疫情期間超高層建筑暖通運行研究

孫 建（上海中心大廈世邦魏理仕物業(yè)管理有限公司，上海 200121）

2020 年 1 月，新冠疫情爆發(fā)，全國各地很快紛紛宣布啟動重大突發(fā)公共衛(wèi)生事件一級響應(yīng)機制，各項最嚴(yán)的聯(lián)防聯(lián)控措施立即展開，很快專家即宣布新冠病毒和 SARS 病毒一樣能通過氣溶膠傳播，這意味著作為人員密集性場所的寫字樓、購物中心、酒店等場所的中央空調(diào)系統(tǒng)面臨著防疫的最大風(fēng)險和挑戰(zhàn)，一旦控制不當(dāng)會存在交叉感染，疫情擴散的風(fēng)險。

超高層建筑由于其自身空調(diào)設(shè)計的原因更是首當(dāng)其沖，其在設(shè)計中會考慮到高度產(chǎn)生的風(fēng)速影響、煙囪效應(yīng)以及安全等原因，較少地采用可開啟窗的設(shè)計，這使得整個大樓的玻璃幕墻基本處于完全封閉的狀態(tài)，為滿足 GB/T 18883—2002《室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定人均新風(fēng)換氣量≥30 m3/h，通常會采用設(shè)備層增設(shè)新風(fēng)和排風(fēng)的方式為室內(nèi)補充新鮮空氣，減少各種苯、甲醛等有害物質(zhì)對健康的損害，并且通過有組織的氣流運動，從而實現(xiàn)改善室內(nèi)空氣質(zhì)量的目的，也就是說疫情期間一般的超高層建筑無法滿足關(guān)閉空調(diào)，僅開窗通風(fēng)的要求，這樣超高層建筑中的暖通設(shè)計以及疫情期的運行策略將很大程度上決定了該大樓是否能安然度過疫情。

1 疫情下超高層建筑中暖通系統(tǒng)的基本現(xiàn)狀及隱患

超高層建筑中空調(diào)系統(tǒng)比較常用的有 2 種：風(fēng)機盤管加新風(fēng)系統(tǒng)和全空氣系統(tǒng)。而全空氣空調(diào)系統(tǒng)作為目前高層建筑辦公采用最多的空調(diào)形式已基本取代了傳統(tǒng)的風(fēng)機盤管加新風(fēng)的設(shè)計，大部分采用了熱回收新風(fēng)機組為新風(fēng)來源，樓層采用空氣處理機組（Air Handling Unit，以下簡稱 AHU）加末端空氣變風(fēng)量空調(diào)(Variable Volume Terminal Unit，以下簡稱 VAV) 的系統(tǒng)運行形式，上海中心大廈辦公也遵循此設(shè)計。此類集中式全空氣空調(diào)系統(tǒng)完全能滿足辦公樓的空調(diào)需求，并在節(jié)能以及空氣質(zhì)量的保證方面表現(xiàn)突出。

全空氣中央空調(diào)系統(tǒng)的好處還在于末端不會有水系統(tǒng)的跑冒滴漏及冷凝水產(chǎn)生從而影響客戶，也可以有效處理回風(fēng)的污染，但是正是全空氣系統(tǒng)的回風(fēng)會導(dǎo)致空氣中的病菌通過循環(huán)造成交叉感染的風(fēng)險。一旦建筑物內(nèi)有疫情發(fā)生，中央空調(diào)系統(tǒng)的不當(dāng)使用將會造成非常嚴(yán)重且不可挽回的損失。

2 暖通系統(tǒng)在疫情期的運行策略及可能遇到的問題

疫情發(fā)生后，上海市疾病預(yù)防控制中心第一時間發(fā)布《關(guān)于下發(fā)上海市新型冠狀病毒感染的肺炎疫情防控集中空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)使用要求的通知》，明確為有效預(yù)防和控制感染的發(fā)生，避免人員集中場所的新冠病毒通過集中空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)傳播，對各種場所的集中空調(diào)提出了使用原則，其中對辦公場所中采用全空氣空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的空調(diào)區(qū)域，要求原則上暫停使用，如需繼續(xù)使用必須加大新風(fēng)量，并關(guān)閉回風(fēng)，同時開啟相應(yīng)的排風(fēng)系統(tǒng)，并適當(dāng)開啟外窗加大通風(fēng)有效性，使系統(tǒng)處于全新風(fēng)運行模式，這其實就是為采用集中式全空氣空調(diào)系統(tǒng)規(guī)定了疫情期的運行策略--全新風(fēng)模式運行。

但由于設(shè)計原因全新風(fēng)模式并不適用于大部分的全空氣空調(diào)系統(tǒng)，通常會產(chǎn)生以下一些問題：

（1）新風(fēng)量不夠，通常為了節(jié)能，樓層的設(shè)計新風(fēng)量通常以最小新風(fēng)量 30 m3/h·人取值，而高檔辦公一般以 8 m2/人為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計參考，總設(shè)計量有限，實際辦公室人員密度較大，一旦關(guān)閉回風(fēng)，全新風(fēng)的狀態(tài)下無法保證房間內(nèi)空調(diào)的舒適度。

（2）超高層建筑普遍缺乏可開啟外窗，排風(fēng)設(shè)計量按新風(fēng)量總量的 75%～95% 系數(shù)設(shè)計，新風(fēng)量小排風(fēng)量也必然偏小，無法保證樓層換氣次數(shù)。

（3）AHU在切斷回風(fēng)僅靠新風(fēng)供應(yīng)的情況下，風(fēng)機的頻率很難控制在低頻率的狀態(tài)下長期運行，需要把頻率及出風(fēng)量調(diào)整至與新風(fēng)量相近，比較困難，處理不當(dāng)易造成機房門縫漏風(fēng)、嘯叫情況等。

（4）同樣必須保證新風(fēng)機及AHU的消殺以及各空氣處理裝置的有效運行，高效的日常處置維護能力及 BA 操作人員素質(zhì)要求極高。

（5）全空氣系統(tǒng)回風(fēng)管未設(shè)計回風(fēng)箱直接接入 AHU 機組，而是回風(fēng)管只連接至機房隔墻處，靠機房的密閉空腔原理回風(fēng)至 AHU 機組，回風(fēng)管手閥在租戶區(qū)內(nèi)操作難度大無法關(guān)閉，只能人為封堵機房內(nèi)的回風(fēng)口，工作量較大。

3 案例分享

3.1 防疫期間的全新風(fēng)模式運行前的準(zhǔn)備工作

（1）緊急成立疫情疾控處理小組。2020 年 1 月 20日，疫情開始初期，當(dāng)上海市衛(wèi)健委發(fā)布通報，上海中心大廈就開立即成立了暖通疾控小組專門負(fù)責(zé)在疫情期間的暖通專業(yè)的各項防控工作，并在第一時間制定為全面實行全新風(fēng)運行模式的緊急計劃及措施。

（2）緊急采購防疫物資。疫情期間各項防疫物資勢必為炙手可熱的采購對象，為了保證大廈空調(diào)設(shè)備的定期消毒，采購消毒劑、清洗劑和員工所需口罩為重中之重，沒有相關(guān)物資的存貯，后期的疫情防控和空調(diào)箱過濾率網(wǎng)等重要部件的消毒也將是空談。

（3）緊急制定空調(diào)設(shè)備維護消毒計劃。完善可行的計劃離不開詳細(xì)的日常設(shè)備臺賬，根據(jù)上海中心辦公租戶的入住情況及設(shè)備運行情況進行排查，在 2 周內(nèi)有針對性的對204 臺 AHU 空調(diào)箱及 36 臺 HRU 全熱新風(fēng)機的過濾網(wǎng)、中效電子凈化器、納米光子、蒸汽加濕器等設(shè)備分批進行維保消毒工作。

（4）人工關(guān)閉回風(fēng)。全新風(fēng)模式運行前，必須保證進入機房內(nèi)的回風(fēng)管完全封堵，空調(diào)箱回風(fēng)口帆布封堵；打開所有新風(fēng)手閥，保證新風(fēng)閥門全開啟用狀態(tài)。

3.2 上海中心大廈全空氣系統(tǒng)設(shè)計分析

上海中心大廈的 AHU 分別設(shè)置在各自樓層的機房或相鄰的設(shè)備層中，新風(fēng)經(jīng)設(shè)置在各區(qū)設(shè)備層的熱回收型新風(fēng)處理機組集中處理后送至各自樓層，新風(fēng)處理機組一般均為雙風(fēng)機熱回收機組，內(nèi)設(shè)轉(zhuǎn)輪式全熱回收器，可以有效回收排風(fēng)的能量。新風(fēng)處理機組內(nèi)設(shè)置干蒸汽加濕器可以對空氣進行加濕處理，在空氣凈化方面，AHU 通常會分別設(shè)置初效濾網(wǎng)、中效靜電除塵裝置以及納米光子殺菌裝置等空氣處理段，新風(fēng)機組的分級采用變頻控制，可以根據(jù)房間內(nèi)的 CO2濃度調(diào)節(jié)新風(fēng)量，達到節(jié)能目的，但當(dāng)新風(fēng)量達到房間的最小新風(fēng)量時，則需要維持在最小新風(fēng)量，保證房間的最小換氣次數(shù)。辦公區(qū)空調(diào)系統(tǒng)通常劃分為內(nèi)外區(qū)，內(nèi)區(qū)常年供冷，一般采用單風(fēng)道式變風(fēng)量末端裝置，外區(qū)可以根據(jù)室外氣候變化和負(fù)荷變化對供冷或供熱模式進行調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)換，通常采用帶熱水盤管加熱的并聯(lián)風(fēng)機動力型末端裝置。

上海中心大廈的辦公樓層分 6 個區(qū)，因整體建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計，每個區(qū)的建筑面積是由下往上逐漸遞減的，故而每個區(qū)的新風(fēng)量、排風(fēng)量、空調(diào)箱 AHU 的設(shè)計風(fēng)量包括數(shù)量也是各不相同，這對于全新風(fēng)的運行策略計算和管理帶來很大的難度。

通過以上設(shè)計分析為了更好說明上海中心大廈新風(fēng)引入的路徑，以 2 區(qū)辦公樓層為例，做了一張全空氣系統(tǒng)路由示意圖作為全新風(fēng)策略的參考，詳見圖 1。

圖1 上海中心大廈全空氣系統(tǒng)示意圖

3.3 全新風(fēng)運行策略說明

（1）原設(shè)計新風(fēng)及排風(fēng)與實際需求對比分析。以辦公2 區(qū)為列，辦公樓層為 12 F，豎向為 4 路新風(fēng)和 2 路日常排風(fēng)。原設(shè)計系統(tǒng)為每層設(shè)置 4 臺 AHU 空調(diào)機組，除了 8 F AHU 二臺設(shè)計風(fēng)量為 20000 m3/h 和 33000 m3/h，其余樓層都為 25000 m3/h。設(shè)備層 7 F和 20 F 各設(shè)置 3 臺 HRU 全熱轉(zhuǎn)輪熱回收新風(fēng)機組，共計 6 臺，新風(fēng)機和排風(fēng)機單臺設(shè)計風(fēng)量分別為 27200 m3/h 和 25500 m3/h，總設(shè)計新風(fēng)量為 163200 m3/h，排風(fēng)量為 153000 m3/h，排風(fēng)為新風(fēng)量的 94% 取值，微正壓。原設(shè)計院系統(tǒng)圖設(shè)計風(fēng)量為除了 8 樓每臺 AHU 供應(yīng)新風(fēng) 3450 m3/h 外，其樓層都為3390 m3/h，而每層僅有的 2 個日常排風(fēng)口風(fēng)量除了 8 樓為4800 m3/h，其余為 4610 m3/h，整個區(qū)的設(shè)計排風(fēng)量遠遠＜HRU 機組排風(fēng)最大值，以上為設(shè)計參數(shù)，但往往設(shè)備實際選型上參數(shù)都會放余量，通過現(xiàn)場實際的設(shè)備選型參數(shù)對原設(shè)計參數(shù)進行調(diào)整也是必須要考慮的。

2 區(qū)的每層的租賃面積為 3500 m2左右，按照 8 m2/人的人員密度，一層的入駐人數(shù)大致為 438 人，按照所需新風(fēng)量為 30 m3/h/人計算，一層所需新風(fēng)量為 13140 m3/h，而設(shè)計新風(fēng)量為 3390 m3×4=13560 m3/h，設(shè)計新風(fēng)量可滿足需求。但在實際入駐租戶中存在一個樓面 800 多員工的情況，新風(fēng)量按照原設(shè)計值供應(yīng)是遠遠不夠的。此時必須考慮根據(jù)每個樓層的實際入駐租戶員工人數(shù)調(diào)整個樓層的新風(fēng)量供給。

樓層新風(fēng)量測算及新風(fēng)機組運行策略。為了更好的分析每個樓層每臺空調(diào)箱服務(wù)區(qū)域的新風(fēng)量需求，需要對辦公樓層的實際使用面積，租戶人員數(shù)量進行相關(guān)統(tǒng)計，保證新風(fēng)量供應(yīng)的準(zhǔn)確性和可操作性，詳見表 1。除去未有租戶的樓層關(guān)閉新風(fēng)外，其余樓層需求新風(fēng)量需要對比最低風(fēng)機頻率極限 20 HZ 情況下的實際風(fēng)量（現(xiàn)場情況測定＞5000 m3/h）從而綜合判定每臺 AHU 的新風(fēng)量共給，通過計算分析和總結(jié)最后決定以5000 m3/h為標(biāo)準(zhǔn)線進行分配新風(fēng)，即新風(fēng)需求＜20000 m3/h 的樓層以單臺 AHU 供應(yīng) 5000 m3/h 設(shè)置，新風(fēng)需求＞20000 m3/h 的按照以單臺AHU 供應(yīng) 8000 m3/h設(shè)置。在 6 臺新風(fēng)機組全開的情況下滿足全新風(fēng)運行的策略。

表1 租戶樓層所需新風(fēng)量統(tǒng)計

（3）調(diào)整新風(fēng)量的方法。開啟所有 6 臺新風(fēng)機組送風(fēng)機和排風(fēng)機，頻率強制 50 HZ 最大風(fēng)量運行，關(guān)閉轉(zhuǎn)輪熱回收裝置，防止疫情期間因排風(fēng)漏風(fēng)等問題污染新風(fēng)。開啟AHU 機組，根據(jù)實際新風(fēng)量調(diào)整 AHU 頻率，使 AHU 的系統(tǒng)實際風(fēng)量最大可能的接近于進入機房 AHU 的新風(fēng)量顯示數(shù)值。

關(guān)閉空置單元 AHU 機組及新風(fēng)閥，在滿足設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)最小新風(fēng)量的基礎(chǔ)上針對人員少的樓層的通過 CO2濃度設(shè)定值調(diào)節(jié)或者手動新風(fēng)閥開度的方法降低新風(fēng)量，將多余的新風(fēng)最大限度的供給人員密集的辦公租戶樓層，此工作量相對于超高層建筑來說工作量巨大，但也是響應(yīng)防疫指導(dǎo)文件要求，滿足租戶正常新風(fēng)量供給保證和空調(diào)溫度保證的必要工作。

待調(diào)試 HRU 新風(fēng)機組風(fēng)機頻率、AHU 頻率，AHU 送風(fēng)壓力，末端變風(fēng)量 VAV 的實際風(fēng)量滿足全新風(fēng)運行的基本條件，全新風(fēng)運行模式就正式啟動了。解決了新風(fēng)問題，室內(nèi)的溫度也是需要盡快調(diào)整的，HRU 的新風(fēng)的送風(fēng)溫度設(shè)定值也需要隨季節(jié)的變化進行相應(yīng)的調(diào)整，在日常的操作和觀察中發(fā)現(xiàn)冬季新風(fēng)溫度設(shè) 22 ℃，過度季設(shè) 18 ℃ 為較理想的設(shè)定溫度。由于辦公區(qū)域分內(nèi)外區(qū)，冬季外冷內(nèi)熱，過渡季和夏季內(nèi)外都需要制冷，單靠新風(fēng)負(fù)荷無法完全消除內(nèi)區(qū)的室內(nèi)過熱量，還是需要靠 AHU 空調(diào)箱的冷水盤管將新風(fēng)溫度進一步降低冷卻，才能滿足室內(nèi)溫度要求，但由于AHU 回風(fēng)封堵，傳感器無法讀取準(zhǔn)確的回風(fēng)溫度，AHU 風(fēng)閥和水閥都無法根據(jù)實際情況自動調(diào)節(jié)，只能將末端的 VAV風(fēng)閥開度強制 90%，BA 操作人員時刻關(guān)注租戶室內(nèi)溫度進行遠程操控干預(yù)水閥開度的方法進行溫度的保障，此人為干預(yù)的操作方法可行，但需要操作人員實時調(diào)整，無論冬季還是過渡季，基本溫度都可保障在 24 ℃ 左右。

關(guān)于全新風(fēng)運行策略下的 AHU 機組運行狀態(tài)和樓層區(qū)域室內(nèi)溫度的反饋可詳見表 2、表 3。

表2 AHU-Z2-016-04 狀態(tài)運行實測數(shù)據(jù)表

表3 對應(yīng)區(qū)域 VAV BOX 運行實測數(shù)據(jù)表

（4）新風(fēng)機組和排風(fēng)機組的運行時間。白天全新風(fēng)狀態(tài)運行時間為 6:00—18:00，夜間大廈辦公區(qū)空氣全面換氣運行，針對辦公區(qū)全封閉無外窗的實際情況，夜間由23:00—06:00 對大廈辦公區(qū)新風(fēng)、排風(fēng)設(shè)備調(diào)整啟用，樓層內(nèi)空調(diào)箱及 VAV 末端設(shè)備啟用，加大送排風(fēng)空氣流動，保證換氣次數(shù)≥1次/h，改善室內(nèi)空氣品質(zhì)，同時出于節(jié)能考慮關(guān)閉熱水閥及冷凍水閥，降低能耗。

3.4 防疫期間辦公室 PM 2.5 及 CO2 的檢測

衡量室內(nèi)空氣品質(zhì)最關(guān)鍵的兩個因素，PM 2.5 和 CO2。與較粗的大氣顆粒物相比，PM 2.5 粒徑小，面積大，活性強，易附帶有毒、有害物質(zhì)（例如，重金屬、微生物等），且在大氣中的停留時間長、輸送距離遠，因而對人體健康和室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量的影響更大。CO2的濃度指標(biāo)則反應(yīng)了室內(nèi)新風(fēng)是否充足的，辦公室內(nèi)一般≤1×10-3。為了更好的驗證上海中心為了防疫期間所做的所有維保消毒工作的成果，同時了解本次全新風(fēng)模式運行狀態(tài)下各租戶區(qū)域的整體環(huán)境情況反饋，疾控小組做了為期一個月以上的定點檢測，選擇室外 PM2.5 的較為明顯變化的時間及天數(shù)進行測試。具體數(shù)值詳見表 4 與表 5。

表4 上海中心大廈 16 F PM 2.5 對比記錄表

表5 上海中心大廈 16 F CO2 對比記錄表

從表中可看出，通過對上海中心辦公區(qū)域新風(fēng)機組、空調(diào)箱的金屬過濾網(wǎng)表清洗消毒、初效無紡布過濾網(wǎng)更換、AHU 中效靜電除塵過濾網(wǎng)故障的維修調(diào)換、納米光子除菌裝置故障的維修調(diào)換等大量工作后啟用全新風(fēng)運行模式的效果還是顯而易見的。

5 引發(fā)的設(shè)計思考

從以上疫情來臨時的一系列措施、運行策略的采用以及遇到的問題和解決方案，讓我們對一棟超高層建筑的暖通設(shè)計提出了更多思考。

（1）如何平衡超高層建筑的新風(fēng)量需求與節(jié)能要求

（2）疫情發(fā)生時，能保障真正意義上的全新風(fēng)運行且滿足末端使用的需求值

（3）設(shè)計中不可缺少的各級空氣處理階段的凈化裝置配置以及空氣質(zhì)量實時檢測常態(tài)化的配置

（4）AHU 的回風(fēng)閥可控，變頻電機的可變范圍擴大，須滿足僅新風(fēng)運行時的頻率變化

6 結(jié) 語

本文從超高層建筑的暖通設(shè)計、疫情期的運行策略以及實際案例全面剖析了疫情期超高層建筑中暖通系統(tǒng)的重要性以及正確的運行策略，為超高層建筑疫情期的空調(diào)運行策略提供了借鑒，也為后期超高層建筑中的暖通設(shè)計提出了思考。