超高層辦公建筑多聯(lián)式空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

葉 豐 溫州設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司高級(jí)工程師

在以分層、分單元產(chǎn)權(quán)或出租為主的辦公建筑中，各小業(yè)主工作時(shí)間、使用習(xí)慣等差異較大，對(duì)空調(diào)使用的需求也各不相同。多聯(lián)式空調(diào)系統(tǒng)具有使用靈活、設(shè)備緊湊、安裝維護(hù)簡(jiǎn)便以及可分區(qū)獨(dú)立控制和計(jì)費(fèi)等特點(diǎn)，所以在個(gè)性化使用要求較高的辦公建筑中的應(yīng)用越來(lái)越普遍。同時(shí)，針對(duì)某些分階段投用的辦公建筑，可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況分期、分批、逐層安裝，且不影響其他樓層空調(diào)的使用，同時(shí)緩解項(xiàng)目資金壓力。

對(duì)于超高層建筑，需要考慮空調(diào)區(qū)域劃分、冷媒管長(zhǎng)度衰減、室內(nèi)外機(jī)最大高低差等眾多要素，合理布置多聯(lián)式空調(diào)室外機(jī)位置，既能保證建筑外立面的美觀協(xié)調(diào)，又能確?？照{(diào)效果。

1 空調(diào)系統(tǒng)設(shè)置

進(jìn)深不大、窗戶面積較小的辦公空間，室內(nèi)熱環(huán)境差別不大。當(dāng)房間進(jìn)深較大（＞9 m）、窗戶面積大時(shí)，在周邊區(qū)全年空調(diào)負(fù)荷受室外氣候、日射和冬季窗面下降冷氣流等影響下，需要在夏季供冷、冬季供熱，春秋過(guò)渡季可以減小供冷量或供熱量。而內(nèi)區(qū)受室外氣候和日射影響較小，設(shè)備照明和人體散熱等常年穩(wěn)定的散熱，需要全年供冷[1]。根據(jù)《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50736-2012 7.3.2條的要求：進(jìn)深較大的開(kāi)敞式辦公用房，內(nèi)外區(qū)負(fù)荷特性相差很大，宜分別設(shè)置空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)[2]。

當(dāng)建筑物無(wú)明顯的內(nèi)區(qū)時(shí)，可根據(jù)產(chǎn)權(quán)或使用區(qū)域劃分多聯(lián)式空調(diào)系統(tǒng)，此時(shí)，同一系統(tǒng)內(nèi)為同時(shí)制冷或制熱。當(dāng)房間進(jìn)深較大時(shí)，需按內(nèi)、外區(qū)分設(shè)多聯(lián)式空調(diào)系統(tǒng)或采用熱回收型（自由冷暖）多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)，以滿足同時(shí)制冷、制熱的需求。

2 風(fēng)冷式外機(jī)設(shè)置

風(fēng)冷多聯(lián)式空調(diào)系統(tǒng)施工、運(yùn)維便利，在超高層建筑的應(yīng)用中，難點(diǎn)在于室外機(jī)的布置。超高層建筑中室外機(jī)通常為分層設(shè)置或就近集中設(shè)置于避難層、裙房及主樓屋面。分層布置較多應(yīng)用于超高層住宅和公寓，受限于立面及樓層自下而上的氣流干擾，較少應(yīng)用于超高層辦公建筑。以下著重探討外機(jī)在避難層的布置。

2.1 避難層布置要點(diǎn)

按照現(xiàn)行防火規(guī)范，兩個(gè)避難層之間的高度不宜＞50 m。參考主流品牌多聯(lián)機(jī)室內(nèi)外機(jī)間最大高度差大致為50～70 m（外機(jī)在上）、40 m（外機(jī)在下）。按上述數(shù)據(jù)，室外機(jī)就近布置于服務(wù)樓層上、下避難層時(shí)完全滿足最大高度差要求。

考慮避難區(qū)自然通風(fēng)要求及設(shè)備用房的布置，室外機(jī)通常會(huì)雙排集中布置，參考布置如圖1、2所示。為保證散熱效果，室外機(jī)側(cè)百葉開(kāi)口率需大于75%。

2.2 CFD模擬分析

按圖1平面布置，利用CFD模擬軟件Airpak進(jìn)行數(shù)值模擬。設(shè)定當(dāng)?shù)叵募臼彝饪照{(diào)計(jì)算溫度為33.8 ℃，室外平均風(fēng)速2.0 m/s。隨著建筑高度升高，空氣溫度下降及風(fēng)速上升。分別按第一避難層（高度50 m，33.8 ℃，2.7 m/s）和第三避難層（高度150 m，33.2 ℃，3.5 m/s）進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖1 避難層空調(diào)外機(jī)布置圖

圖2 空調(diào)外機(jī)剖面

圖3 迎風(fēng)面外機(jī)溫度模擬（左：第一避難層，右：第三避難層）

圖4 非迎風(fēng)面外機(jī)溫度模擬（左：第一避難層，右：第三避難層）

在4種模擬工況中，進(jìn)風(fēng)溫度最高為第三避難層迎風(fēng)面處外機(jī)，此時(shí)進(jìn)風(fēng)平均溫度（約42.7 ℃）仍滿足多聯(lián)機(jī)外機(jī)最高進(jìn)風(fēng)溫度要求。

如圖3所示，當(dāng)外機(jī)處立面為迎風(fēng)面時(shí)，進(jìn)風(fēng)溫度明顯高于非迎風(fēng)面，且隨著高度升高，風(fēng)速上升、進(jìn)風(fēng)溫度升高。

如圖4所示，當(dāng)外機(jī)處立面為非迎風(fēng)面時(shí)，隨著高度升高，進(jìn)風(fēng)溫度降低。綜上所述，當(dāng)條件許可時(shí)，室外機(jī)應(yīng)避免迎風(fēng)布置。

3 水冷式外機(jī)設(shè)置

當(dāng)建筑立面不能接受風(fēng)冷室外機(jī)所必需的百葉時(shí)，可設(shè)置水冷多聯(lián)空調(diào)系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)水循環(huán)系統(tǒng)換熱，無(wú)需考慮散熱排風(fēng)需求，確保建筑物外立面和諧美觀。夏季由冷卻塔散熱，冬季建筑物內(nèi)發(fā)熱量不能滿足外區(qū)需熱量時(shí)，采用燃?xì)忮仩t、市政熱源等向系統(tǒng)補(bǔ)充熱量。

當(dāng)條件許可時(shí)，也可以采用土壤源、地下水及地表水等可再生能源為系統(tǒng)補(bǔ)冷補(bǔ)熱。相對(duì)風(fēng)冷系統(tǒng)，其不受室外氣候限制，運(yùn)行穩(wěn)定。同時(shí)，同一建筑內(nèi)多套多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)并聯(lián)，共用換熱水系統(tǒng)，在過(guò)渡季節(jié)或其他內(nèi)外分區(qū)明顯的區(qū)域，系統(tǒng)可在水側(cè)完成熱回收，實(shí)現(xiàn)整體節(jié)能效果。

3.1 水冷多聯(lián)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

水冷多聯(lián)外機(jī)可放置于建筑內(nèi)區(qū)，并能上下重疊擺放，有效節(jié)省機(jī)組占地面積。為盡可能縮短多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)管長(zhǎng)，外機(jī)首選設(shè)于服務(wù)樓層的空調(diào)機(jī)房?jī)?nèi)，當(dāng)服務(wù)樓層無(wú)設(shè)置輔助用房條件時(shí)，外機(jī)亦可集中設(shè)置于避難層設(shè)備用房?jī)?nèi)。

水冷多聯(lián)空調(diào)系統(tǒng)冷媒側(cè)設(shè)計(jì)同風(fēng)冷系統(tǒng)，一樣其設(shè)計(jì)難度主要在于水側(cè)，對(duì)應(yīng)風(fēng)冷主機(jī)，水冷機(jī)每個(gè)模塊內(nèi)置板式或套管式換熱器，建議水系統(tǒng)采用閉式循環(huán)，散熱采用閉式冷卻塔或開(kāi)式冷卻塔加換熱機(jī)組。

根據(jù)某主流品牌水冷多聯(lián)式空調(diào)機(jī)組技術(shù)手冊(cè)，制冷制熱正常連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)水溫度范圍為15～45 ℃。此時(shí)外機(jī)制冷效率（cop）隨進(jìn)水溫度降低而升高，制熱效率（EER）隨進(jìn)水溫度升高而升高。通常浙江地區(qū)開(kāi)式冷卻塔供回水溫度設(shè)定在32 ℃/37 ℃。如按最小換熱溫差1.5 ℃選擇板換,則一次板換熱后供回水溫度33.5 ℃/38.5 ℃。為提高制熱效率，冬季補(bǔ)熱一次，換熱后供回水溫度取值45 ℃/40 ℃。根據(jù)技術(shù)手冊(cè)，設(shè)置冷工況室內(nèi)溫度為24 ℃、制熱工況室內(nèi)溫度20 ℃，對(duì)應(yīng)以上一次換熱后供回水溫度，以10 HP外機(jī)為例，cop為4.36、EER為8.75?？紤]水側(cè)承壓，二次板換設(shè)置于第二避難層（約100 m高度），假設(shè)二次換熱后供回水溫度分別為35℃/40℃、40℃/35℃，則對(duì)應(yīng)cop為4.18、EER為8.51。

根據(jù)空調(diào)逐時(shí)負(fù)荷統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、水側(cè)供回水溫度及水冷外機(jī)的COP、EER值，進(jìn)行冷卻塔、鍋爐、熱交換器及冷（熱）水泵選型。當(dāng)采用土壤源等補(bǔ)冷、補(bǔ)熱時(shí)，需進(jìn)行全年負(fù)荷計(jì)算。

3.2 水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

水系統(tǒng)建議同程設(shè)置，采用一次泵變水量系統(tǒng)，水泵采用臺(tái)數(shù)控制和變頻調(diào)節(jié)相結(jié)合，以減少運(yùn)行能耗，但需要保證水冷外機(jī)最小流量要求。水冷外機(jī)進(jìn)水管上設(shè)有電動(dòng)二通閥與機(jī)組聯(lián)鎖，為了保證水冷外機(jī)的水流量恒定，建議在外機(jī)每個(gè)模塊出水管上設(shè)置定流量閥門(mén)，提高系統(tǒng)輸送效率。配管大樣如圖5所示。

圖5 水源多聯(lián)式空調(diào)模塊配管大樣

4 結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)應(yīng)重視冬季內(nèi)、外區(qū)同時(shí)存在的冷、熱負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)熱量回收，提高系統(tǒng)的節(jié)能性。結(jié)合多聯(lián)機(jī)產(chǎn)品特性，設(shè)計(jì)合理的冷媒管長(zhǎng)度，同時(shí)應(yīng)滿足內(nèi)、外機(jī)高度差的要求。當(dāng)采用風(fēng)冷多聯(lián)系統(tǒng)，在滿足建筑立面美觀性的同時(shí)，需注意室外機(jī)的散熱環(huán)境，避免系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行在低效率區(qū)間。當(dāng)條件許可時(shí)，室外機(jī)應(yīng)避免迎風(fēng)布置。當(dāng)采用水冷多聯(lián)系統(tǒng)，水側(cè)系統(tǒng)應(yīng)考慮承壓分區(qū)設(shè)置并完善水力平衡設(shè)計(jì)。