超高層辦公樓溫濕度獨立控制空調系統設計探討

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摘要：隨著我國能源的大量消耗，建筑的空調系統的能源損耗最大。如何節約能源損耗，享受同樣的舒適度，是暖通設計人員較為關注的重要問題之一。溫濕度獨立控制空調系統作為新型空調系統，是利用高溫冷源控制室內溫度及濕度，可以避免常規空調系統中熱濕聯合處理造成的能耗損失，達到良好的節能效果。本文根據工程案例，對超高層建筑的溫濕度獨立控制空調系統設計進行探討，供同行借鑒參考。

關鍵詞：超高層建筑；溫濕度獨立控制空調系統

1.工程概況

某超高層建筑35層，地下3層，制冷機房位于地下一層，地下三層為機動車庫、非機動車庫及設備用房，地上首層為商業及大堂配套設施，二層至六層為餐飲功能，七層、二十二層為設備層兼避難層，其余均為純寫字樓功能，建筑總面積約13萬m2，總高度159.8m。

其中，F8～F35層的辦公區域采用了溫濕度獨立控制空調系統，該區域總空調面積約為65000m2，本文主要針對該部分空調區域的系統設計方法進行闡述。

2.空調設計參數與負荷計算

考慮到南方地區近期冬季頻繁出現低溫天氣，在空調設計時同時考慮夏季供冷與冬季供暖工況。空調區域冬夏季室內參數要求見表1，夏季室內設計參數取260C，55%。

表1 室內設計參數要求

夏季冬季

干球溫度（0C）相對溫度（%）干球溫度（0C）相對溫度（%）

25～2740～60>2040～55

在溫濕度獨立控制空調系統設計時，需將室內顯熱負荷與潛熱負荷分開計算。系統冷熱負荷計算結果如表2。

表2 系統冷熱負荷（單位：kW）

夏季

室內顯熱負荷室內潛熱負荷新風冷負荷

70347855100

冬季

室內熱負荷新風熱負荷

2672 850

3.暖通新規范中關于溫濕度獨立控制系統的設計要求

《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范GB50736 -2012》增加了溫濕度獨立控制空調系統的內容，并對該系統的設計方法給出了指導意見。

1）條文7.3.14指出：空調區散濕量較小且技術經濟合理時，宜采用溫濕度獨立控制空調系統。該條文說明指出：空調區散濕量較小的情況，一般指空調區單位面積的散濕量不超過30g/（。

該項目人員密度約為0.16人/m2，室內設計溫度為260C，人均產濕量取109g（h人），則單位面積產濕量為0.16x109=17.4g/（m2 h）<30g/（m2 h），滿足規范要求。

2）7.3.15（2）條文說明中指出：當室外新風濕球溫度對應的絕對含濕量低于要求的新風送風含濕量時，宜采用直接蒸發冷卻方式處理新風；當室外新風露點溫度低于要求的新風送風露點溫度時，宜采用間接蒸發冷卻方式處理新風；當室外新風露點高于要求的新風送風露點時，宜采用冷凝除溫、轉輪除濕或溶液除濕等。

廣州地區的室外新風露點高于要求的新風送風露點，因此在除濕方式選擇時主要考慮冷凝除溫、轉輪除濕或溶液除濕三種方式。

7.3.15（3）條文說明中提到：采用冷卻除濕方式時，由于除濕空氣需被冷卻到露點溫度以下，才能除去冷凝水。為滿足新風的送風要求，除濕后的新風需進行再熱處理后送到空調去，造成冷熱抵消現象，增加了系統能耗。轉輪除濕則需要依靠蒸汽或電再生，能耗相比冷卻除濕更大；溶液調濕的送風相對濕度在55%～70%之間，送風含濕量可做到4～8/g/kg，能夠滿足使用要求，送風不需要再熱，溶液再生采用冷凝器排熱，不需要額外消耗蒸汽或電能，能耗較小。因此，筆者在本項目中，濕度控制系統選擇了溶液除濕方式。

3）條文8.5.1（3）指出：采用溫濕度獨立控制空調系統時，負擔顯熱的冷水機組的空調供水溫度不宜低于160C；當采用強制對流末端設備時，空調冷水供回水溫差不宜小于50C。

條文中要求冷機的供水溫度不低于160C，主要是為防止室內末端結露。但是，當室內末端采用干式風機盤管時，室內末端是否結露不僅與供水溫度相關，也與室內設計參數、盤管性能等因素相關。如果不考慮這些因素就將冷水供水溫度確定為160C，盤管單位風量供冷量較低，會增加室內盤管數量與風量，盤管造價、室內噪音也隨之增加。因此，冷水機組供水溫度宜根據項目具體情況確定。

本項目室內設計參數為260C，55%，對應露點溫度為16.30C，濕球溫度為19.50C，末端采用干式風機盤管。盤管從由干工況到濕工況必然存在一個臨界工況，該臨界工況又稱作濕工況的等價干工況，該工況也是干、濕工況的判據。文獻基于該理論給出了干濕工況的判別方法，具體介紹如下。

在燴濕圖上，定義盤管進出口參數連線與100%相對濕度線的交點的溫度為t3，其計算方法為：

（1）

其中：t1為盤管進口空氣干球溫度，tL1為進口空氣露點溫度，ts1為進口空氣濕球溫度，tw11為冷凍水供水溫度， 1為盤管干球溫度效率，2為盤管接

觸系數。對于一定型號的風機盤管機組，當風量、水量不變時，其干球溫度效率與接觸系數都是定值。

當t3>tL1，時盤管為干工況：當t3= tL1時，盤管為臨界工況；當t3< tL1，時，盤管則為濕工況。那么當盤管處于臨界工況時，有t3= tL1聯立式

（1）可得到臨界供水溫度tw1為：

（2）

表3 盤管臨界工況對應的供水溫度

干球溫度效率接觸系數臨界供水溫度（0C）

0.600.9510.5

0.600.9011.3

0.600.8512.1

參考規范《風機盤管機組》（草擬稿）中的盤管性能進行計算，對應高檔風量條件下，保證本項目盤管不結露所需的冷凍水溫度見表3 保證盤管為干工況的臨界供水溫度為10.5～12.10C，考慮一定安全余量，本項目供水溫度取為13 0C。回水溫差取為50C，即冷機供回水溫度取13/180C，該供回水溫度能夠保證盤管在高檔風量下不結露，同時提高了盤管的供冷能力。

4.空調系統設計要點

4.1冷熱源設計

冷源方面，系統采用2臺2814 kW（800RT）的高溫水冷離心機組和1臺1406 kW（400RT）水冷螺桿式機組供冷，冷凍水進、出水溫度為13/180C，承擔室內顯熱負荷。新風負荷以及室內的濕負荷共計5885 kW，由熱泵式溶液調濕新風機組承擔。制冷機房位于地下一層，每臺主機對應冷卻水泵與冷凍水泵各1臺（小螺桿冷機增設1臺備用泵），對應5臺400m3/h的冷卻塔安裝于天面。

熱源方面，采用2臺1336 kW風冷熱泵機組承擔室內熱負荷，新風加熱加濕負荷850kW由熱泵式溶液調濕新風機組承擔。風冷熱泵機組設置于屋頂。

4.2 新風量取值

根據《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》（GB50736—2012）中的要求，公共建筑中辦公室內每人所需最小新風量取30m3/（h人）。采用溫濕度獨立控制空調系統后，除滿足上述規范要求外，還需滿足除濕新風量要求。滿足除濕要求的新風量按下式計算：

（3）

式中，滿足除濕要求的新風量，m3/h；W建筑室內產濕負荷，g/h；為空氣密度，g/m3，設日參數空氣含濕量，g/kg；為溶液除濕后送風含濕量，g/kg，本項目取為8.0g/kg。

本項目室內設計參數為260C，55%，對應室內含濕量為11.6g/kg。室內產濕量主要為人員產濕量，人均產濕量取109g/kg均所需除濕新風量按上式計算，為109/1.2/（11.6—8.0）25.2m3/h。

新風量取規范中要求與除濕新風量中的較大值，即30m3/（h·人）。

4.3 風系統設計

系統形式選用干式風機盤管加新風系統，8～21層熱泵式溶液調濕新風機組設置于7層和22層避難層，通過豎井送至每一層空調機房，再由離心風機送至每個房間；23～35層新風機組設置于偶數層，通過風道送至奇數層，再送至每個空調房間，每個房間支管設置電動蝶閥調節新風量。干式風機盤管均采用方形散流器上送方式。所選熱泵式溶液調濕新風機組帶全熱回收，每層均設排風，排風量按新風量的72%計算。辦公區域風機盤管及新風機送風管上安裝PHT光氫離子空氣消毒凈化裝置。

圖1為建筑新風、排風系統示意圖。在該系統中，熱泵式溶液調濕新風機組對新風進行集中處理，承擔所有新風負荷和室內潛熱負荷；室內末端采用干式風機盤管，通人高溫冷水機組提供的13/18℃冷水，承擔室內顯熱負荷。

圖1 新風、排風系統圖

空調區域室內分區域安裝CO2傳感器、露點溫度傳感器，控制系統檢測室內CO2，濃度及露點溫度，任一條件不滿足設定要求，則新風送風管電動調節閥全開；露點溫度未達到設定要求時，干式風機盤管冷凍水供水管電動閥關閉；當露點溫度達到設定要求后，冷凍水供水管電動閥開啟，新風送風管電動閥開度隨室內CO2，濃度調節。

新風機組的新排風機為變頻風機，根據風道壓力與壓力設定值，經DDC控制器PID運算輸出信號，控制變頻器頻率給定，使風管靜壓保持在設定值；當風管靜壓高于設定值，調低風機頻率，當風管靜壓低于設定值，調高風機頻率。通過PI調節新/排風閥，使回風CO2濃度保持在設定值，當巨風CO2，濃度高于設定值，則增加新風閥開度，反之則減少新風閥開度；排風閥開度隨新風閥開度等比例變化。

4.4 水系統設計

由于該建筑為超高層建筑，層數多，總高度大，冷凍水管道產生的靜水壓力也較大。該項目中，冷凍水系統靜水壓力在160m左右，工作壓力為2MPa。如果采用普通承壓設備，其承壓能力最大值在1MP。左右，那么水系統就需要在豎向做高低分區，利用板換將低區供水換熱后送往高區，這就造成了能量品位浪費。具體到本項目，如果采用高低壓分區，高區冷凍水供水溫度為13/18℃，考慮到板換造成的1～2℃換熱溫差，低區冷機就需要提供11/16℃的冷水，這將導致冷水機組制冷效率下降。

該項目制冷機房內冷卻水、冷凍水系統設備和閥門均采用耐壓2.5MPa。設備，相比普通承壓設備，該設備造價提高了15%，折合建筑單位面積多了6.5元/m2。但是，冷凍水系統取消了分區，冷機供水溫度可提高2℃左右，其制冷效率可提高6%～10%。

冷水機組的冷凍水泵采用一級泵變流量設計，泵與制冷機一對一布置，制冷機位于水泵吸人端，以降低制冷機組承壓；冷卻水泵也采用變頻流量調節措施。為防止冷機蒸發器與冷凝器出現運行故障，冷凍水與冷卻水的流量變化范圍取50%～100%。

控制策略方面，冷凍水泵與冷卻水泵均按定壓變頻設計。根據運行時間最短和設備無故障的情況排序，開啟相應臺數的水泵，并優先使用運行時間少的設備；當供水壓力高于設定壓力時，調小水泵頻率；當供水壓力低于設定壓力時，調大水泵頻率，若水泵達頻率上限后則加開一臺水泵。

5.設計體會與總結

本項目設計的優點：

1）采用溫濕度獨立控制空調系統，利用高溫冷水機組制取13/18℃冷水供給室內干式風機管以控制室內溫度，利用溶液調濕新風機組制取干燥新風以控制室內溫度。這種空調形式一方提高了冷機制冷效率，節省了系統能耗，另一方面消除了室內盤管的潮濕表面，提高了室內空氣品質。

2）水系統采用高耐壓設備，制冷機房內冷卻水、冷凍水系統設備和閥門均采用耐壓2.5MPa，取消了高低分區，避免了能量品位浪費。

3）水泵與風機均采用變頻運行策略，可有效降低輸配系統能耗。

設計時需注意事項與系統不足：

1）在溫濕度獨立控制系統設計時，高溫冷水機組的供回水溫度設定是系統設計的關鍵。選擇水溫過高，則末端盤管數量增加，系統初投資與室內噪音均會隨之增加；選擇水溫過低，室內末端則會出現冷凝水問題，影響系統運行效果冷水機組供水溫度需根據項目具體情況進行校核與調整。

2）在高層建筑設計時，水系統可采用高耐壓設備，可以避免高低分區，但是系統的初投資也隨之上升，在使用需采用耐壓范圍合理的設備，以避免初投資大幅度上升。

3）在計算室內濕負荷時，本項目只考慮了室內人員產濕，但當用戶開窗時，會引入大量滲風濕負荷，造成室內濕度失控，因此建筑（尤其是夏季濕熱天氣時）需盡量減少開窗時間；室內盤管也需要設置凝水管，以避免用戶開窗時盤管結露出現滴水。