大型商辦樓的空調設計與優化

上海復旦規劃建筑設計研究院有限公司 上海 200433

1 工程概況

背景項目位于上海市黃浦區南端黃浦江畔，占地面積約8 681 m2，總建筑面積約41 595 m2，建筑高度約24 m，地下3層，功能為車庫、設備用房和輔助用房等，地上5層，其中1、2層為百貨商場，3層為預留餐飲層，4、5層為集團總部辦公區域。建筑效果圖如圖1所示。

圖1 建筑效果圖

2 空調設計參數

本工程室內外設計參數見表1、表2[1,2]。

表1 室外設計參數

3 空調冷熱源

本工程空調面積17 979 m2，中央空調部分總冷負荷為2 140 kW，總熱負荷為807 kW。采用2臺在額定工況下每臺制冷量為720 kW、制熱量758 kW的滿液式地源熱泵機組，地源熱泵機組的冷水供、回水溫度為7 ℃、13 ℃，熱水供、回水溫度為45 ℃、39 ℃。由于冷負荷大于熱負荷，另外采用1臺在額定工況下制冷量為704 kW的螺桿式冷水機組同時作為空調冷源，冷水機組的冷水供、回水溫度為7 ℃、13 ℃，夏季運行冷水機組與地源熱泵，冬季只運行2臺地源熱泵機組，地源熱泵機組和冷水機組設在地下1層的獨立冷熱源機房內。

表2 室內設計參數

4 地源熱泵

4.1 埋管換熱器選型

根據項目地區的地質條件及當地類似工程經驗，考慮工程綜合造價和施工難度，本工程采用深度為90 m的單U形垂直并聯埋管方式[3]。

將測試數據及擬合的結果分別進行分析計算，得到巖土體的熱物性參數見表3。

通過巖土熱響應試驗，得到巖土體綜合導熱系數為2.1 W/（m·K），巖土體初始平均溫度為19.0 ℃，與當地全年平均氣溫相當，可代表項目所在地以及周圍區域的巖土溫度狀況。綜合地質條件適宜采用地埋管地源熱泵空調系統[4,5]。

表3 巖土體熱物性測試結果

根據《地源熱泵系統工程技術規范》（2009版）中4.3.3條文解釋：

最大釋熱量=∑[空調分區冷負荷×（1+1/EER）]+∑輸送過程得熱量+∑水泵釋放熱量；

最大吸熱量=∑[空調分區熱負荷×（1-1/COP）]+ ∑輸送過程失熱量-∑水泵釋放熱量。

EEP、COP分別為空調的制冷能效比和制熱能效比。

根據前述冷熱負荷及冷熱源主機選型，忽略輸送過程得熱量及水泵釋放熱量，可得到地埋管換熱器的最大釋熱量為1 696 kW；最大吸熱量為647 kW。

根據熱響應測得的單位延米加熱量、放熱量以及地埋管換熱器的最大釋放量、吸熱量，可以計算得出為滿足本工程夏季、冬季空調工況需要的豎井數量：N1=343口；N2=195口。N1、N2分別夏季、冬季設計工況下所需地埋管豎井數量。

所以本工程地下埋管換熱器共計打孔345個，深度為90 m，采用垂直埋管，鉆孔間距為4.5 m×4.5 m，孔徑為135 mm，孔內采用φ32 mm的HDPE100管，單U形連接，地下埋管換熱器環路的水平管根據不同阻力接至窗井內不同的集水器，每個集水器母管上加平衡閥，且每個環路供、回水上均安裝截止閥。

4.2 土壤熱平衡分析及措施

本工程地埋管夏季向土壤放熱量要比冬季取熱量大很多，系統長期運行后，放熱量遠遠大于取熱量，土壤溫度將逐漸上升，制冷工況下的放熱功率會呈現衰減的趨勢。因此完全采用土壤熱泵系統供冷供熱不能滿足長期運行的需要，需有其他輔助的的方式來進行調節，本工程采用冷卻塔在夏季消除多余熱量，為此，利用軟件模擬了地埋管20年的取、放熱量特性，并以此作為冷卻塔選型依據。

根據地埋管模擬結果，模擬地埋管20年的年均取熱量為556 348 kW·h，而放熱量為1 272 269 kW·h，故設置1臺150 m3/h水流量的閉式橫流冷卻塔，以消除多余熱量，配以合理的運行控制，地源熱泵系統運行20年后的土壤溫度為19.9 ℃，比土壤初始溫度提高了0.9 K，能夠較好地保證整個地源熱泵系統長期高效、穩定運行。

地源及冷卻塔系統控制方式：

1）冬季：只采用地埋管為系統提供熱量；

2）過渡季：當只運行1臺地源熱泵機組供冷時，采用地埋管支路進行冷卻；當需要運行第2臺地源熱泵供冷時，則同時打開閉式冷卻塔支路，共同作為主機冷卻用；

3）夏季：當運行冷水機組時，需同時啟動1臺冷卻塔；當只運行地源熱泵機組時，監測地埋管的供水溫度，使之不高于30 ℃，當達到30 ℃時啟動閉式冷卻塔；當系統滿負荷運行時，冷卻塔與地埋管同時運行。

5 水系統

本工程空調冷熱水系統采用單式泵變流量系統，一泵對一機，通過變頻水泵來適應流量變化，但是單機的最小流量不得低于機組額定流量的65%，根據負荷量增減投入制冷機組。空調水系統采用兩管和四管混合的形式，其中兩管制管道夏季為冷水，冬季為熱水，四管制夏季只使用2根冷水管道，冬季2根冷水管道、2根熱水管道同時使用，實現冬季同時供冷及供熱。大樓空調機房內的空氣處理機組、新風機組均采用兩管制，夏季供冷，冬季供熱，吊頂式空調機組采用四管制。空調冷熱水系統采用異程式系統，采用平衡閥平衡系統水量，通過設在冷熱源機房內的真空脫氣定壓機組來補水、定壓。

6 風系統

6.1 空調形式

1）地下夾層主要為活動室、檔案室等小房間，采用風機盤管加新風系統。

2）1、2層百貨商場各分為南北2個空調分區，采用全空氣系統結合吊頂式空調機組的形式，夏季空調機房內的空氣處理機組承擔新風負荷與一半室內負荷，吊頂式空調機組承擔另一半室內負荷；吊頂式空調機組根據回風溫度傳感器信號，通過調節器比例調節水路電動閥進行加熱或冷卻，使室溫趨近設定溫度。冬季空調機房內空氣處理機組承擔新風負荷與大部分供冷負荷，吊頂式空調機組根據其位置（外區或內區）進行加熱或冷卻。空調機房內的空氣處理機組冬、夏季新風比約40%，過渡季節新風比100%，通過電動調節閥自動調節。

3）3層餐飲區空調機房需經協商后再進行設計。

4）4、5層為辦公區，采用變風量地板送風空調系統，其中4層分為11個空調分區，5層分為18個空調分區。新風處理機組把處理好的新風送至各空調分區，各空調分區內均設有1臺地臺送風空氣處理機（CAM），變風量末端采用壓力無關風機動力型地臺終端機。

6.2 地板送風

舒適性與室內空氣品質是空調系統成功與否的關鍵因素，地板送風的優勢主要體現在以下幾個方面：

1）布置靈活，可根據實際需要增減末端裝置，也可以根據裝修隔斷調整末端布置。

2）可改善室內空氣品質和舒適度。

3）送風溫度的提高有利于空調系統的節能運行，過渡季節可更大程度地利用全新風系統，且地板送風可以降低部分負荷下的能耗。

4）末端清洗方便，有利于系統的清潔運行，提高空氣質量。

本工程4、5層辦公區末端采用變風量地板送風空調系統，各層分為若干個空調分區，這些分區通過架空地板下的防火墻來分隔。地板送風設計思路如下：

1）分區域設置新風機組，新風經過新風處理機后送至各空調分區，可滿足人員新風的要求，改善了室內空氣品質，新風機組承擔新風負荷，減小室內末端機組的負荷。

2）各空調分區均設有1臺地臺送風空氣處理機組（CAM），合理布置在辦公區域，處理后的空氣利用架空地板下的靜壓空間來進行空氣分布，有效利用了混凝土地板的蓄能特性，從而達到節能的目的。

3）變風量末端采用壓力無關風機動力型地臺終端機，外區末端帶加熱盤管。終端機的運作根據終端機閥門開/關的數量來調節CAM的風量。送風量根據風扇電流輸出而改變，通過終端機控制器（開/關閥門）與空調機組控制器的數據交換，完成控制操作。

4）送風半徑和架空地板尺寸：架空地板的高度不僅影響空氣循環的摩擦損失，也會影響空氣處理機的送風情況。從安全角度來說，200 mm是最小值，本工程采用的架高為300 mm，以獲得最佳的空調效果。架高與送風半徑的關系如表4所示。

表4 地板架高與送風半徑的關系

7 綠色設計

根據業主要求，本工程需申報國家三星級和LEED-CS金級認證。暖通專業按照GB/T 50378—2006《綠色建筑評價標準》及LEED-CS認證，為配合其他專業，主要采取了以下節能措施[6,7]：

1）提高建筑圍護結構的保溫隔熱性能，減少空調采暖運行時的冷熱損失。

2）冷水機組和地源熱泵機組的性能系數分別為5.33、5.63，均符合國家節能標準的規定值。

3）空調處理機組設置新、排風熱交換器，回收部分排風能量。額定熱回收率＞60%。

4）商場、餐飲、會議室空調系統的新風補風量采用室內二氧化碳濃度控制方法，空氣處理機組新風比可調，避免人數較少時的新風能耗浪費。

5）4、5層辦公區末端采用變風量地臺送回風系統，減少部分負荷時的能源浪費。

6）空調冷凍水和熱水循環系統采用大溫差（6 K）供、回水，水系統設置一次泵變頻循環，減少水泵能耗。冷熱水系統的最大輸送能效比小于規范規定值。

7）利用天然冷源，利用制冷系統冷卻塔或地埋管，冬季免費供冷系統。

8）對空調系統中各耗能環節如冷熱源、輸送系統、空調末端等實現獨立分項計量。

9）空調通風系統采用了自動控制，既提高了使用的舒適性，又防止了因超溫和不合理運行造成的浪費。

8 結語

1）對于夏季冷負荷遠比冬季熱負荷大得多的工程，為了保持地埋管換熱器的全年釋熱量和吸熱量的平衡及盡量降低初投資，可采用冷水機組（冷卻塔散熱）及地源熱泵的冷熱源方式；

2）對于向土壤放熱量比向土壤取熱量大得多的地源熱泵系統，根據軟件模擬結果確定輔助散熱的冷卻塔選型，并通過合理的控制方式，保證地源熱泵長期、高效、穩定的運行；

3）只有通過對變風量地板送風空調系統新風機組、CAM、地臺終端機等的合理設計才能保證空調舒適性和室內空氣品質；

4）對于綠色建筑的設計，需比對標準的控制項和一般項，配合其他專業，精心設計，采取合理的技術措施，才能設計出真正的綠色建筑。