無錫國際會議中心項(xiàng)目空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)研究

徐嘯

（清華大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司）

1 無錫國際會議中心項(xiàng)目概況：

本項(xiàng)目位于無錫市尚賢河濕地公園東側(cè)，南臨清晏路，北接震澤路，東邊為清舒道，總建筑面積116693平方米，其中地上67882平方米，地下48811平方米。本項(xiàng)目地上5層，主要功能為宴會廳、多功能廳、報(bào)告廳、大會堂、會議室，地下1層，主要功能為地下車庫及設(shè)備用房。

上圖為功能示意，其中北側(cè)宴會廳、多功能廳，中間是中央大堂，南側(cè)左邊是報(bào)告廳，南側(cè)右邊是會議區(qū)。

2 空調(diào)系統(tǒng)介紹

2.1 空調(diào)負(fù)荷

本項(xiàng)目夏季空調(diào)冷負(fù)荷為11048kW，單位空調(diào)面積冷指標(biāo)為211 W/m2；冬季空調(diào)熱負(fù)荷為5045 kW，單位采暖面積熱指標(biāo)為96 W/m2.

2.2 冷熱源系統(tǒng)

2.2.1 冷源：

空調(diào)系統(tǒng)夏季集中冷源設(shè)置在地下一層制冷機(jī)房內(nèi)，選用3臺離心式水冷冷水機(jī)組,單臺制冷量為3340 kW（950RT），1臺磁懸浮離心式水冷冷水機(jī)組,制冷量為1935 kW（550RT），冷凍水供回水溫度為6/12 ℃。冷凍水采用一次泵變流量系統(tǒng)，水泵變頻運(yùn)行。

會議區(qū)存在空調(diào)內(nèi)區(qū)，過渡季及冬季，采用冷卻塔供冷，制冷機(jī)房內(nèi)設(shè)置板式換熱器，與冷卻水進(jìn)行換熱。

2.2.2 熱源

冬季熱源為地下一層自建鍋爐房。采用3臺制熱量1750 kW的燃?xì)庹婵諢崴仩t，供回水溫度為60/50 ℃，供空調(diào)熱水系統(tǒng)使用。

2.3 空調(diào)系統(tǒng)

2.3.1 多功能廳、宴會廳、中央大堂、序廳、大型會議區(qū)采用一次回風(fēng)全空氣系統(tǒng)，送風(fēng)采用側(cè)送、頂送，回風(fēng)采用下回、頂回，保證室內(nèi)氣流組織均勻合理，滿足室內(nèi)熱舒適要求。排風(fēng)經(jīng)由排風(fēng)機(jī)排至室外，通過排風(fēng)機(jī)變頻實(shí)現(xiàn)與新風(fēng)量變化的匹配。

2.3.2 大會堂、報(bào)告廳采用二次回風(fēng)全空氣系統(tǒng)，樓座及池座采用座椅送風(fēng)，回風(fēng)采用側(cè)回風(fēng)。排風(fēng)經(jīng)由排風(fēng)機(jī)排至室外，通過排風(fēng)機(jī)變頻實(shí)現(xiàn)與新風(fēng)量變化的匹配。

樓座及池座以置換通風(fēng)原理為設(shè)計(jì)依據(jù)，采用座椅下送風(fēng)、側(cè)回風(fēng)的空調(diào)形式，排風(fēng)經(jīng)由排風(fēng)機(jī)排至室外，通過排風(fēng)機(jī)變頻實(shí)現(xiàn)與新風(fēng)量變化的匹配。經(jīng)空調(diào)機(jī)組處理后的空氣送入地面下的靜壓箱內(nèi)，通過座椅送風(fēng)柱送入觀眾區(qū)，吸收人體散發(fā)的熱、濕負(fù)荷后由觀眾廳高處側(cè)向排風(fēng)口排出，送風(fēng)速度小于0.5 m/s，人員頭部與足部溫差不大于3 ℃。座椅送風(fēng)靜壓箱內(nèi)宜做隔聲、吸聲處理。

大會堂舞臺采用全空氣空調(diào)系統(tǒng)，空調(diào)機(jī)組設(shè)置于空調(diào)機(jī)房內(nèi)。送風(fēng)形式為側(cè)送側(cè)回。

2.3.3 辦公用房、中小型會議區(qū)采用風(fēng)機(jī)盤管加熱回收式新風(fēng)機(jī)組的空調(diào)方式。風(fēng)機(jī)盤管均為臥式暗裝，新風(fēng)機(jī)組按照防火分區(qū)分層設(shè)置，通過送風(fēng)管道送至空調(diào)區(qū)域。

2.3.4 地面輻射供冷供暖系統(tǒng)（后續(xù)重點(diǎn)分析）

本項(xiàng)目在中央大堂設(shè)置地面輻射系統(tǒng)，夏季供冷、冬季供暖。采用地面輻射供冷供暖系統(tǒng)，可減小室內(nèi)溫度梯度、提高熱舒適性，減少冷熱負(fù)荷、減小全空氣系統(tǒng)容量、降低運(yùn)行能耗。

2.4 空調(diào)水系統(tǒng)

空調(diào)冷熱水系統(tǒng)為一次泵變流量系統(tǒng)，夏季供回水溫度6/12 ℃，冬季供回水溫度60/50 ℃，系統(tǒng)工作壓力1.0 MPa。冷凍泵為變頻泵，冷卻水泵為定頻泵。冷卻塔風(fēng)機(jī)變頻運(yùn)行。

3 本工程采用的適宜的節(jié)能技術(shù)

3.1 冷水機(jī)組采用3大1小的組合形式，小冷機(jī)為磁懸浮離心式水冷冷水機(jī)組。

磁懸浮冷水機(jī)組與普通的冷水機(jī)組相比，可以大幅度減少能耗，其名義工況下的COP值可以達(dá)到國家冷水機(jī)組1級能效，IPLV值可達(dá)到8～9，節(jié)能效果明顯。方案之初討論時，也考慮過冰蓄冷系統(tǒng)，但首先冰蓄冷系統(tǒng)并不節(jié)能，只是利用了峰谷電價差，節(jié)省了運(yùn)行費(fèi)用，其次冰蓄冷系統(tǒng)機(jī)房占地面積大，占用了地下車庫的面積，顯著降低了業(yè)主的經(jīng)濟(jì)效益，第三，初投資較普通冷水機(jī)組系統(tǒng)增加很大，約2倍左右，最后也是最重要的，冰蓄冷系統(tǒng)調(diào)控困難，其放冷和蓄冷速度開始時較快，到后期越來越慢，最后有相當(dāng)一部分冷量無法使用，因此很多項(xiàng)目將制冰主機(jī)和蓄冰槽選的非常大，而且由于此問題，蓄冰時間通常要12小時以上，已經(jīng)超出了谷時電價，經(jīng)濟(jì)性也得不到保證。因此，考慮到實(shí)際效果及成本需求，我認(rèn)為采用冷水機(jī)組作為冷源是適合本項(xiàng)目的。

3.2 中央大堂采用地面輻射供冷供暖系統(tǒng)（此部分作為重點(diǎn)，后面詳細(xì)討論）。

3.3 通過遮陽，減少太陽輻射得熱，提升熱舒適。

中央大堂頂部為透明玻璃幕墻，太陽輻射得熱巨大，因此考慮屋頂設(shè)置太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，可并網(wǎng)發(fā)電。光伏板為透明形式，幾乎不影響采光效果，如下圖所示。

3.4 結(jié)合消防自然排煙要求，屋頂設(shè)置可開啟的天窗面積達(dá)到地面面積的25 %，過渡季節(jié)加強(qiáng)自然通風(fēng)，進(jìn)入室內(nèi)的陽光最終轉(zhuǎn)化為熱量，由于熱氣上浮，熱量將堆積在頂部。通過促進(jìn)自然通風(fēng)，帶走頂部堆積的熱量。根據(jù)負(fù)荷計(jì)算，中央大堂夏季空調(diào)負(fù)荷1470 kW，現(xiàn)有開口面積可保證通風(fēng)量1070000 m3/h，換氣次數(shù)約4.5次，維持進(jìn)出口溫差6 ℃。

3.5 空調(diào)內(nèi)區(qū)采用冷卻塔供冷。本項(xiàng)目會議區(qū)存在空調(diào)內(nèi)區(qū)，過渡季及冬季，可采用冷卻塔供冷，制冷機(jī)房內(nèi)設(shè)置板式換熱器，與冷卻水進(jìn)行換熱。會議區(qū)采用分區(qū)2管制空調(diào)水系統(tǒng)，空調(diào)內(nèi)區(qū)冷源為1臺小冷卻塔，冬季使用時通過板換提供9/14 ℃空調(diào)水。

3.6 大空間采用分層空調(diào)技術(shù)。中央大堂高18.5米，頂部是幕墻，無法安裝風(fēng)管，因此考慮采用側(cè)向送風(fēng)，下部回風(fēng)的形式。送風(fēng)口設(shè)置于距地6米高度，結(jié)合精裝效果風(fēng)口為球形噴口，直徑630 mm，風(fēng)口數(shù)量75個（每跨4個均勻布置），回風(fēng)口設(shè)置于地面附近，采用雙層百葉形式并結(jié)合精裝效果調(diào)整其外形尺寸。

3.7 新風(fēng)排風(fēng)采用熱回收裝置。

4 本項(xiàng)目技術(shù)難點(diǎn)

本項(xiàng)目內(nèi)部存在中央大堂，連接北側(cè)多功能廳及南側(cè)大會堂，地面面積約5800平方米，高度18.5米，頂部為透明玻璃屋面，東西兩側(cè)均為玻璃幕墻。

采用天正暖通T20版本進(jìn)行空調(diào)負(fù)荷計(jì)算，得出此區(qū)域夏季空調(diào)冷負(fù)荷為1470 kW，其中屋面及東西幕墻的冷負(fù)荷為1173 kW，根據(jù)此冷負(fù)荷，計(jì)算送風(fēng)量：

室內(nèi)狀態(tài)點(diǎn)：干球溫度25 ℃，相對濕度50 %，采用8度送風(fēng)溫差，得出送風(fēng)量480000 m3/h，按照單臺空調(diào)機(jī)組送風(fēng)量不大于80000 m3/h考慮，需要設(shè)置6臺全空氣空調(diào)機(jī)組，每臺空調(diào)機(jī)組電功率為75 kW，無錫地區(qū)2020年商業(yè)電價0.67元，夏季空調(diào)開啟時間暫按6月～9月，每天8:00～18:00，則年運(yùn)行費(fèi)用為361800元，單位面積空調(diào)電耗93 kWh/m2.a。

其區(qū)域?qū)儆诟叽罂臻g，空調(diào)系統(tǒng)投資大、運(yùn)行費(fèi)用高，達(dá)到了普通公建的2倍，因此必須要降低其能耗。

5 解決方案

5.1 負(fù)荷分析

分析夏季空調(diào)負(fù)荷的組成可以看出，太陽輻射占總負(fù)荷的80 %，此區(qū)域的空調(diào)負(fù)荷主要來自于太陽輻射，因此減少太陽輻射得熱尤為重要。

5.2 技術(shù)方案

采用地板輻射供冷+全空氣空調(diào)系統(tǒng)的組合形式為中央大堂供冷。地面輻射供冷系統(tǒng)供回水由冷水機(jī)組提供，經(jīng)板換后供回水溫為16/19 °，地板輻射管材采用PB管，管徑為DN20，管間距200 mm，系統(tǒng)方案如下圖：

此系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)是：

1）用輻射水系統(tǒng)代替一部分全空氣系統(tǒng)，減少了空調(diào)機(jī)組裝機(jī)容量，降低了風(fēng)機(jī)功耗；

2）相對于空氣來說，以水作為媒介的輸配能耗大幅度降低，約為輸送空氣能耗的20 %；

3）輻射代替對流換熱，減少了換熱環(huán)節(jié)，提高了空調(diào)換熱效率；

4）采用地板輻射系統(tǒng)，夏季室內(nèi)溫度設(shè)定可提高2度，冬季可降低2度，因此室內(nèi)空調(diào)冷熱負(fù)荷降低，提高了室內(nèi)熱舒適性的同時也降低了空調(diào)能耗。

5）中央大堂冬季考慮采暖形式為地板采暖，因此利用此系統(tǒng)進(jìn)行夏季供冷并未造成投資增加。

下圖是地板輻射供冷量的統(tǒng)計(jì)，從中可以看出太陽直射區(qū)域可以達(dá)到120 W/m2以上，非太陽直射區(qū)域可達(dá)到50 W/m2以上

根據(jù)以上條件重新進(jìn)行風(fēng)量計(jì)算：

室內(nèi)狀態(tài)點(diǎn)：干球溫度27 ℃，相對濕度50 %，采用10度送風(fēng)溫差，由于提高了室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度，而且地面輻射供冷負(fù)擔(dān)了部分冷負(fù)荷，空調(diào)室內(nèi)負(fù)荷減少為1180 kW，計(jì)算得出送風(fēng)量360000 m3/h，按照單臺空調(diào)機(jī)組送風(fēng)量不大于60000 m3/h考慮，需要設(shè)置6臺全空氣空調(diào)機(jī)組，每臺空調(diào)機(jī)組電功率為50 kW，無錫地區(qū)2020年商業(yè)電價0.67元，夏季空調(diào)開啟時間暫按6月～9月，每天8:00～18:00，則年運(yùn)行費(fèi)用為241200元。

但由于增加了地板輻射系統(tǒng)，需要增設(shè)板換及循環(huán)水泵，因此需要計(jì)算水泵的功耗15 kW，循環(huán)水泵的年運(yùn)行費(fèi)用為12060元。

因此此系統(tǒng)年運(yùn)行總費(fèi)用為241200+12060=253260元，單位面積空調(diào)電耗65 kWh/m2.a。

把以上兩種系統(tǒng)形式列表對比如下：

images/BZ_91_1902_2146_1920_2164.png

通過對比可以看出，采用地板輻射供冷后，運(yùn)行費(fèi)用比之前節(jié)省了30 %。

5.3 采用此系統(tǒng)也有隱患，需要注意防結(jié)露問題，因此需進(jìn)行防結(jié)露驗(yàn)算：

室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度為27 ℃，相對濕度50 %，露點(diǎn)溫度為15.5 ℃

空調(diào)送風(fēng)溫度為17 ℃，地板表面溫度為22 ℃，無結(jié)露危險。

實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，我發(fā)現(xiàn)在中央大堂東西兩側(cè)門口附近有結(jié)露危險，因此采用以下2項(xiàng)措施：

1）在門口處設(shè)空氣幕，阻止室外高溫高濕空氣侵入室內(nèi)；

2）距離門口6～8米處盡量不輻射供冷盤管。

5.4 運(yùn)行策略

當(dāng)負(fù)荷較小或室內(nèi)人數(shù)較少時（少于400人），應(yīng)優(yōu)先采用地面輻射供冷形式，隨著室外溫度升高、內(nèi)部人員數(shù)量增加時，濕負(fù)荷逐漸增加，此時需要逐步開啟全空氣機(jī)組，利用對流換熱才能消除濕負(fù)荷。

6 驗(yàn)證過程

為驗(yàn)證以上設(shè)計(jì)過程，采用CFD模擬軟件對中央大堂的熱環(huán)境進(jìn)行模擬計(jì)算

模型建立條件如下：

大堂空調(diào)機(jī)組所承擔(dān)負(fù)荷為1180 kW，總送風(fēng)量360000 m3/h，送風(fēng)溫度19 ℃，

風(fēng)口采用球形噴口，直徑630 mm，風(fēng)口數(shù)量75個，每個風(fēng)口送風(fēng)量4800 m3/h，均勻布置

送風(fēng)口距地6.3米，回風(fēng)口采用同側(cè)下部回風(fēng)，距地0.5米。

通過模擬計(jì)算分析，可以看出距地1.5高度，溫度為24～26度，達(dá)到設(shè)計(jì)要求，滿足人員舒適度要求。

通過模擬計(jì)算分析，可以看出距地6.3高度，溫度為24～27度，雖然局部溫度略高，但不在人員活動區(qū)，因此對人員舒適度沒有影響。

通過模擬計(jì)算分析，可以看出臨近地面區(qū)域，溫度為22～26度，達(dá)到設(shè)計(jì)要求，滿足人員舒適度要求。上部溫度較高，是由于沒有考慮頂部排風(fēng)，當(dāng)開啟天窗后，情況會有改善。

通過模擬計(jì)算分析，可以看出臨近地面區(qū)域，溫度為22～24度，達(dá)到設(shè)計(jì)要求，滿足人員舒適度要求。上部溫度較高，是由于沒有考慮頂部排風(fēng)，當(dāng)開啟天窗后，情況會有改善。

由以上結(jié)果可看出，夏季總體溫度分布均勻，橫向溫差基本在2 ℃左右，結(jié)果可以接受，同時也證明了設(shè)計(jì)的合理性。

模擬計(jì)算同時包含了冬季室溫情況：

通過模擬計(jì)算分析，可以看出距地1.5米高度區(qū)域，溫度為21～23度，達(dá)到設(shè)計(jì)要求，滿足人員舒適度要求。

通過模擬計(jì)算分析，可以看處距地6.3米高度，溫度為20～23度，達(dá)到設(shè)計(jì)要求，滿足人員舒適度要求。

通過模擬計(jì)算分析，可以看出臨近地面區(qū)域，溫度為21～23度，說明熱風(fēng)可以送達(dá)人員活動動區(qū)域，達(dá)到設(shè)計(jì)要求，滿足人員舒適度要求。

通過模擬計(jì)算分析，可以看出臨近地面區(qū)域，溫度為21～23度，說明熱風(fēng)可以送達(dá)人員活動動區(qū)域，達(dá)到設(shè)計(jì)要求，滿足人員舒適度要求。

由以上結(jié)果可看出，冬季總體溫度分布均勻，橫向溫差基本在2 ℃左右，結(jié)果可以接受，同時也證明了設(shè)計(jì)的合理性。

7 結(jié)論

綜上所述，中央大堂區(qū)域夏季冷負(fù)荷中，太陽輻射所占比例較大，采用地板供冷+全空氣機(jī)組的形式較為合理，不僅節(jié)省了投資，同時也減少了運(yùn)行費(fèi)用。在以上設(shè)計(jì)過程中，我主要起到的作用是帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)、分析難點(diǎn)、解決困難。通過以上分析，希望為類似建筑空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供一些參考，目前工程尚未竣工，我將進(jìn)一步跟蹤該項(xiàng)目空調(diào)系統(tǒng)的實(shí)施及建成后的能耗統(tǒng)計(jì)工作，實(shí)際驗(yàn)證效果，為設(shè)計(jì)工作積累更多的經(jīng)驗(yàn)，促進(jìn)暖通空調(diào)新技術(shù)新思路在實(shí)際工程中的推廣和應(yīng)用。

今后工作展望：暖通空調(diào)技術(shù)正在經(jīng)歷不斷的進(jìn)步，節(jié)能環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展將是永恒的發(fā)展主題，特別是今年提出的“碳達(dá)峰、碳中和”理論。今后本人的工作重心依然是全過程的暖通設(shè)計(jì)，從方案設(shè)計(jì)到施工圖的執(zhí)行，再到后期運(yùn)行效果，在每個環(huán)節(jié)上，都盡力做到深鉆細(xì)研，把控重點(diǎn)要點(diǎn)，做到一個技術(shù)帶頭人應(yīng)盡的義務(wù)。