超高層建筑物供暖及空調(diào)余熱利用理論探討

趙中強(qiáng)

（濟(jì)南二建集團(tuán)工程有限公司，濟(jì)南 250021）

1 引言

在當(dāng)前科學(xué)技術(shù)水平不斷提高的背景下，有關(guān)超高層建筑物供暖及空調(diào)余熱利用的研究也隨之增多。尤其是在能源利用形勢(shì)越發(fā)嚴(yán)峻的情況下，能源利用率的提高對(duì)于我國綠色發(fā)展理念的實(shí)施具有積極意義。隨著建筑高度的增加，在超高層建筑物后期使用過程中，無論是夏日空調(diào)系統(tǒng)還是冬日供暖系統(tǒng)的運(yùn)行，建筑物上下兩端的溫差都會(huì)逐漸增大。為解決這一問題，可以借助太陽能熱利用領(lǐng)域中的太陽能熱氣流電站，在超高層建筑物中設(shè)計(jì)下部敞口的通天風(fēng)井。在夏日空調(diào)系統(tǒng)工作期間，余熱向該天井排熱，冬日，熱泵從天井中吸熱。夏日空氣向上運(yùn)動(dòng)，冬日空氣向下運(yùn)動(dòng)，若超高層建筑物高度足夠，那么當(dāng)空氣垂直向上運(yùn)動(dòng)時(shí)能夠促使渦輪或者風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)做功，對(duì)能源進(jìn)行回收，進(jìn)而起到建筑節(jié)能的作用。

2 超高層建筑供暖及空調(diào)系統(tǒng)余熱利用原則

要利用超高層建筑供暖及空調(diào)系統(tǒng)余熱，需要結(jié)合建筑物實(shí)際情況采取科學(xué)合理手段，在保障供暖及空調(diào)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的同時(shí)，提高超高層建筑供暖及空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)水平。

2.1 可行性

要有效利用超高層建筑供暖及空調(diào)系統(tǒng)余熱，相關(guān)人員在設(shè)計(jì)通天風(fēng)井的過程中要始終遵循可行性原則，只有這樣才能保障后期系統(tǒng)余熱利用效果。在此過程中需要注意的是，不僅要對(duì)建筑物供暖及空調(diào)余熱進(jìn)行利用，還需要對(duì)溫度做到隨機(jī)調(diào)節(jié)，并且不能對(duì)周邊環(huán)境造成影響，保障建筑物內(nèi)部的溫度和濕度[1]。

2.2 經(jīng)濟(jì)性

在當(dāng)前我國空調(diào)及供暖行業(yè)持續(xù)發(fā)展背景下，各種規(guī)格、型號(hào)的空調(diào)系統(tǒng)不斷出現(xiàn)，系統(tǒng)所具備的功能也越來越多，各個(gè)款式的空調(diào)價(jià)格參差不齊。工作人員在針對(duì)超高層建筑供暖及空調(diào)系統(tǒng)余熱利用問題上，需要對(duì)空調(diào)及供熱系統(tǒng)選擇科學(xué)合理的設(shè)計(jì)方案，遵循經(jīng)濟(jì)性原則，保障系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)效益。

2.3 可調(diào)節(jié)性

在超高層建筑供暖及空調(diào)系統(tǒng)余熱利用中，除了要考慮方案的可行性與經(jīng)濟(jì)性，還需要考慮方案的可調(diào)節(jié)性。只有這樣才能滿足不同季節(jié)建筑物的溫度需求。此外，在方案應(yīng)用過程中，還需要充分考慮影響供暖及空調(diào)系統(tǒng)余熱的其他因素，以便保障設(shè)備持續(xù)、穩(wěn)定的運(yùn)行。

3 超高層建筑物供暖及空調(diào)余熱利用原理

夏日，在超高層建筑中央空調(diào)系統(tǒng)的制冷過程中，需要通過系統(tǒng)的冷凝效應(yīng)降低室內(nèi)溫度，將熱量直接排放到外界。要對(duì)此部分熱量進(jìn)行利用，可以應(yīng)用上述提出的通風(fēng)天井，通過氣體運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生的能量推動(dòng)天井內(nèi)的風(fēng)機(jī)或渦輪，最終實(shí)現(xiàn)能源回收利用。冬日供暖系統(tǒng)與夏日系統(tǒng)能量回收相似，不同的是，冬日因天井內(nèi)氣體下沉的關(guān)系，需要利用天井底部的渦輪或風(fēng)機(jī)，而夏日是利用頂部的渦輪或風(fēng)機(jī)。

4 超高層建筑物供暖及空調(diào)余熱利用

4.1 超高層建筑物供暖及空調(diào)余熱利用模型

某超高層建筑物高為x，在其建筑物中心位置合理設(shè)置通風(fēng)天井，在天井內(nèi)部設(shè)置渦輪及風(fēng)機(jī)，安裝部位需要結(jié)合建筑運(yùn)行情況而定，通常在上下端安裝，必要情況下在天井中部也會(huì)安裝。在炎熱天氣，建筑物內(nèi)部空調(diào)系統(tǒng)會(huì)有序運(yùn)轉(zhuǎn)，此時(shí)空調(diào)外機(jī)會(huì)排出室內(nèi)一部分熱空氣，當(dāng)熱空氣在天井中聚集到一定程度后，溫度會(huì)逐漸超過周邊環(huán)境溫度，氣體呈現(xiàn)向上運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，進(jìn)而促使渦輪或者風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)做功[2]。在冬季供暖系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，熱泵會(huì)向外排出冷氣，當(dāng)通風(fēng)天井中的氣體溫度低于環(huán)境溫度時(shí)，氣體會(huì)逐漸下沉，進(jìn)而推動(dòng)下部風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)運(yùn)行。室內(nèi)溫度、環(huán)境溫度、空調(diào)冷凝溫度、熱泵蒸發(fā)溫度與建筑高度的關(guān)系如圖1、圖2所示。

圖1 夏日室內(nèi)溫度、環(huán)境溫度、空調(diào)冷凝溫度與建筑高度的關(guān)系

圖2 冬日室內(nèi)溫度、環(huán)境溫度、熱泵蒸發(fā)溫度與建筑高度的關(guān)系

4.2 夏日空調(diào)模式

要利用夏日空調(diào)系統(tǒng)余熱，若需將超高層建筑物室內(nèi)溫度始終維持在T，設(shè)地面溫度為T1，那么，在通風(fēng)天井內(nèi)沿著建筑物高度方向x的大氣溫度Tx可以用式（1）表示：

由于通風(fēng)天井內(nèi)的溫度高于周邊環(huán)境空氣溫度，到達(dá)一定程度后氣體會(huì)向上運(yùn)動(dòng)，在此過程中，假設(shè)空氣在高度為x處運(yùn)動(dòng)到x+Δx處時(shí)，空氣會(huì)在膨脹過程中產(chǎn)生吸熱現(xiàn)象，其吸收的熱量Qx由式（2）計(jì)算[3]：

式中，Cv為空氣定容比熱；k為空氣絕熱指數(shù)；nx為高度為x時(shí)空氣多變指數(shù)；Px為高度為x處的空氣壓力；Px+Δx為高度為x+Δx處的空氣壓力。

對(duì)于天井內(nèi)的空氣，單位質(zhì)量空氣上升過程中吸收的總熱量為q=∑Qx，若在此過程中吸熱量q要由空調(diào)放熱進(jìn)行補(bǔ)充，假設(shè)忽略空調(diào)與空氣的換熱溫差，此時(shí)空調(diào)做功量可以用表示。若考慮單位質(zhì)量氣體從溫度T1上升到T2，那么空調(diào)總排熱為此時(shí)，空調(diào)總耗電量為其中，C為空氣定容比熱；P為空氣壓力。

天井內(nèi)，氣體向上運(yùn)行時(shí)做的總功W=∑Wx（Wx為氣體上升到高度x時(shí)的空調(diào)耗電量）。因?yàn)闅怏w向上運(yùn)動(dòng)速度較為緩慢，假設(shè)忽略掉氣體上升過程中的阻力以及天井出口流動(dòng)的空氣動(dòng)能，那么，氣體在整個(gè)上升過程中需要克服的重力便是理論上渦輪或者風(fēng)機(jī)能夠回收的功（W回收=W-gh，g為重力加速度、h為氣體上升高度）[4]。

4.3 冬日供暖模式

假設(shè)冬日建筑物內(nèi)的溫度為T，周邊環(huán)境溫度T2，通風(fēng)天井地面上氣體溫度為Tn（Tn=T2-0.0065x）。當(dāng)冬日供暖系統(tǒng)運(yùn)行后，天井內(nèi)的溫度逐漸降低，空氣下沉，那么，從高度x到x+Δx時(shí)，會(huì)因?yàn)楸粔嚎s的緣故產(chǎn)生放熱現(xiàn)象，產(chǎn)生的熱量為:

天井內(nèi)部，氣體會(huì)在頂部有個(gè)降溫的過程，熱泵總吸熱量Qhp=Q+CP（T0h-T1h）（T0h、T1h分別為天井進(jìn)出口外氣體溫度）[5]。熱泵總耗電量為高度x處的熱泵總耗電量）。忽略天井兩端出口處空氣動(dòng)能，氣體在下降過程中的驅(qū)動(dòng)力主要為動(dòng)力，天井顳部的渦輪以及風(fēng)機(jī)回收能量Wt可以表示為Wt=gh-W[6]（h為空氣下降高度）。

5 結(jié)果分析

工作人員在對(duì)文中上述算式開展計(jì)算時(shí)，通常取重力加速度g為9.81 m/s2，夏日取環(huán)境溫度為36℃，冬日取地面溫度為0℃。此外，還需要假設(shè)夏日建筑物內(nèi)溫度為27℃，冬日室內(nèi)溫度為17℃。

在夏日，建筑物不同高度與地面溫度下的能量回收率會(huì)發(fā)生變化，具體表現(xiàn)為高度越高能量回收率越大。此外，通風(fēng)天井在運(yùn)行過程中，隨著地面溫度的升高，能量回收最終會(huì)呈現(xiàn)最大值，這是因?yàn)樵跍囟戎饾u升高的過程中，天井內(nèi)部氣體的做功能力不斷提高，但是由于空調(diào)的溫度升高，空調(diào)消耗能量會(huì)更快，所以會(huì)導(dǎo)致能量回收率降低，進(jìn)而促使回收率產(chǎn)生一個(gè)最大值。

在冬日，采用熱泵供暖也存在最大值，與夏日相同，在冬日，建筑物的高度越高能量回收率越大。此外，在供暖系統(tǒng)運(yùn)行過程中，溫度降低時(shí)能量回收率也會(huì)出現(xiàn)最大值，但在高度不斷增加時(shí)，回收率最大值會(huì)逐漸降低。

在此過程中需要注意的是，當(dāng)天井內(nèi)的空氣與周邊環(huán)境溫差逐漸增加時(shí)，雖然能量回收率有一個(gè)最大值，但是建筑物總能耗會(huì)隨著溫差的增大而增大。盡管會(huì)采取能量回收手段，但仍無法有效應(yīng)對(duì)該情況。這一現(xiàn)象說明，無論是在冬日還是夏日，空調(diào)系統(tǒng)與供暖系統(tǒng)的工作溫差越小越好。但是根據(jù)當(dāng)前我國超高層建筑物實(shí)際運(yùn)行情況來看，溫差越小，在一定程度上意味著換熱面積越大，那么在建筑物建設(shè)初期成本會(huì)增加。基于此，有關(guān)人員可以通過開展技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)估工作，選擇合適的溫差。但是無論溫差多少，采用能量回收裝置利用供暖系統(tǒng)及空調(diào)系統(tǒng)余熱都會(huì)降低建筑物能耗，并且對(duì)于建筑物結(jié)構(gòu)強(qiáng)度也有很大好處。

6 結(jié)語

綜上所述，對(duì)于高層建筑，在其底部合理設(shè)置通風(fēng)天井，夏日空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行過程中會(huì)不斷向井中排熱，而冬日供暖系統(tǒng)吸熱，因此，會(huì)導(dǎo)致天井內(nèi)部的空氣在冬日下沉，在夏日上升。若建筑物的高度足夠高，那么空氣在下沉與上升過程中都會(huì)獲得一定能量，進(jìn)而通過天井內(nèi)設(shè)置的風(fēng)機(jī)與渦輪進(jìn)行回收。從理論上來看這一想法是可以實(shí)現(xiàn)的。