關于高層建筑空調系統優化設計的分析

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摘要：設計質量關系到中央空調系統最終使用效果，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，并介紹了空調自控設備的應用，可供從事中央空調系統的設計人員參考。

關鍵詞：高層建筑；空調系統；優化；空調負荷；設計

引言

空調能夠在局部范圍內，改善生活環境，使人們得到相對舒適的工作或生活環境。影響空調的質量和使用效果的因素有很多，但首要影響因素應該是設計質量。空調系統設計的好壞直接關系到建筑物建成后的使用功能，對系統運行管理、維修都有很大關系。超高層建筑體型巨大，功能復雜，容納人員眾多，投資十分龐大。超高層建筑絕不是普通建筑的拉伸或簡單疊加，在一般建筑物中的一般問題，到了超高層建筑中都可能成為特殊問題，做出特殊處理辦法。

1.工程概況

某高層建筑，用地面積22100萬㎡。裙房及附樓共4層，1～4樓為商業用途；5樓為避難層，兩座大樓標準層（6～25層）辦公，大樓1～25層各房夏季設置有空調，6～25層塔樓標準層辦公冬夏季均設置冷暖空調。

2.變風量空調方式的應用優點

2.1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。

2.2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。

2.3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。

2.4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。

2.5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。

3.空調水系統的分區

本項目水系統的分區采用按水系統壓力分區和按承擔空調負荷的性質分區。

3.1按壓力分區。在空凋水系統中，由于機械制造的原因，各種設備及附件的工作壓力是有一定限制的，國產附件如閥門等的壓力等級一般有0.6MPa、1.OMPa、1.6MPa、2.5MPa、4.0MPa等，設備的壓力等級一般分為0.8MPa、1.2MPa、1.6MPa.2.OMPa.2.5MPa等。從附件的制造來看，當工作壓力達到2.5MPa以上時，其造價將成倍上升。設備的工作壓力達到2.0MPa以上時，也會出現類似的情況。另外，普通焊接鋼管的壓力等級一般也是2.0MPa。為了減少投資及減少對建筑本身的影響，空調系統通常以1.6MPa作為工作壓力劃分的界限，即在設計時，使水系統內所有設備和附件的工作壓力都處于1.6MPa之下。考慮到水泵揚程大約40m左右，因此，水系統的靜壓應在120m以下，對于目前的建筑來說，這相當于大約室外高度100m左右的建筑（地下室-10m左右）。當建筑高度較高，使得水靜壓大于1.2MPa時，水系統宜按豎向進行分區以減少系統內的設備承壓。

3.2按負荷性質分區。負荷性質本身包括兩個主要方面，即使用特性和固有特性，本項目用使用特性的負荷性質分區。

從使用性質上看，主要是各區域在使用時間、使用方式上有較大的區別，這一點在綜合性建筑中較為明顯，如酒店建筑中的客房與公共部分，辦公建筑中的辦公室與公共部分等等。公共部分本身像餐飲、商場、娛樂等在使用時間上也存在一定的區別。

優勢是可以各區獨立管理，不用時可以最大限度的節省能源，靈活方便。從高層建筑來看，通常在公共部分與標準層之間都有明顯的建筑形式轉換，以此轉換處分區既對豎向分區有利，也對使用方式上的分區有利，是一種較好的方式。但這一分區通常要求設一個分區轉換建筑層（有時也稱為設備層），它將對建筑形式尤其是投資產生較大的影響，應認真比較后才能確定。一般來說，對于上部為客房，下部為公共區域的高層酒店而言，由于排水管道等的布置也會要求有設備層，因此這時空調水系統的分區是可以與之一起考慮的。但對于一些辦公式建筑，如果高度不大，單為空調專業設置設備層是不經濟的，因此，此時通常是分為不同的環路而不是真正的從壓力上分開。

4.優化模型的建立

4.1目標函數的建立

常見的水冷壓縮式空調系統中，空調系統能耗一般包括三部分，即1冷水機組；2冷卻泵和冷水泵；3末端裝置。這三部分能耗中，冷熱源能耗約占總能耗的二分之一左右，冷凍水水泵，冷卻水水泵，冷卻塔風機的耗電量約占整個能耗的四分之一，本文以給定制冷量時冷卻水泵。冷水泵和冷水機組總的能耗最小為目標函數，選取便于控制的冷卻水流量率和冷水出口溫度兩個參數做為優化數學模型的獨立變量。

4.2約束條件

空調系統的優化就是在給定的外部條件下，適當地選擇能耗目標函數中的各個獨立變量，使系統總能耗也就是目標函數的值最小。但一般的，目標函數中的各個獨立參數必須滿足一定的關系式或條件，也就是約束條件。

4.3制冷量約束

影響表冷器熱工性能的因素有很多，包括表冷器內部結構！空氣入口溫濕度！冷水供水溫度，風量，水流量，排數等。當送風量，冷水流量一定時=對給定的表冷器，制冷量只與冷水供水溫度有關，那么當表冷器的送風量不變時，要滿足用戶需冷量的要求，符合率與冷水出口溫度必須滿足。

4.3冷凝壓力約束

制冷裝置運行時，冷凝壓力對系統性能有很大影響。當冷凝壓力偏高=壓縮比增大，容積效率減小，制冷量減小，耗功率增，排氣溫度升高；冷凝壓力過低時，膨脹閥前后壓差太小，膨脹閥容量減小導致供液能力不足，系統制冷量大幅度下降，因此，必須將冷凝壓力控制在合理的范圍之內，才能充分保證制冷裝置的性能。當空調系統已經確定時，冷凝壓力是冷卻水流量率和冷卻水進口溫度的函數，而當室外濕球溫度不變時，冷卻水進口溫度變化不大。

4.4蒸發壓力約束

外界條件變化和符合變化時，會引起制冷裝置蒸發壓力變化。蒸發壓力的波動，會使被控對象的控制精度降低，蒸發溫度過低，不僅導致系統能效降低，而且會導致蒸發器結霜、冷凍水凍結等故障；蒸發溫度過高，又會出現壓縮機過載、除濕功能降低等現象。對于冷水定流量系統冷水出口溫度和蒸發溫度之差與制冷量成正比例變化，當制冷量降低時，這一溫差也減小。

5.優化結果分析

當兩個優化參數在最佳值運行時，空調系統的總功率比額定功率明顯下降 25.5%到38.3%不等，節能效果明顯。優化后空調系統總功率與額定功率關系可以繪制成如下圖：

圖1 優化后空調系統總功率與額定功率關系

6.結束語

空調系統設計質量的保證，不僅使建筑物室內環境美化，提高工作效率，同時還造成能源的大量節約。為此，作為工程設計人員，就要通過經濟技術比較，根據具體情況選擇確定最適合、最經濟、最有效的空調系統優化方案精心設計，這樣才能確保空調系統的設計質量，避免各種問題的出現，為后續工作打下堅實的基礎。

參考文獻：

[1]張訓玉；陳悅.高層建筑中央空調系統設計實踐[J].建設科技，2007年Z2期

[2]倪九華.高層建筑中央空調系統設計的幾點體會[J].浙江建筑，1997年04期

[3]方芳.民用建筑空調系統設計中的噪聲控制[J]廣東土木與建筑，2005-02-15.