某辦公樓集中會(huì)議室區(qū)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)與控制

楊超

中國(guó)建筑第二工程局有限公司

0 引言

在現(xiàn)代辦公建筑中，空調(diào)和新風(fēng)己成為不可或缺的需求。隨著現(xiàn)代建筑的品質(zhì)提升，新風(fēng)逐漸成為衡量建筑檔次的重要依據(jù)，高檔辦公新風(fēng)量需求高、室內(nèi)溫度的舒適要求也高。然而我國(guó)的建筑空調(diào)能耗也在逐年上升，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)景目標(biāo)“碳達(dá)峰”，“碳中和”任重道遠(yuǎn)。建設(shè)既滿足舒適度需求又能實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的暖通空調(diào)系統(tǒng)始終是設(shè)計(jì)師的初心。本文結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目，通過分析辦公樓空調(diào)系統(tǒng)的使用要求，利用多項(xiàng)技術(shù)措施實(shí)現(xiàn)集中會(huì)議室區(qū)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)。

本項(xiàng)目位于北京市朝陽區(qū)，是集商務(wù)辦公（包括自用辦公樓，出租辦公樓）、底層配套商鋪、員工餐廳及廚房、設(shè)備用房、地下停車庫于一體的現(xiàn)代化5A 級(jí)辦公樓。總建筑面積約為10 萬m2，建筑地上五層、地下一層，局部增設(shè)夾層。建筑高度27.35 m。

1 冷熱源及空調(diào)水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

供暖由直燃式溴化鋰吸收式制冷機(jī)提供60/50 ℃熱水。供冷由直燃式溴化鋰吸收式制冷機(jī)提供7/12 ℃冷水。建筑主體分為自持辦公區(qū)、外租辦公區(qū)，其中自持辦公區(qū)設(shè)置部分加班區(qū)域，幾部分區(qū)域使用時(shí)間和需求存在差異，同時(shí)考慮管理方便，將水系統(tǒng)分成自持辦公非加班區(qū)、自持辦公加班區(qū)、地板輻射供暖系統(tǒng)（冬季首層大堂區(qū)域設(shè)置）、外租辦公區(qū)、在分集水器處劃分環(huán)路并分別設(shè)置冷熱量計(jì)量裝置。

空調(diào)水系統(tǒng)豎向采用下供下回異程式系統(tǒng)，水平采用異程系統(tǒng)。每層空調(diào)機(jī)組及新風(fēng)機(jī)組與風(fēng)機(jī)盤管環(huán)路分開，風(fēng)機(jī)盤管環(huán)路設(shè)能量閥，能量閥按設(shè)計(jì)流量設(shè)置流量上限，防止過流現(xiàn)象發(fā)生。能量閥監(jiān)測(cè)供回水溫度，當(dāng)溫差小于設(shè)計(jì)值，減少通過閥的流量，避免大流量，小溫差現(xiàn)象發(fā)生。

風(fēng)機(jī)盤管回水管上均設(shè)電動(dòng)兩通閥?？照{(diào)及新風(fēng)機(jī)組回水管均設(shè)能量閥。

2 集中會(huì)議室區(qū)空調(diào)系統(tǒng)

2.1 室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)及新風(fēng)量標(biāo)準(zhǔn)

表1 為室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)。

表1 室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)

2.2 集中會(huì)議室區(qū)新風(fēng)系統(tǒng)

自持辦公區(qū)為某集團(tuán)總部辦公區(qū)，品質(zhì)要求高，新風(fēng)量高達(dá)50 m3/(h·人)，且會(huì)議室要求按滿座人員需求設(shè)計(jì)。會(huì)議室區(qū)集中成多個(gè)片區(qū)（圖1），每個(gè)片區(qū)由十幾個(gè)會(huì)議室組成，同時(shí)使用率最高可達(dá)100%，同時(shí)出現(xiàn)最多人數(shù)的持續(xù)時(shí)間少于3 h，是人員密度較大且變化較大的場(chǎng)所。

圖1 集中會(huì)議室平面圖

2.2.1 新風(fēng)量確定與節(jié)能設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的集中定風(fēng)量新風(fēng)設(shè)計(jì)對(duì)于節(jié)能十分不利，采用平均人數(shù)定新風(fēng)量又會(huì)降低室內(nèi)環(huán)境品質(zhì)。根二氧化碳并不是污染物，但可以作為評(píng)價(jià)室內(nèi)空氣品質(zhì)的指標(biāo)，現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》GB/T18883 對(duì)室內(nèi)二氧化碳的含量進(jìn)行了規(guī)定。當(dāng)房間內(nèi)人員密度變化較大時(shí)，如果一直按照設(shè)計(jì)的較大人員密度供應(yīng)新風(fēng)，將浪費(fèi)較多的新風(fēng)處理用冷、熱量。如果只變新風(fēng)量、不變排風(fēng)量，有可能造成部分時(shí)間室內(nèi)負(fù)壓，反而增加能耗，因此排風(fēng)量也應(yīng)適應(yīng)新風(fēng)量的變化以保持房間的正壓[1]。綜合考慮后每個(gè)房間新風(fēng)量按最大新風(fēng)量確定，系統(tǒng)新風(fēng)量取各房間新風(fēng)量之和，每個(gè)封閉房間設(shè)置回風(fēng)連通管至公共區(qū)域，經(jīng)主排風(fēng)口進(jìn)入空氣-空氣能量全熱回收新風(fēng)機(jī)組與新風(fēng)進(jìn)行能量交換后排出室外。配合變風(fēng)量的設(shè)計(jì)及控制達(dá)到節(jié)能與品質(zhì)需求的融合。

各房間設(shè)置電動(dòng)風(fēng)閥，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)手動(dòng)及感應(yīng)開關(guān)、同時(shí)控制室設(shè)集中控制裝置。風(fēng)閥在房間使用時(shí)開啟，無人時(shí)關(guān)閉。新風(fēng)閥于預(yù)約開會(huì)時(shí)間提前開啟，亦可現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)開啟，會(huì)議結(jié)束后由感應(yīng)裝置關(guān)閉新風(fēng)閥至最小開度關(guān)閉設(shè)最小風(fēng)量（30%）限制，現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行調(diào)試確定閥門開度比例。

新風(fēng)系統(tǒng)設(shè)置空氣-空氣能量回收裝置，采用帶空氣-空氣能量全熱回收裝置的新風(fēng)機(jī)組，內(nèi)部自帶旁通，過渡季關(guān)閉空氣-空氣能量回收，室外新風(fēng)直接送入室內(nèi)。冬季內(nèi)區(qū)適當(dāng)降低新風(fēng)送風(fēng)溫度，新風(fēng)供冷，承擔(dān)內(nèi)熱冷負(fù)荷。通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)即使在停用期間，室內(nèi)外空氣的溫濕度相差較大，空氣受壓力作用流出或流入室內(nèi)，都將造成大量熱損失[1]。為減少熱損失，新風(fēng)處理機(jī)組新風(fēng)管、排風(fēng)管貼近風(fēng)井處裝有漏風(fēng)量不大于0.5%的密閉性閥門，與機(jī)組連鎖啟閉。隨著風(fēng)機(jī)的啟停，自動(dòng)開啟或關(guān)閉，同時(shí)通往室外的風(fēng)道采用鍍鋅鋼板風(fēng)管內(nèi)襯于土建風(fēng)道內(nèi)，直接與外墻防雨百葉密封可靠。

2.2.2 新風(fēng)供冷

會(huì)議室區(qū)均處于內(nèi)區(qū)，室內(nèi)環(huán)境幾乎不受室外環(huán)境的影響，常年需要供冷，同時(shí)集中會(huì)議室區(qū)處于加班區(qū)，全年運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)，因此與外區(qū)分別設(shè)計(jì)和配置空調(diào)系統(tǒng)。這樣，不僅方便運(yùn)行管理，還可以避免冷熱抵消，在冬季和過渡季充分利用室外新風(fēng)供冷。會(huì)議室采用風(fēng)盤加新風(fēng)系統(tǒng)，冬季采用新風(fēng)供冷，關(guān)閉風(fēng)盤，利用調(diào)整水閥開度，降低新風(fēng)送風(fēng)溫度來帶走室內(nèi)余熱。以一個(gè)21 m2，12 人會(huì)議室為例，所需新風(fēng)量600 m3/h，如房間溫度22 ℃時(shí)，房間冬季冷負(fù)荷1454 W（顯熱），新風(fēng)量600 m3/h 送風(fēng)溫度為13.7 ℃。以送風(fēng)溫度12 ℃考慮，所需新風(fēng)量430 m3/h。以送風(fēng)溫度14 ℃考慮，所需新風(fēng)量538 m3/h。在設(shè)計(jì)新風(fēng)量供給情況下，送風(fēng)溫差可滿足人體舒適要求。如此，一年中將有大量時(shí)段可以采用新風(fēng)直接供冷，以及冬季時(shí)節(jié)消耗部分能量加熱至需求送風(fēng)溫度，達(dá)到舒適節(jié)能的空調(diào)效果。同時(shí)物業(yè)運(yùn)營(yíng)在夏季的夜間或室外溫度較低的時(shí)段，直接采用室外溫度較低的空氣對(duì)建筑進(jìn)行預(yù)冷。

2.2.3 新風(fēng)系統(tǒng)的自動(dòng)控制

系統(tǒng)新風(fēng)量取各房間新風(fēng)量之和，總量巨大，但大部分時(shí)間新風(fēng)機(jī)組需處于部分負(fù)荷甚至低負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)方可與房間使用需求匹配，定頻新風(fēng)機(jī)組將存在巨大能源浪費(fèi)或者末端使用房間大量關(guān)閉時(shí)造成管路阻力過大，與風(fēng)機(jī)匹配不適合造成電機(jī)故障。因此，設(shè)計(jì)采用多種優(yōu)化方式。

第一，將會(huì)議室區(qū)新風(fēng)與會(huì)議室周邊走道、休閑區(qū)等公共空間并入統(tǒng)一系統(tǒng)、公共區(qū)域的新風(fēng)口常開，以保持新鮮空氣的流通補(bǔ)給，同時(shí)避免機(jī)組風(fēng)量過低無法啟動(dòng)。

第二，室內(nèi)設(shè)置二氧化碳濃度監(jiān)測(cè)裝置，能夠根據(jù)室內(nèi)二氧化碳濃度進(jìn)一步調(diào)節(jié)電動(dòng)閥開度，在非滿座人員使用時(shí)降低新風(fēng)供給量，在人員密度較大且變化比較大的會(huì)議室實(shí)現(xiàn)更好的新風(fēng)需求控制。北京城市大氣CO2濃度最高值在1～2 月份或11～12 月份均可能出現(xiàn),變動(dòng)范圍為421.5～441.0μmol/mol[2]。當(dāng)室內(nèi)CO2濃度低于安全限值（例如500 ppm）時(shí)，電動(dòng)調(diào)節(jié)閥調(diào)至最小新風(fēng)量（閥位開度需要現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)確定）。當(dāng)室內(nèi)CO2濃度升高（例如范圍在500～800 ppm）時(shí)，電動(dòng)調(diào)節(jié)閥開度為設(shè)計(jì)風(fēng)量的開度（閥位開度需要現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)確定）。當(dāng)室內(nèi)CO2濃度范圍超過設(shè)定上限（例如800 ppm）時(shí)，電動(dòng)調(diào)節(jié)閥開度為100%全開狀態(tài)[3]。

第三，新風(fēng)機(jī)組設(shè)計(jì)為變頻運(yùn)行，采用當(dāng)前全空氣變風(fēng)量系統(tǒng)中較成熟的定靜壓控制方式實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)組送風(fēng)量的調(diào)節(jié)，管道靜壓傳感器設(shè)于送風(fēng)機(jī)與最遠(yuǎn)末端裝置之間75%距離的氣流穩(wěn)定段。風(fēng)機(jī)設(shè)最低頻率限值15 Hz，會(huì)議室單獨(dú)房間設(shè)電動(dòng)風(fēng)閥，房間使用時(shí)開啟，無人時(shí)關(guān)閉，關(guān)閉設(shè)最小風(fēng)量（30%）限制，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試確定閥門開度比例。

2.3 CFD 模擬分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)

對(duì)于部分較大會(huì)議室，以面積68 m2，長(zhǎng)×寬為8.4 m×8.4 m 的會(huì)議室為例，精裝美觀要求高，布置條形風(fēng)口帶少、間距大，計(jì)算氣流組織難以保證空調(diào)效果。原設(shè)計(jì)空調(diào)布置方案（圖2）存在溫度不均勻、風(fēng)速局部過高或過低的現(xiàn)象（圖3～4），空氣分布特性指標(biāo)（ADPI）值較低。經(jīng)調(diào)整多個(gè)布置方案，結(jié)合CFD 的模擬分析確定風(fēng)機(jī)盤管送回風(fēng)口交叉布置為最優(yōu)方案（圖5～7），ADPI 值達(dá)到90%。

圖2 原設(shè)計(jì)方案空調(diào)布置圖

圖3 原設(shè)計(jì)方案空調(diào)速度場(chǎng)圖

圖4 原設(shè)計(jì)方案空調(diào)溫度場(chǎng)圖

圖5 優(yōu)化空調(diào)布置圖

圖7 優(yōu)化空調(diào)溫度場(chǎng)圖

2.4 水系統(tǒng)控制

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)采用能量閥代替動(dòng)態(tài)平衡電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，在實(shí)現(xiàn)后者功能的同時(shí)可以避免大流量小溫差運(yùn)行的情況從而達(dá)到更好的節(jié)能效果?？刂葡到y(tǒng)由冷暖型比例加積分控制器、裝設(shè)在送風(fēng)口的溫度傳感器及裝設(shè)在回水管上的能量閥組成。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，能量閥按設(shè)計(jì)流量設(shè)置流量上限，防止過流現(xiàn)象發(fā)生。溫度控制器把溫度傳感器所檢測(cè)的溫度與溫度控制器設(shè)定的溫度相比較，并根據(jù)比較結(jié)果輸出相應(yīng)的電壓信號(hào)，控制能量閥的動(dòng)作，通過改變水流量，使送風(fēng)溫度保持在所需要的范圍。能量閥檢測(cè)供回水溫度，當(dāng)溫差小于設(shè)計(jì)值，減少通過閥的流量，避免產(chǎn)生大流量、小溫差現(xiàn)象。新風(fēng)機(jī)組以送風(fēng)溫度為控制信號(hào)，控制按鈕設(shè)在該層機(jī)房?jī)?nèi)，就地控制，樓宇自動(dòng)控制系統(tǒng)可以遠(yuǎn)程監(jiān)控。

風(fēng)機(jī)盤管環(huán)路每層水平干管設(shè)能量閥，能量閥按設(shè)計(jì)流量設(shè)置流量上限，防止過流現(xiàn)象發(fā)生。能量閥監(jiān)測(cè)供回水溫度，當(dāng)溫差小于設(shè)計(jì)值，減少通過閥的流量，避免大流量，小溫差運(yùn)行現(xiàn)象發(fā)生。

3 結(jié)語

1）辦公樓集中設(shè)置的會(huì)議室區(qū)是人員密度較大且變化較大的場(chǎng)所，為滿足品質(zhì)要求，系統(tǒng)新風(fēng)量按滿負(fù)荷設(shè)計(jì)。但許多時(shí)段處于部分新風(fēng)量運(yùn)行，通過設(shè)置能夠獨(dú)立控制的末端風(fēng)閥實(shí)現(xiàn)按需供應(yīng)新風(fēng)。

2）新風(fēng)系統(tǒng)設(shè)置空氣-空氣能量回收裝置，采用帶空氣-空氣能量全熱回收裝置的新風(fēng)機(jī)組，內(nèi)部自帶旁通，過渡季關(guān)閉空氣-空氣能量回收，室外新風(fēng)直接送入室內(nèi)。冬季內(nèi)區(qū)適當(dāng)降低新風(fēng)送風(fēng)溫度，新風(fēng)供冷，承擔(dān)內(nèi)熱冷負(fù)荷。

3）新風(fēng)機(jī)組變風(fēng)量運(yùn)行，室內(nèi)設(shè)置二氧化碳濃度監(jiān)測(cè)裝置，實(shí)現(xiàn)更大限度的節(jié)能運(yùn)行。

4）采用CFD 模擬分析輔助優(yōu)化設(shè)計(jì)，使氣流組織更加合理，空調(diào)效果更優(yōu)。

5）根據(jù)功能區(qū)合理劃分水環(huán)路并進(jìn)行冷熱量計(jì)量，并配置調(diào)節(jié)控制性能優(yōu)良的能量閥，管理方便，運(yùn)行減少能源浪費(fèi)。