空調節能技術在超高層建筑中的應用

莊秋鵬

(廈門佰地建筑設計有限公司 福建廈門 361009)

0 引言

當今社會經濟高速發展，人口大量涌入城市，為了解決城市擁擠問題，超高層建筑日益增多。作為建筑能源消耗大戶的空調系統，因為超高層空調體量大、運行時間長的特點，其能源消耗表現得更加明顯，因此如何合理利用空調節能技術降低超高層建筑的空調能耗，實現節能已成為超高層建筑空調設計中的重點。本文將從工程實際應用及節能的角度，分析以下5種空調節能技術在超高層建筑中的應用及其產生的節能效果。

1 工程概況

廈門杏林灣營運中心12#樓位于廈門杏林灣路南側，園博園以北，總建筑面積：159 380m2，地下室面積：43 320m2，地上面積：116 060m2。建筑高度：262.05m。建筑層數：地上54層，地下3層。首層為入口大堂、配套商業及消控室；二層為配套商業、電梯大堂；3～4層為配套商業、員工餐廳；5～6層為會議室及辦公配套會所；7～53層為辦公用途,54層為觀光大廳；16F、27F、42F,為避難層。

2 空調節能技術應用

2.1 大溫差小流量中央空調冷水系統

(1)大溫差小流量中央空調冷水系統與傳統空調冷水系統(5℃溫差)的性能比較

冷水機組提供的冷量與冷凍水流量及冷凍水供回水溫差有關，冷量計算公式(1)[5]如下：

Q=CP·L·△T

(1)

式中：Q——冷量，kW；

CP——冷凍水的比熱容，4.2×103J/(kg·℃) ；

△T——供回水溫差，℃。

由式(1)可知，CP為常數，當提供相同的冷量Q時，△T越大所需的冷凍水流量L越小，則冷凍水泵的流量L就相應減少，根據水泵功率計算公式(2)[5]如下：

N=L·g·h/(3.6·η)

(2)

式中：N——水泵的功率，kW；

L——水泵的流量，m3/h；

g——重力加速度，9.8m/s2；

h——水泵的揚程，m。

由式(2)可知，當水泵揚程一樣，流量越小則水泵的耗功率越小。同理，冷卻水泵及未端設備的風機功率也相應減少。因此，大溫差、小流量中央空調冷水系統能收到明顯的節能效果。

(2)工程實例比較

該工程辦公部分空調冷凍水管路為二管制、變流量、閉式機械循環系統。冷凍水系統豎向分為高、低二區。低區：地下1層(-5.8m)至27層(119.8m)；高區：27(119.8m)層至機房層(249.8m)；低區冷凍水供回水溫度5/12℃，高區冷凍水供回水溫度6/13℃，其冷凍水供回水溫差為7℃。空調冷卻水系統采用10臺橫流式冷卻塔，冷卻水進、出水溫度40/32℃，其冷卻水供回水溫差為7℃。

相同條件下的大溫差、小流量空調冷水系統(以下簡稱方案一)與傳統溫差的空調冷水系統(以下簡稱方案二)設備組成、能耗及其初投資比較，如表1～表3所示。

表1 設備組成比較

注：①本表中的設備功率由文獻[4]及文獻[7]中相關設備選型得出。 ②空調冷水系統中的板式熱交換器由于沒有消耗電量，本表未作為比較項。

表2 主機設備運行能耗比較 k

元

(3)結論

經了解，廈門的空調季從5月1日～10月1日共約1500h，廈門電價按0.8元/kWh計算，則空調冷水系統部分每年可以節約的費用為：(2759-2524)×1500×0.8=282 000元，同時其初投資更少，不存在回收期。

大溫差、小流量空調冷水系統降低了空調水系統的流量，進而降低了設備如冷水機組、冷凍水泵、冷卻水泵的耗電量達到明顯的節能效果。

其中，冷卻塔由于進、出水溫度為40/32℃，溫差增加至8℃，因此，相同的耗功率下制造的冷卻水流量減少。同時，由于增加通風換熱面積造成初投資相應增加，因此，從初投資角度冷卻塔部分并不節能，但從整個系統角度分析，還是產生明顯的節能效果。

2.2 變風量空調系統

(1)變風量空調系統與定風量空調系統的性能比較

定風量空調系統和變風量空調系統，都有系統供給負荷平衡公式(3)[3]：

Qs=1.01G·(tN-t0)

(3)

式中：Qs——空調系統負荷，kW；

G——空調系統送風量，kg/s；

tN——室內溫度，℃；

t0——送風溫度，℃。

由式(3)可知，當室內冷量發生變化時，定風量空調系統送風量不變，只能通過調節冷凍水流量改變送風溫度來匹配冷量變化，需要冷水系統設備隨房間負荷變化而不變調整運行狀態，顯然很浪費冷量及運行費用。而VAV空調系統可以通過調節區域送風量來適應冷量變化，冷水系統卻只需維持送風溫度t0不變即可；同時，由于送風量減少，其風機運行功率也相應減小，因此可以很明顯地降低運行費用；加之，VAV空調系統中各個不同的空調房溫度可獨立控制，在正常應用情況下，節能效果較好。

(2)工程實例比較

該工程辦公室采用變風量空調系統，空調機組采用變頻風機設置在各樓層空調機房內, 系統由變風量空調機組、單風道節流型變風量末端(壓力無關型)、風機動力型末端(外區)組成，具體標準層平面圖如圖1所示。

圖1 標準層空調系統平面圖

相同條件下變風量空調系統(以下簡稱方案一)與傳統定風量空調系統(以下簡稱方案二)，設備組成、能耗與初投資比較如表4～表6所示。

表4 標準層未端設備組成比較

注：本表中的設備功率由文獻[4]及文獻[6]中相關設備選型得出。

表5 標準層未端設備運行能耗比較 kW

注：經查文獻[1]，VAV空調系統平均運行于70%的設計風量，空氣處理機能耗相應減小。

表6 初投資比較 元

(3)結論

由表4～表6計算可知，采用VAV空調系統增加的初投資費用為：254 285-209 600=44 685元。

采用VAV空調系統每年節約的費用為：

(18.5-8.5)×1500×0.8=12 000元

因此，可在3.7年回收VAV空調系統初投資增加的費用。

變風量空調系統通過改變送入房間的風量來適應負荷的變化，而空調系統大部分時間都是在部分負荷下運行，因此，風量的減少帶來了風機能耗的降低，從而達到明顯節能效果。

2.3 地板式送風空調系統

該工程辦公區氣流組織為下送上回方式(地板式送風空調系統)形式。通過網絡地板與樓板形成的靜壓腔將空氣處理機組處理過的冷風送至各個辦公區，辦公室空調系統剖面圖如圖2所示。

圖2 辦公區空調系統剖面圖

地板式送風空調系統是新型的中央空調系統，它最大特點就是將傳統的上送風方式改變為下送風。由于它具有熱力分層特性，空調冷風只要在人員停留的區域即可，上部的燈具等設備所產生的熱量還未到達地面就被排出，提高了排風溫度，減少了總冷負荷，降低空氣處理機組冷量，減小了制冷機組容量，從而達到節能目的。同時，由于地送風采用的是地板靜壓箱送風系統，系統阻力小，導致風機能耗降低，減少風機能耗。

2.4 變風量空調系統分區供冷

該工程采用的變風量空調(VAV)系統是一種節能的空調系統。VAV系統各調節區域負荷改變時，各區域的VAV Box(變風量末端)調節送入到各區域的風量來適應區域負荷改變。對于一般的VAV空調系統，送風靜壓控制器調節空氣處理機送風風機轉速保持送風風道某處的靜壓為設定的恒定值，但這樣的控制方式存在一定的缺陷。由于風道中靜壓恒定，會出現負荷很大的區域(如靠近玻璃幕墻區域)的VAV Box風閥開到最大時仍然滿足不了負荷需要的情況，因而滿足不了調節區域的舒適性要求；而當所有VAV區域中的最大負荷小于設定靜壓下VAV Box可提供的供冷(熱)量時，所有VAV Box的風閥未開啟到最大，增加系統風道阻力，也就增加了空氣處理機能耗。因此，該工程將辦公區域進行合理規劃區分，將辦公區域靠近玻璃幕墻一側劃歸為辦公區域外側，如圖1～圖2所示。并且，安裝若干風機動力型末端，僅以少數風機動力型末端隨室外日照熱氣進行變風量運行來承擔該部分負荷，而不用所有變風量未端一起隨著日照熱氣進行變風量運行，進而降低空氣處理機能耗。

2.5 新排風熱回收系統

新排風熱回收系統是通過回收排風中冷量，并把回收的冷量作為新風冷源加以利用的系統。在《公共建筑節能設計標準 》中，明確規定了“設有集中排風的空調系統經技術比較合理時應設置空氣—空氣能量回收裝置。”[4]

該工程辦公區新風及排風系統由4臺轉輪式全熱交換器承擔，分別設于16、27、42及屋頂層，經豎向新風豎井、排風豎井與各層聯接。

通過對相同條件下的新排風熱回收系統(以下簡稱方案一)與不帶熱回收新排風系統(以下簡稱方案二)，進行經濟技術分析比較如表7～表8所示。

表7 新排風系統組成

注：本表中的設備功率由文獻[6]及文獻[7]中相關設備選型得出。

表8 經濟及能耗分析

轉輪式全熱交換器是一種高效的熱回收裝置，能回收80%的排風余熱，該工程的總新風量:LX=168 000m3/h,總排風量:LP=134 400m3/h。經核實該工程的室外新風焓值h1=89kJ/kg,辦公區室內排風焓值h2=59kJ/kg，空氣的密度ρ=1.29kg/m3。

根據回收能量計算公式[3]，可以得出回收的冷量為：

Qh=ρ·LX·(h1-h2)/3600=

1.29×168 000×(89-59)/3600=1806kW

冷水系統(包括冷水機組、冷水泵、冷卻塔等)全年的綜合性能系數COP=4W/W，則新排風熱回收系統每年節約費用：1806÷4×1500×0.8=541 800元，風機能耗增加費用：(192-118)×1500×0.8=88 800元，則每年節約電費453 000元，采用轉輪熱回收系統增加初投資320 000元，因此，1年內可回收初投資成本。

綜之，新排風熱回收系統，減少全年的運行費用的同時，減少冷水機組、冷卻水泵、冷凍水泵、冷卻塔等容量，減少初投資。

目前廈門杏林灣營運中心12#樓已竣工，即將投入運營。

3 結語

隨著空調節能技術發展，空調節能技術效果變好的同時其初投資將變低，像大溫差、小流量空調冷水系統這種新型的空調節能技術在產生明顯節能效果的同時，其初投資比傳統冷水系統更低。VAV空調系統雖然初投資比空風量空調系統略大，但通過地板式送風空調系統及分區供冷這兩項技術的輔助，能明顯降低運行能耗，提高空調房間的舒適性。新排風熱回收系統對于超高層這種大體量的建筑，其節能效果更加明顯，因此，對于超高層空調系統這是一項很實用的節能技術。

[1] 劉天川.超高層建筑空調設計[M].北京：中國建筑工業出版社，2004.

[2] GB50189-2015 公共建筑節能設計標準[S].北京：中國建筑工業出版社，2015.

[3] 陸耀慶.實用供熱空調設計手冊(第二版)[M].中國建筑工業出版社，2008.

[4] 特靈空調系統(中國)有限公司.空調設備產品手冊[Z].2014.

[5] 北京環都拓普空調有限公司，熱回收式新風換氣機[Z].2016.

[6] 美國皇家集團.VAV變風量系統產品手冊[Z].2012.

[7] 荏原機械(中國)有限公司.水泵選型手冊[Z].2015.