國內外高層建筑空調系統優化設計新方法分析

【摘要】本文主要介紹近幾年來建筑空調設計單位在承接高層辦公樓設計中所采用的一些新設計方法，并結合國外的最新空調工程設計節能規范和個人的心得體會予以綜合評述。

【關鍵詞】建筑空調設計；節能；優化；新方法

1. 空調風系統

在論及空調風系統的變化和新進展時，需要再重申一點，即我們的討論主要是針對以辦公為主要功能的高層辦公樓建筑而言，需要把以居住為主要功能的賓館客房撇開不談。因為對于賓館、公寓之類建筑的空調方式，可以說至今還沒有出現其他任何一種能比風機盤管這種水——空氣方式更為成熟、適用和經濟有效的空調方式。

2. 變風量空調方式的應用。

2.1不少辦公樓還都不得不采用帶獨立新風的風機盤管系統這樣的空調方式。然而，風機盤管系統存在不少問題，其中最大的問題就是滴水問題。另外，辦公樓開間大，其隔間隨用戶的變換，需頻繁改變，如果采用風機盤管機組，則其固定的送風口和回風口將很適應隔間的調整?；谏鲜龇N種因素的考慮，現在有些高級辦公樓的空調工程已決定擺脫風機盤管系統，取而代之的是變風量空調方式。

2.2按筆者的分析與歸納，這一系統具有一個很明顯的特征，即系統的層次清楚。概括起來講，可以歸納為3個層次：樓、層、區。其具體的含義是：

（1）第1層起，全樓設一套中央新風處理機組，這是一個定風量式（CAV）系統，專門用于向各層送固定數量的新風。

（2）第2層次，每層設1套或2套空氣處理機組和相應的一次送風系統。這是一個變風量式（VAV）系統，其送風量可根據送風干管內的靜壓傳感器進行自動調節。另外，其送風溫度可由1只溫度傳感器進行預先設定的定值控制。

（3）第3層次，每1個分區設1臺風機混合箱，或其他類型的終端，后者也像風機盤管一樣，暗裝在吊頂內。風機混合箱根據所在分區的溫度狀況，由溫度傳感器控制一次風的風量，然后通過軟管分別送到各個送風口。風機混合箱有兩種：一種用于內區，其中只有1臺風機和過濾器，不含任何熱交換器；另一種適用于周邊區，其中除風機和過濾器外，還裝有一組加熱器。另外，在一次風的接口風管上裝有風量調節閥，后者可根據各相應分區的溫度控制器的指令動作，調節一次風的風量。對每一個分區或每個風機混合箱而言，盡管其一次風量根據溫度控制的要求，隨時都在變化，但其總的送風量卻不會變化。

2.3這種系統的優點主要表現在如下幾個方面：

（1）用全空氣方式取代了水——空氣方式的風機盤管，從而從根本上杜絕了凝結水滴漏的可能性。

（2）它不同于一般的全空氣方式的空調系統，前者利用吊頂空調作回風室，基本上可省去回風管，而且一次風可采用低溫送風，溫度可以較低，因而一次風量可減少，從而可縮小送風干管的截面尺寸。

（3）與一般全空氣方式的多區系統不同，可實現各分區的獨立的溫度控制，從而改善室內溫度分布狀態，并且可節能。

（4）可適應辦公室隔間的變化，因為風機混合箱的安裝部位及回風口的位置均與其下面的隔墻無關，即使要改變送風口位置，也只需調整送風軟接管的走向即可。

2.4當然，這種系統也有其不足之處。首稱，在冬季，由于內區需供冷，周邊區需供暖，周邊區的一次風需要冷卻后再進行加熱，這顯然構成了能源的浪費。其次，在多數情況下，其造價要高于一般的風機盤管系統。

2.5雙風機的全空氣式系統。

2.5.1造成室內空氣品質問題的原因可能有多種，主要的還是空調系統設計上的毛病。那么，舒適性全空氣方式空調系統的標準模式應該是怎樣的呢？歸納起來，一個規范化的舒適性全空氣式空調系統應該是完全自動控制并帶有雙風機，可實現全年新風量調節，冬、夏季能確保最少新風量，春、秋季能實現節能經濟運行的系統。關于舒適性空調的節能自動控制方法，比較簡單易行、實用的當首推三種工況分程控制。分程控制的特點是靠執行機構上的定位器（電子式或氣動式）預設的信號響應范圍（電壓或氣壓值范圍），來確保各調節機構不同時間、有序地相繼動作。

2.5.2加拿大1995年國家空調工程設計節能規范對非居住建筑空調系統的節能經濟運行的相應規范條文是這樣記述的：除用于公寓、旅館、汽車旅館之外的，風量在1200l/s（4320m3/h）、供冷容量在20KW以上的所有空調系統都應在設計中考慮按照下列途徑，利用室外空氣，以求減小機械供冷的能耗：

2.5.2.1直接利用室外空氣供冷（新風節能運行系統）。（1）直接利用室外空氣以降低機械供冷能耗的系統。在采用新風與回風混合的過程中應能使室外空氣取用量達到100%的程度，以獲得室內空調所需的進風溫度。（2）在如上所述的系統中應設有自動控制裝置以使當室外空氣溫度高于回風溫度，或者當室外空氣值大于回風空氣值時，能自動地把新風量控制在滿足室內空氣品質要求的最小限度。（3）除下述情況（即直接膨脹式系統，為避免因新風取用量過大而導致融霜的情況）外，在如上述各條文中規定的系統設計條件下，應能在即使機械供冷裝置已準備妥當隨時可用的情況下，也可做到使新風和回風混合后的溫度盡可能接近室內空調所需的送風溫度。

2.5.2.2間接利用室外空氣供冷（水側節能運行系統）。

2.6置換式通風空調系統。

2.6.1置換式通風空調不同于通常的混合式空調方式，主要表現在如下幾點：（1）采取下送上回的送風方式，可使清潔的送風氣流首先進入室內人員呼吸帶和有效活動區，形成有利于改善工作區的空氣品質。（2）采用低速送風，導致氣流緩慢擴散上升，形成垂直方向上的溫度成層和溫升梯度，提高了排風和回風溫度，可節省夏季運行能耗。（3）由于是下送風，送風溫度相對較高，對于全空氣式系統的運行，加大了過渡季利用新風自然供冷的潛力，延長了其節能經濟運行的周期，從而可更加縮短全年機械供冷的時間，進一步增大了節能效益。

2.6.2鑒于上述特點，置換式通風空調方式普遍適用于一切以舒適性為目的公共場所，如影響劇院、體育館等。據悉，在建的上海大劇院建筑設計方案為法國建筑師的作品，其觀眾廳采用的即是座椅下送風的置換式空調方式。另外，據認為，置換式通風空調方式應用于一般被視作難題的中庭空調，可獲得獨特的效果。

2.7總之，基于置換式通風空調方式的諸多優點，預計隨著其送風分布器的逐步國產化，必將在我國為人們所廣泛接受。

3. 水側節能運行系統——室外空氣供冷的間接途徑

3.1加拿大國家空調工程設計節能規范相關條文的后續部分（間接利用室外空氣供冷——水側節能運行系統）是這樣規定的：

（1）利用室外空氣通過直接蒸發、間接蒸發或兩者相結合的方式來冷卻供冷流體，以減少機械供冷能耗的系統，應能在室外空氣濕球溫度等于或低于7℃的情況下，為冷卻送風空氣承擔系統預期的全部供冷負荷。

（2）利用室外空氣通過顯熱交換途徑冷卻供冷流體，以減少機械供冷能耗的系統，應能在室外空氣干球溫度等于或低于10℃的情況下，為冷卻送風空氣承擔預期的全部供冷負荷。

3.2根據筆者的理解，結合近年來從各方面得來的信息，筆者以為，要遵守上述規定，傳統的空調水系統必須作出某些適應性的改變才行。這種改變可以舉出如下幾種：

（1）過渡期和冬季，利用大樓新風系統的鷴風冷空氣對冷凍水的回水進行預冷卻。 上述方式確實可為系統運行提供一定的節能效果，如果結合上述節能規范來看，這一節能效應尚遠遠不能滿足規范的要求，因為后者要求新風供冷應能承擔預期的全部供冷負荷。

（2）采用風冷式冷水機組的一種派生型帶預冷卻的機組。這一利用方式的缺點是，在平時（夏季）不利用室外空氣預冷時，會加大風冷冷凝器環路空氣側阻力，以致增大了相應的能耗。但它的好處是，風冷冷凝器可與預冷盤管同時工作，不必相互排斥，必須切換使用。

（3）利用制冷系統冷卻系統冷卻水的密閉式冷卻塔進行室外空氣供冷。在這一系統中是利用機械制冷系統中的冷卻水冷卻設備——密閉式冷卻塔，來實現冬季對自然冷源——室外空氣的利用。顯然，在這里，機械供冷與自然冷源供冷兩者是不能同時工作的，必須切換著使用。筆者以為，這一點也許就是在加拿大國家空調工程設計節能規范中規定，以室外空氣干球溫度10℃或濕球溫度7℃為工況轉換標準，并強調“能承擔系統預期的全部供冷負荷”的道理所在。為使該裝置能在低于0℃的室外氣溫下正常運行，系統中需充以乙二醇溶液不凍液。按照這一圖式，必須具備一個條件，即機械供冷系統必須采用密閉式冷卻塔。密閉式冷卻塔價格雖然十分昂貴，但隨著制泠系統對冷卻水水質要求的提高，在不少場合下其應用是不可少的。隨著新型高效、價廉的密閉式冷卻塔的面世，并考慮到其冬季運行期間自然供冷節能的效益，其普遍推廣應用的前景將更趨光明。

（4）利用板式熱交換器的節能運行方式。這一方式基本上與上述利用密閉式冷卻塔的方式相類似，只不過在這里是把直接蒸發式（開式）冷地塔與板式換熱器結合起來使用，以代替密閉式冷卻塔的功能而已。但是，在功能上它卻遠遜于前者，因為后者在室外溫度低于0℃時是無法運行的。

4. 變流量系統

4.1在我國，目前空調水系統采用定流量式系統比較普遍。但是，由于空調水系統的輸送動力消耗量大，而且空調負荷的特點又是絕大部分時間里處于低負荷狀態，這就為空調水系統的節能運行提供了巨大的潛力。美國ASHRAE/IES90.1-1989的節能標準中明確提出：“水系統應設計成變流量系統。其所用控制閥應能根據系統負荷的變化自動地調節開度或逐級開啟和關閉，系統應能將流量降低到設計流量的50%或以下。改變流量的方法不僅僅限于采用變速傳動泵一種，可有多種方案選擇，如多臺泵的臺數分段控制或泵的特性控制等?！?/p>

4.2上述條文的規定是十分有道理的。一味追求變速傳動控制（如變頻控制），初次投資很大。特別是在水系統規模比較大、并聯水泵臺數較多時，比較經濟的方法還是多臺水泵并聯運行中的臺數控制。一次泵系統采用負荷控制原理，根據瞬時供、回水量及溫差的乘積，計算出實際的負荷量。當負荷量減小到一臺冷水機組的容量時，便停開一臺機組及相應的水泵。在二次泵系統中，由于系統負荷，也即流量的變化引起的供、回水干管中壓差的變化，由壓差傳感器感測到后，通過壓差調節器控制旁通閥的開度，以保持系統的穩定壓差。同時，當流量計測得的流量減少到一臺二次泵的流量時，便停開一臺二次水泵。

4.3采用三次泵的這一做法目前幾乎已成為歐美和日本等國家通行的標準做法。其好處主要在于如下幾個方面：

（1）改善子系統的水力工況和循環。

（2）減少二次泵的揚程。

（3）改善三通調節閥的運行條件。采用三次泵的做法無疑會大大改善三通調節閥所賴以正常運行的水力工況，因為三次泵的特性可完全針對所在子系統（盤管、調節閥）的水力狀況進行選定。

5. 關于空調水系統的垂直分區

（1）考慮到標準型冷水機組、空調器中的熱交換器以及閥門、管配件對水靜壓的承載能力，迄今國內對于高層和超高層建筑空調水系統的常規做法，基本上都是按60m或100m的高度作垂直分區處理，即每隔60m或100m設置一個獨立的水系統，在適當高度的樓層上分別設置板式換熱器或者冷水機組，實現水力隔離。

（2）采用板式換熱器一方面加大了造價，另一方面也增大了冷量和可供利用的溫度損失。按高度分區設置冷水機組，結果將是機房分散，管理不便，加之系統各自獨立，冷水機組不能互為備用，部分負荷下的運行效率比起統一的系統更低，能耗費用增大。美國某設計單位在上海88層420m高的金茂大廈空調水系統的初步設計中本來是考慮設置一個統一的水系統。全部冷水機組均集中設于地下層內，全樓不作垂直分區。為此，所有冷水機組、空調器、閥門管件均按高靜壓承載能力作特殊訂貨。美方專家說明，這種處理手法在境外不少超高層建筑中已經有過多次實踐經驗，技術上是成熟的、可靠的。

（3）后來，在實施中，中方有關專家提出了修改方案，按高度和負荷性質，分別組成3個獨立的系統，即高區系統、中區系統和低區系統。各區系統均是一竿子到底，不殖民地作垂直分區。這一作法的一個主要好處是可降低中區和低區系統所有設備和管件的承載能力，但無疑這也使系統失去了不少功能，如3個系統不能統一步調供冷，不能互為備用；在低負荷時，3個系統的冷水機組都要在低負荷下運行；另外，在管理上也增加了不少麻煩，因為各系統中的設備、閥門及管件的額定承壓能力不同，不能互換使用?？傊粋€方案的優劣并不是絕對的。