū)域全空氣系統(tǒng)空調(diào)機(jī)組總配電功率：E1=15*3=45 kW，又因n2/n1=0.7，則可得E2≈15.5 kW。

由此可見，全新風(fēng)或變新風(fēng)工況時(shí)，電機(jī)功率僅為滿負(fù)荷工況的34.3%，大大節(jié)省了空調(diào)運(yùn)行能耗。其既能在不影響室內(nèi)空氣品質(zhì)的前提下節(jié)省末端運(yùn)行能耗，又可節(jié)約制冷主機(jī)及水泵能耗。而風(fēng)機(jī)盤管（或吊柜）加新風(fēng)系統(tǒng)的新風(fēng)量受限，仍需依靠水系統(tǒng)帶走室內(nèi)負(fù)荷，即便在過渡季利用冷卻塔免費(fèi)供冷[5]，仍然避免不了水泵、冷卻塔電機(jī)的能源消耗。

3 全空氣空調(diào)系統(tǒng)在舊改項(xiàng)目中存在困難

雖說全空氣空調(diào)系統(tǒng)擁有諸多優(yōu)勢(shì)，但舊改項(xiàng)目往往由于既有條件的制約而影響到空調(diào)系統(tǒng)的改造：

①新風(fēng)井尺寸不足：商場(chǎng)原空調(diào)設(shè)計(jì)未考慮全新風(fēng)工況，其新風(fēng)井設(shè)計(jì)風(fēng)量?jī)H為夏季工況的計(jì)算風(fēng)量（約送風(fēng)量的30%[6]），若改造后需考慮全新風(fēng)運(yùn)行，則新風(fēng)井面積需擴(kuò)大至兩倍以上，這在土建條件已經(jīng)成型的建筑中實(shí)現(xiàn)難度較大。

②現(xiàn)有新、回風(fēng)閥無電動(dòng)調(diào)節(jié)功能：原設(shè)計(jì)未考慮變新風(fēng)運(yùn)行，其新、回風(fēng)閥僅可開啟及關(guān)閉。改造設(shè)計(jì)中需更換新、回風(fēng)閥為電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，并將其納入BA 控制中。

③BA 控制策略問題：原設(shè)計(jì)BA 控制功能簡(jiǎn)單，一般根據(jù)商場(chǎng)回風(fēng)溫度調(diào)節(jié)水系統(tǒng)末端流量或者間歇性停開空調(diào)機(jī)組從而達(dá)到降費(fèi)目的，其節(jié)能效果比較有限且影響商場(chǎng)人員舒適度。改造設(shè)計(jì)中需加入新回風(fēng)比調(diào)節(jié)、送風(fēng)量調(diào)節(jié)等控制策略。

④風(fēng)機(jī)變頻特性曲線、控制邏輯相關(guān)問題：送風(fēng)量調(diào)節(jié)與風(fēng)機(jī)性能曲線息息相關(guān)，既有風(fēng)機(jī)若不具備變頻控制條件，改造中則以在外部增設(shè)變頻器的手段實(shí)現(xiàn)其變頻運(yùn)行。但由于風(fēng)機(jī)特性曲線的制約，其變頻后各個(gè)工況點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的效率值是否仍在合理范圍內(nèi)尚需根據(jù)風(fēng)機(jī)各自情況進(jìn)行分析確定，符合條件則較容易實(shí)施，否則需更換風(fēng)機(jī)甚至整個(gè)空調(diào)機(jī)組。

4 結(jié)語

三種空調(diào)系統(tǒng)對(duì)比情況如表4 所示：

表4 空調(diào)系統(tǒng)綜合情況對(duì)比

可見全空氣空調(diào)系統(tǒng)較另外兩種半集中系統(tǒng)更適合在商業(yè)建筑中廣泛應(yīng)用，不論是初投資還是后期維護(hù)投資都能節(jié)省費(fèi)用，運(yùn)營(yíng)過程中也有優(yōu)異的節(jié)能表現(xiàn)。此外，全空氣空調(diào)系統(tǒng)由于商業(yè)區(qū)域僅有風(fēng)管排布、無需機(jī)組吊裝，更利于開展管線綜合布置及BIM 設(shè)計(jì)工作，從而降低施工難度和節(jié)省施工費(fèi)用。

全空氣空調(diào)系統(tǒng)在舊改項(xiàng)目中仍存在不少困難，需結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際情況具體分析，找出最佳解決途徑以達(dá)到利用盡可能小的投資取得盡可能大的節(jié)能降費(fèi)效果。