超高層建筑空調(diào)系統(tǒng)中溫濕度獨立控制設計方法

摘 要：文章結合超高層建筑實例，介紹了其空調(diào)系統(tǒng)設計中引入溫濕度獨立控制技術的設計方法，詳細分析了溫度控制系統(tǒng)和濕度控制系統(tǒng)設計計算和設備選型要點，分別介紹了該工程中溫度控制系統(tǒng)和濕度控制系統(tǒng)的選型。

關鍵詞：超高層建筑；暖通空調(diào)；溫濕度獨立控制；設備選型

引言

2001年美國大規(guī)模發(fā)生炭疽菌事件、2003年全球范圍內(nèi)SARS疫情蔓延、國內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)二次污染超標等現(xiàn)狀致使人們對傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)的安全性提出質(zhì)疑[1]。由我國科研人員提出，目前在國內(nèi)外迅速發(fā)展的空調(diào)系統(tǒng)溫濕度獨立控制設計方法已在多項工程中得到應用[2]。溫濕度獨立控制系統(tǒng)的設計方法較常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)不同，其將溫度和濕度控制系統(tǒng)分開，具有更加靈活的調(diào)控優(yōu)勢和節(jié)能潛力[3]，目前該技術的應用和研究多集中于中高層，對空調(diào)系統(tǒng)要求更加嚴格的超高層建筑的設計方法研究較少。本文重點介紹溫濕度獨立控制技術在超高層建筑空調(diào)系統(tǒng)中的設計方法，結合實例探討其應用效果。

1 建筑概況

上海某超高層辦公樓平面圖如圖1所示，該建筑地上共48層，總高度232m，辦公樓總建筑面積180000m2，其中地下3層，建筑面積48000m2，用于停車場、員工辦公及機械設備等。辦公樓周邊為6層裙房，用于會議、餐飲及商場，主樓首層和2層布置門廳及機械設備。

超高層建筑空調(diào)系統(tǒng)的科學設計往往能夠做到較大效果的節(jié)能目的，從而節(jié)約社會資源。綜合國內(nèi)外已有的暖通空調(diào)設計經(jīng)驗，本項目采用溫度和濕度獨立控制的暖通空調(diào)設計布置方法，將用于處理顯熱系統(tǒng)同處理濕度系統(tǒng)分開，協(xié)調(diào)完成辦公樓內(nèi)的溫度和濕度控制?？紤]到環(huán)境條件和自身建筑特色需要，該建筑暖通空調(diào)中主要管道位置如圖1建筑平面圖所示。

2 空調(diào)系統(tǒng)中溫濕度獨立控制操作原理

空調(diào)系統(tǒng)中溫濕度獨立控制操作原理如圖2所示。整個空調(diào)系統(tǒng)分為顯熱控制和潛熱控制兩部分，各自完成溫度控制和濕度控制的工作。

顯熱控制具體操作流程主要如圖2上半部分，調(diào)節(jié)閥門1能夠控制系統(tǒng)中制冷劑的流量，調(diào)節(jié)閥門3可以控制處于冷凝換熱器中制冷劑的流量以及換熱量，通過調(diào)節(jié)閥門1和調(diào)節(jié)閥門3的控制讓制冷劑和空氣在冷凝器中發(fā)生熱交換，即可實現(xiàn)溫度控制目標。圖2下半部分展示了潛熱控制部分的具體操作流程，左下角的調(diào)節(jié)閥門2能夠控制系統(tǒng)除濕溶液濃度同空氣進行熱交換的氣-液換熱器部分換熱的量值，調(diào)節(jié)閥門4用于控制同空氣進行換熱的冷凝換熱器部分除濕溶液換熱的量值，而調(diào)節(jié)閥門5可以控制除濕溶液的流量，從而控制制冷劑在換熱器之中發(fā)生換熱時的換熱量值，通過調(diào)控調(diào)節(jié)閥門2、4和5即可實現(xiàn)濕度控制的目的。

溫濕度獨立控制系統(tǒng)的負荷計算同常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)計算方法基本相同，但由于其由兩種系統(tǒng)來承擔熱和濕的處理工作，計算需分為溫度和濕度兩部分完成，同時需要考慮滲透風影響建筑負荷值。對于溫度和濕度控制系統(tǒng)的設備選型設計原則及建筑實際中的操作同樣分開進行。

3 溫度控制系統(tǒng)設計

3.1 溫度控制系統(tǒng)的負荷計算方法

溫濕度獨立控制系統(tǒng)中的溫度控制系統(tǒng)需要承擔建筑物室內(nèi)的顯熱負荷，主要調(diào)節(jié)由于門窗射入太陽輻射熱量、圍護結構傳導熱量以及人員設備產(chǎn)生熱量等。建筑物室內(nèi)的顯熱負荷計算方法同常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)中的計算方法相同，依據(jù)空調(diào)設計手冊及規(guī)范標準進行。當送風的溫度比室內(nèi)設計溫度低時，通常新風送風可以承擔一部分室內(nèi)的顯熱負荷，此時溫度控制系統(tǒng)計算顯熱負荷等于建筑室內(nèi)的全部顯熱負荷減去新風送風部分承擔室內(nèi)顯熱負荷所得差值。

室內(nèi)溫度的設計值取tn，新風送風的溫度ts，當tn大于ts時，可得新風送風要承擔顯熱負荷值計算方法如公式（1）所示

（1）

式中：cρ-空氣定壓熱容值，單位KJ/（kg·℃）；

ρ -空氣密度，單位kg/m3；

G -新風量值，m3/h

有上述分析可知，溫度控制系統(tǒng)負荷計算方法如公式（2）所示

QT=QS-QhS （2）

但如果tn小于ts，新風所承擔的室內(nèi)顯熱負荷可以不計，此時溫度控制系統(tǒng)承擔全部的建筑顯熱負荷以及新風同室內(nèi)溫差形成顯熱負荷之和。

3.2 溫度控制系統(tǒng)的設備選型設計原則

溫度控制系統(tǒng)的設備是主要的建筑顯熱負荷承擔者，主要有高溫冷源、輸配系統(tǒng)和末端顯熱設備組成。

由于溫度控制系統(tǒng)所需冷水溫度為15℃至20℃，中高層建筑使用地下水和地表水即可滿足其高溫冷源的冷水的需要，但超高層建筑所需水溫條件往往需要對其進行處理。上海地區(qū)年平均地面溫度28℃至32℃，一月份平均地面溫度4℃至6℃，可以利用間接蒸發(fā)冷卻的方法制備稍微高于露點的2℃至3℃冷水用于溫度控制系統(tǒng)高溫冷水。常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)需要5℃至7℃冷水才能滿足顯熱需要，因此，獨立的溫度控制系統(tǒng)電機的制冷效率可以很大幅度的提升。從因地制宜和自身條件考慮，獨立溫度控制系統(tǒng)可以自由選取高溫冷源設備形式，基于高溫冷源承擔負荷的設計方法，較常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)更具靈活性和合理性。

3.3 該項目溫度控制系統(tǒng)設備實際選型方案

對高溫冷水機組選型必須基于溫度控制系統(tǒng)負荷計算結果合理配置，并且需要全面考慮使用冷水機組造成負荷率等條件的影響。該項目中使用了LSBLX T1400型12臺機組，每臺的設計參數(shù)：額定使用功率為165kW；額定冷量為1400kW；額定工況的COP取8.0。根據(jù)顯熱負荷和建筑物實際情況計算得出輸配系統(tǒng)阻力和流量值，根據(jù)計算結果設計輸配系統(tǒng)設備選型，該辦公樓使用了冷水泵、冷卻塔和冷卻水泵各12臺，分四段設置，每段各3臺。冷水泵的額定流量為300t/h，揚程59m，其額定功率38kW；冷卻塔的額定流量270t/h，其額定功率7.5kW；冷卻水泵的額定流量270t/h，揚程57m，其額定功率34 kW。

4 濕度控制系統(tǒng)設計

4.1 濕度控制系統(tǒng)的負荷計算方法

濕度控制系統(tǒng)使用含濕量比室內(nèi)設計狀態(tài)更低的干燥的新風輸入以承擔全部建筑物潛熱負荷，另外，其送入的新風溫度調(diào)整可以實現(xiàn)部分承擔建筑物顯熱負荷的要求。濕度控制系統(tǒng)所承擔負荷是通過室外設計新風經(jīng)過處理直到所需要達到的設計送風狀態(tài)，實現(xiàn)這一過程所投入能量值。在溫濕度獨立控制系統(tǒng)中，新風一方面是建筑物內(nèi)人員生產(chǎn)生活所需環(huán)境的需要，另一方面是室內(nèi)多余濕度及CO2等排除實現(xiàn)所需要的條件。因此，建筑物內(nèi)所需要新風量值是綜合考慮工作人員舒適度環(huán)境、濕度要求及其他要求而確定的。

通過計算確定了新風的量值以后，就要確定送入新風的含濕量指標，繼而確保可以充分除去建筑物內(nèi)多余產(chǎn)濕量。新風送風的含濕量dn與室內(nèi)實際含濕量ds關系如公式（3）所示

W=？籽G（dn-ds） （3）

式中 W是建筑物內(nèi)部產(chǎn)濕量，單位g/h，主要是由室內(nèi)人員、植被、外露睡眠和滲入的空氣所產(chǎn)生濕量，按照常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)計算方法運算。

溫濕度獨立控制系統(tǒng)以通干燥空氣進入室內(nèi)的方式消除建筑物內(nèi)部所有潛熱負荷。這種情況下送風的溫度對室內(nèi)的氣流場分布以及對人員舒適度影響都非常明顯，所以設計溫濕度獨立控制系統(tǒng)過程中，必須合理控制送風的溫度。另外，幾種處理新風方式的原理都有所不同，必須針對其原理結合工程情況，選擇最為合適的處理方式和送風溫度。冷卻除濕的方法進行空氣處理時，先降低空氣的溫度，當溫度降低至露點以后，空氣中的水蒸氣轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)水得以析出，這種方法可以得到接近飽和的空氣，需要將較低溫度的空氣再加熱才可以送入建筑物。溶液除濕的方式是直接處理空氣直至所需要送風狀態(tài)，然后直接送入室內(nèi)。

4.2 濕度控制系統(tǒng)的設備選型設計原則

溫濕度獨立控制系統(tǒng)中的新風直接承擔除去建筑物內(nèi)部余濕、創(chuàng)造并保持建筑物內(nèi)部優(yōu)質(zhì)空氣等任務。其中要得到干燥的空氣即為濕度控制系統(tǒng)所要實現(xiàn)處理空氣的職能。假設室內(nèi)設計的要求溫度26℃，室內(nèi)相對濕度60%，辦公室內(nèi)部人員產(chǎn)濕總量109g/（人·小時），此時如果不考慮除此之外產(chǎn)濕量，按照人均設計新風需要量30m3/h，由公式（3）計算可知，式中室內(nèi)實際含濕量ds為9.5g/kg，也就是濕度控制系統(tǒng)輸入干燥空氣9.5g/kg才足以控制室內(nèi)舒適濕度。新風除濕方式差異也決定了各種方式所具備的性能差異也較大。我國的西部地區(qū)室外的空氣由于較為干燥，能夠直接通入濕量干燥新風即可除去余濕，但沿海地區(qū)必須進行空氣處理，不能直接引入。

4.3 該項目濕度控制系統(tǒng)設備實際選型

該項目所處環(huán)境為高濕度地帶，通過對該工程中新風量的需求和負荷計算結果分析，選擇了主要濕度控制系統(tǒng)設備為HVF-TFIL-10型溶液除濕新風機組。系統(tǒng)所設置的濕度控制系統(tǒng)送風溫度比室內(nèi)溫度稍低，承擔部分建筑內(nèi)部顯熱負荷。

5 結束語

超高層建筑空調(diào)系統(tǒng)中采用溫濕度獨立控制系統(tǒng)具有調(diào)控靈活和節(jié)能等多項優(yōu)勢，在其設計計算和設備選型過程中需要綜合考慮外部環(huán)境因素和內(nèi)部設計要求。首先，溫濕度獨立控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)的計算方法基本相同，但由于其溫度和濕度控制系統(tǒng)分開計算和設計，必須綜合考慮兩者能夠達到的最優(yōu)設計要求。其次，溫度和濕度控制系統(tǒng)選擇高溫冷源和新風處理機組設備必須考慮建筑所在地空氣溫度、濕度及地域特點。最后，該項目的運作經(jīng)驗表明，溫濕度獨立控制系統(tǒng)設備經(jīng)過合理配置，比常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)性能更高且具有更高的節(jié)能潛力。

參考文獻

[1]李洪欣，陳遠，李淑展.基于實踐應用的溫濕度獨立控制空調(diào)系統(tǒng)分析[J].制冷與空調(diào)，2013，13（7）：104-107.

[2]劉曉華，江億.溫濕度獨立控制空調(diào)系統(tǒng)[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2006.

[3]張濤，劉曉華，張海強，等.溫濕度獨立控制空調(diào)系統(tǒng)設計方法[J].暖通空調(diào)，2011，41（1）：1-8.