上海北外灘某項目辦公樓變風量空調(diào)系統(tǒng)設計

萬 陽

上海建筑設計研究院有限公司 上海 200041

1 前言及項目概述

1.1 變風量空調(diào)系統(tǒng)簡述

在全空氣空調(diào)系統(tǒng)中，變風量空調(diào)系統(tǒng)是一種重要的形式。該系統(tǒng)具有優(yōu)良的部分負荷節(jié)能性能、良好的室內(nèi)空氣品質(zhì)和靈活的空調(diào)區(qū)域控制，已被廣泛應用于各種國際主流的辦公和商業(yè)建筑。我國在1980年代初，通過境外建筑師和機電顧問主持的項目引進了變風量空調(diào)系統(tǒng)，但由于當時對變風量系統(tǒng)性能認識不足，控制和調(diào)試技術相對落后，導致系統(tǒng)無法按設計要求運行。這導致當時變風量系統(tǒng)的應用出現(xiàn)過暫時的停滯。但現(xiàn)在隨著末端設備性能的提高及自控技術的進步，變風量空調(diào)系統(tǒng)得到了更進一步的推廣和應用[1]。

由于常規(guī)的風機盤管系統(tǒng)和定風量系統(tǒng)暴露出一些無法回避的缺點：風機盤管系統(tǒng)因冷凝水造成的霉菌和污染問題難以解決；定風量系統(tǒng)因統(tǒng)一的送風參數(shù)而難以滿足不同房間的差異化要求；風機盤管系統(tǒng)和定風量系統(tǒng)在平面空間改擴建時適應性較差。同時，由于部分負荷運行占據(jù)了空調(diào)系統(tǒng)運行的大部分時間，所有減少風量，降低風機的能耗也是變風量系統(tǒng)的優(yōu)勢所在。因此作為一名暖通工程師，對變風量空調(diào)系統(tǒng)的設計應該了解認識并能夠在實際工程中靈活應用。本文就以筆者親身參與的工程得到的經(jīng)驗體會，簡單介紹下變風量空調(diào)系統(tǒng)的設計。

1.2 項目概述

北外灘某項目西地塊是一體規(guī)劃建設的北外灘項目三個相鄰地塊中的西地塊，本項工程項目位于北外灘虹口地區(qū)，基地南依黃浦江，北靠東大名路及楊樹浦路，西近公平路，東側為秦皇島路，總用地面積為41345m2。

作為整個北外灘某項目的一部分，在西地塊內(nèi)共5棟商辦建筑呈前后兩排布置，分別為項目的13-17號樓，地上部分的總建筑面積為102713m2，5棟大樓均為辦公用房，最高建筑高度約97.3m；3層地下室的總建筑面積為101083m2。其中地下二、三層為汽車停車庫、冷凍機房、變配電間等設備用房；部分設置平戰(zhàn)結合人防區(qū)域。地下一層為商業(yè)、報告廳等公共設施。

2 空調(diào)系統(tǒng)方案選擇

針對于大、中型辦公建筑中的應用，目前國內(nèi)常見的空調(diào)系統(tǒng)有以下幾種形式：

1) 全空氣定風量空調(diào)系統(tǒng)

2) 風機盤管加新風空調(diào)系統(tǒng)

3) 全空氣變風量空調(diào)系統(tǒng)

以上幾種空調(diào)系統(tǒng)各有其應用優(yōu)勢及不足之處。就本項目來說，地上大樓除16號樓外均為大空間辦公，中心為核心筒體，建筑體量大、平面面積大且進深深。外圍護全部采用玻璃幕墻，無可開啟外窗，過度季節(jié)無法開窗通風，空調(diào)系統(tǒng)須全年運行。業(yè)主定位為高級辦公寫字樓，對室內(nèi)空氣品質(zhì)和熱舒適性要求較高，也考慮到將來對大空間辦公進行二次分隔，可實現(xiàn)區(qū)域溫度可控制，故采用全空氣變風量空調(diào)系統(tǒng)。

3 變風量空調(diào)末端的選擇以及系統(tǒng)的確定

3.1 變風量末端設備形式

目前最常用的變風量系統(tǒng)末端設備有單風道型和風機動力型兩種。

3.1.1 單風道型變風量末端設備

單風道型變風量末端是通過調(diào)節(jié)送風截面積來調(diào)節(jié)送入室內(nèi)風量，也是最基本的變風量末端設備，其他變風量末端都是在此基礎上變化發(fā)展起來的。此類末端可使用于單冷型、單冷再熱型、冷熱型系統(tǒng)。其中單冷型系統(tǒng)采用不帶再熱盤管的單風道末端，該系統(tǒng)全年供冷。而單冷再熱型系統(tǒng)中，需全年供冷的內(nèi)區(qū)采用不帶再熱盤管的末端，夏季供冷和冬季供暖的外區(qū)或其他需要“過冷再熱”的區(qū)域采用帶再熱盤管的末端[2]。

3.1.2 風機動力型變風量末端設備

根據(jù)一次風與風機的關系，風機動力型變風量末端可分為風機并聯(lián)型與風機串聯(lián)型，一次風風閥與內(nèi)置風機串聯(lián)設置的為風機串聯(lián)型，一次風與回風混合后經(jīng)風機送入室內(nèi)，通過調(diào)節(jié)一次風風閥控制室內(nèi)環(huán)境溫度；一次風風閥與內(nèi)置風機并聯(lián)設置的為風機并聯(lián)型，一次風與經(jīng)風機的回風混合后送入室內(nèi)，風機僅承擔回風風量，冬季運行時，一次風以小風量運行，僅滿足新風需求，通過調(diào)整一次風風閥和間隙運行風機控制室內(nèi)環(huán)境溫度。

風機串聯(lián)型變風量末端可運用于只需全年提供冷負荷的內(nèi)區(qū)，或配置再熱器運用于需要夏季供熱和冬季供熱的外區(qū)和其他需要“過冷再熱”的區(qū)域；風機并聯(lián)型變風量末端通常與單風道型變風量末端配合運用，帶再熱器的風機并聯(lián)型末端應用于需要夏季供冷和冬季供的外區(qū)和其他需要“過冷再熱”的區(qū)域，單風道末端應用于全年需要供冷的內(nèi)區(qū)。此外在小風量和最小風量供冷且需要考慮室內(nèi)氣流組織的場所，也需要選用無再熱器的風機并聯(lián)型變風量末端。

3.2 變風量系統(tǒng)及末端設備的選擇

對于本項目情況，建筑平面體量中等，核心筒體內(nèi)設備機房面積有限，無法安裝兩臺空調(diào)箱，并且業(yè)主對室內(nèi)吊頂要求較高，無足夠吊頂空間安裝過多管路，因此無法使用雙風道型變風量空調(diào)系統(tǒng)。同時，該項目外圍護均為雙層中空low-e玻璃幕墻，受結構條件的限制，外圍護區(qū)域無法安裝風機盤管來處理外圍護結構引起的冷、熱負荷，也無法使用組合式單風道變風量系統(tǒng)。

在末端設備形式的選擇上，本項目建筑平面空調(diào)區(qū)域分內(nèi)、外區(qū)，內(nèi)區(qū)常年制冷、外區(qū)夏季制冷冬季制熱。因此可選擇單風道型或風機動力型。

內(nèi)區(qū)由于只有制冷工況，無需承擔冬季熱負荷，所以選擇單冷型單風道末端設備，其優(yōu)勢在于構造簡單、體積小、無內(nèi)置風機、運行噪聲低。

外區(qū)夏季要求制冷，冬季要求制熱，需選用具有再熱功能的變風量末端設備。單風道末端設備會受到末端最小新風量及熱空氣分層現(xiàn)象的制約，加熱能力有限，如果要求增大加熱能力會導致系統(tǒng)冷、熱混合損失嚴重，無法達到節(jié)能效果。

因此本項目選用帶加熱盤管的風機動力性變風量末端設備。如前所述，風機動力型末端設備分為風機串聯(lián)型和風機并聯(lián)型。串聯(lián)型末端設備內(nèi)的風機需連續(xù)運行，而且風機風量約為最大風量的1.0-1.3倍，雖然串聯(lián)型末端設備可以提高室內(nèi)空氣分布性能，但帶來的不利是造成風機能耗的增加。而并聯(lián)型末端設備內(nèi)的風機無需連續(xù)運行，且風機風量為最大風量的0.6倍，風機僅在小風量和供熱時運行。因此本項目選擇帶加熱盤管的并聯(lián)型末端設備，既滿足了冬季外區(qū)再熱的要求，又避免了過多的風機能耗，同時提高了室內(nèi)換氣次數(shù)，有利于室內(nèi)氣流組織[3]。

綜上所述，本項目選擇采用并聯(lián)型風機動力型末端和單風道末端相結合的變風量空調(diào)系統(tǒng)，外區(qū)采用帶加熱盤管的并聯(lián)式末端設備；內(nèi)區(qū)采用無加熱設備的單風道末端設備，“過冷再熱”區(qū)域采用帶加熱盤管的并聯(lián)式末端設備。

4 變風量空調(diào)系統(tǒng)的負荷計算及設備選型

4.1 變風量空調(diào)系統(tǒng)的負荷計算

對于變風量空調(diào)系統(tǒng)的空調(diào)負荷計算首先需要對建筑平面進行空調(diào)內(nèi)外分區(qū)劃分，并根據(jù)外圍護朝向、房間用途、室內(nèi)溫度、及溫度控制區(qū)面積等因素再分為若干溫度控制區(qū)。根據(jù)該項目的圍護結構熱工參數(shù)，選擇外區(qū)進深3m。使用負荷計算軟件計算劃定好的各控制區(qū)的各項室內(nèi)負荷量，經(jīng)過各項負荷的累加計算得出各控制區(qū)的冷、熱負荷，再對變風量末端進行選型計算。

圖1 空調(diào)分區(qū)平面圖

4.2 變風量末端設備的選型計算

在送風溫度恒定的基礎上，通過調(diào)節(jié)變化送風量來控制室內(nèi)溫度，是變風量空調(diào)系統(tǒng)調(diào)節(jié)室內(nèi)負荷變化的主要原理。對于各控制區(qū)負荷來說熱濕比不盡相同，但作為舒適性空調(diào)設計，可選擇固定的送風溫差，通過各控制區(qū)內(nèi)的顯熱負荷量及送風溫差得出末端設備的一次風最大風量。本項目選擇送風溫差為9℃，由此計算得出各控制區(qū)變風量末端設備的最大一次風量[4]。變風量末端設備的一次風最小風量可反映出設備對負荷變化的調(diào)節(jié)能力，對于無再熱單風道末端設備通常一次風最小風量按最大風量的30%-40%選取。對于本項目，內(nèi)區(qū)區(qū)域最小負荷送風量為最大送風量的35.4%，內(nèi)區(qū)采用的單風道末端設備取一次風最大風量的35%為設備最小風量；外區(qū)區(qū)域最小負荷送風量為最大送風量的41.2%，外區(qū)采用的風機并聯(lián)型末端設備取一次風最大風量的40%為設備最小風量，60%為內(nèi)置風機風量。

在變風量末端設備選型時還需注意不可將計算所得最大風量再附加設備余量來進行選型，這樣會使變風量末端設備長期處于部分負荷狀態(tài)下運行，一次風閥開度過小引起噪聲，也會使末端的調(diào)節(jié)范圍減小、再熱量增大等不利結果[5]。

4.3 變風量空調(diào)系統(tǒng)氣流組織

通常采用定截面作為空調(diào)系統(tǒng)的送風口的形狀，也很少改變導葉的角度，因此在減少風量時會影響室內(nèi)氣流組織。 但隨著室內(nèi)負荷的變化，處理風量發(fā)生變化，這就必須考慮其對室內(nèi)空氣流量的影響，而條縫形散流器的誘導作用很強，且貼附性能也好，基本可以保證空氣分布特性指標在80%以上。根據(jù)這些優(yōu)點并結合本項目裝修效果，最終采用條縫型散流器風口，并區(qū)分內(nèi)外區(qū)，內(nèi)區(qū)風口選擇單個風量小、射程長的風口，來實現(xiàn)室內(nèi)良好的氣流組織。

表1 空調(diào)區(qū)域負荷計算及末端選型表

圖2 變風量末端設備平面布置圖

5 變風量空調(diào)系統(tǒng)設計中需注意的問題及體會

5.1 變風量空調(diào)系統(tǒng)設計中需注意的問題

變風量空調(diào)系統(tǒng)在設計中所涉及的計算及設備選型相比其他空調(diào)系統(tǒng)形式要復雜繁瑣的多，設計過程中需對系統(tǒng)中所涉及到的各個部分了解熟悉。

變風量終端作為一個小的噪音源，容易對室內(nèi)環(huán)境產(chǎn)生影響。 因此，變風量末端應在校核各末端裝置在最小和最大風量下產(chǎn)生的噪音后進行選擇。 在對噪聲要求較高的場合，應慎用變風量系統(tǒng)。

變風量空調(diào)系統(tǒng)能否正常運行，很大程度上取決于其控制系統(tǒng)。我國前期在變風量空調(diào)系統(tǒng)應用實例中，很多失敗的案例也是由于自控技術上的因素[6]。

5.2 設計體會

變風量空調(diào)系統(tǒng)雖已有40多年的發(fā)展歷史，并隨著配套技術的進步，該系統(tǒng)形式在國內(nèi)大空間辦公建筑中的應用變得越來越廣泛。但其涉及的內(nèi)容范圍較多，需要設計人員對變風量空調(diào)系統(tǒng)有相當熟悉的認識之后才能更好的做好系統(tǒng)設計。通過該項目的實際應用，進一步加深了對系統(tǒng)的認識，并需要不斷的總結經(jīng)驗教訓，不斷的精確設計計算方法，使變風量空調(diào)系統(tǒng)的設計更為合理。