大型變風(fēng)量系統(tǒng)在超高層建筑應(yīng)用

季汪艇

同濟大學(xué)建筑設(shè)計研究院（ 集團）有 限公司

0 引言

北美國家和日本在變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng) （Variable Air Volume,VAV） 的技術(shù)路線截然不同， 系統(tǒng)規(guī)模是其中最大的差別， 即大型多層集中式系統(tǒng)在北美國家應(yīng)用較多， 中型和小型系統(tǒng)在日本和國內(nèi)更為常見[1]， 綜合文獻[2]列舉的國內(nèi)外超高層建筑 VAV 系統(tǒng)案例， 兩者主要差異如表1所示。

國內(nèi)設(shè)計人員對于大型系統(tǒng)， 鑒于其單位風(fēng)量輸送能耗大， 未使用樓面漏風(fēng)量大等原因， 則一般不推薦使用 [1] 。基于這些設(shè)計理念和國情背景，大型 VAV系統(tǒng)在國內(nèi)應(yīng)用較少， 在超高層建筑的應(yīng)用未見于出版物。本文通過一個大型 VAV 系統(tǒng)在上海某超高層辦公樓的實例分析， 探討該系統(tǒng)形式在國內(nèi)應(yīng)用的可行性。

表1 超高層建筑VAV系統(tǒng)不同規(guī)模的特點比較

1 系統(tǒng)概況

該超高層辦公樓位于上海市靜安區(qū)， 坐落于蘇州河和南京東路之間， 高 249.85m共 54 層， 塔樓建筑面積為12.3萬m2。建筑采用框架 - 核心筒結(jié)構(gòu)體系， 共設(shè)置3個避難/設(shè)備層，分 別位于 8層，24層和38層。定位甲級寫字樓，塔 樓標(biāo)準(zhǔn)層最大面積 2410m2， 辦 公部分建筑面積約 1700m2， 層 高 4.38m，控 制凈高3.0m。建筑效果圖如圖1所示。

圖1 項目建筑效果圖

本項目室外及室內(nèi)設(shè)計參數(shù)則分別如表 2 表 3所示。

表2 室外設(shè)計參數(shù)表

表3 室內(nèi)設(shè)計參數(shù)表

該項目冷源采用冰蓄冷系統(tǒng)， 辦公塔樓空調(diào)有條件采用低溫送風(fēng) （9 ℃） 空調(diào)系統(tǒng)。風(fēng)管系統(tǒng)按照低速風(fēng)管系統(tǒng)（最高風(fēng)速控制在 13m/s 以下，比摩阻在0.8～1.5 Pa/m 之間[1]）設(shè)計， 一般主風(fēng)管風(fēng)速在 8～10m/s， 支風(fēng)管風(fēng)速在4～6m/s。

圖2 塔樓空調(diào)系統(tǒng)原理示意圖

如圖2所示，辦公區(qū)域空氣處理機組集中設(shè)置于8層，24層，38層及54層屋頂?shù)脑O(shè)備機房/平臺內(nèi)，緊挨核心筒的南北兩組送 / 回風(fēng)井道服務(wù)于上 / 下 5～8個樓層。每組井道對應(yīng)一臺或兩臺并聯(lián)機組，單 臺空調(diào)機組風(fēng)量從56000～90000/h不等。經(jīng) 統(tǒng)計，塔 樓辦公變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備的機房井道面積約3510m（2占據(jù)設(shè)備層約 2200m2， 占 據(jù)屋頂平面約 310m2， 標(biāo) 準(zhǔn)層井道總面積約1000m2） ，占 塔樓總建筑面積約3.0%。

標(biāo)準(zhǔn)層采用吊頂靜壓箱回風(fēng)，南 北管井出來的送風(fēng)管道連成環(huán)狀，內(nèi) 外區(qū)均采用帶熱水再熱盤管的串聯(lián)式風(fēng)機動力末端 （Fan Powered Terminal Unit,FPTU），如 圖3所示。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)層風(fēng)系統(tǒng)平面示意圖

2 風(fēng)機單位風(fēng)量耗功率Ws 的討論

風(fēng)機單位風(fēng)量耗功率風(fēng)機單位風(fēng)量耗功率Ws按式 （1） 計算 [3-4] ：

式中：Ws為單位風(fēng)量耗功率， W/(m3/h)；P為風(fēng)機全壓值， Pa；ηt為包含風(fēng)機，電機及傳動效率在內(nèi)的總效率， %。

大型多層集中式系統(tǒng)由于服務(wù)樓層多， 井道風(fēng)速大， 因此Ws比常規(guī)系統(tǒng)大， 須滿足國家及地方節(jié)能規(guī)范 [3-4] 的要求， 本項目系統(tǒng)屬于辦公建筑中冷熱盤管分用、 帶粗中效過濾 （G4+F7） 的變風(fēng)量系統(tǒng)， 根據(jù)規(guī)范[3-4]其限值為0.69。 選擇塔樓系統(tǒng)靜壓最大的空調(diào)箱 （設(shè)計風(fēng)量80000m3/h） 阻力進行分析， 如表4所示。

表4 塔樓典型空調(diào)系統(tǒng)全壓計算

可選用常規(guī)離心風(fēng)機（風(fēng)量 80000m3/h，全壓1420 Pa），經(jīng)選型，風(fēng)機全壓效率為 0.79，電機效率0.95， 傳動效率0.92。 計算Ws值為0.57， 低于規(guī)范限值0.69。

可選用無蝸殼風(fēng)機墻 （風(fēng)量 10000× 8m3/h， 全壓1420 Pa），經(jīng)選型，風(fēng)機全壓效率為 0.64，電機效率0.95， 傳動效率1.0 （直驅(qū)）。計算Ws值為 0.65， 低于規(guī)范限值0.69。

從規(guī)范限定Ws值要求來看，常規(guī)離心風(fēng)機和無蝸殼風(fēng)機墻選型均能滿足。由于無蝸殼風(fēng)機相比常規(guī)有蝸殼離心風(fēng)機， 運行噪聲更低（特別是 63 Hz，125 Hz和250 Hz的低頻噪聲），聲學(xué)顧問建議采用無蝸殼離心風(fēng)機墻。

3 全新風(fēng)運行的討論

一般來說，塔樓空調(diào)系統(tǒng)由于土建條件的限制，很難布置出很大的新風(fēng)井道， 實現(xiàn)可變新風(fēng)比的難度較高。本項目塔樓由于采用集中式變風(fēng)量系統(tǒng)， 在過渡季節(jié)和冬季能夠?qū)崿F(xiàn)最大 100%全新風(fēng)運行，有效改善空調(diào)區(qū)內(nèi)的空氣品質(zhì)， 同時充分利用室外低溫低焓的空氣進行免費冷卻。根據(jù)李魁山等[5]關(guān)于新風(fēng)冷卻時間的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，上海地區(qū)辦公建筑在 8:00-18:00營業(yè)時段內(nèi)全年新風(fēng)冷卻 （室外溫度 0～21 ℃） 可用小時數(shù)為1540 h， 占總營業(yè)時間的 42%。全新風(fēng)運行為空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能運行提供很大的便利。

超高層辦公空調(diào)房間無可開啟外窗或外門， 且外幕墻氣密性較好， 相對封閉， 因此系統(tǒng)新風(fēng)量的變化無法利用壓差通過門縫或窗縫壓出。本項目每臺空調(diào)箱對應(yīng)設(shè)置一臺排風(fēng)風(fēng)機， 自控系統(tǒng)根據(jù)回風(fēng)立管靜壓設(shè)置值， 啟停風(fēng)機或變頻控制排風(fēng)風(fēng)機轉(zhuǎn)速。

不同工況下的運行控制策略如表5所示。

表5 變風(fēng)量系統(tǒng)運行策略

所有工況下，系統(tǒng)送風(fēng)量根據(jù)送風(fēng)主管 2/3處的測壓數(shù)據(jù)調(diào)整空調(diào)箱風(fēng)機轉(zhuǎn)速控制， 外區(qū)加熱盤管根據(jù)相應(yīng)區(qū)域溫度調(diào)節(jié)開度。標(biāo)準(zhǔn)層回風(fēng)風(fēng)閥根據(jù)本層空間靜壓監(jiān)測值與設(shè)定值的偏差調(diào)節(jié)開度。自控系統(tǒng)關(guān)閉非使用空間對應(yīng)的一次風(fēng)風(fēng)閥或該樓層的送回風(fēng)主干管風(fēng)閥。

4 結(jié)論

通過上述討論， 大型多層集中式變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)用于該超高層辦公， 在機房維護、 故障備用性方面有其本身優(yōu)勢， 同時通過仔細(xì)設(shè)計， 利用低溫送風(fēng)的優(yōu)勢， 降低空調(diào)送風(fēng)量， 控制系統(tǒng)阻力損失， 保證系統(tǒng)單位風(fēng)量耗功率能滿足國家和地方的節(jié)能要求。系統(tǒng)最大引入100%新風(fēng)運行，有效改善空調(diào)區(qū)內(nèi)的空氣品質(zhì)， 降低制冷機組開啟時間， 成為系統(tǒng)節(jié)能運行的有效手段。因此，多層集中合設(shè)變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)結(jié)合低溫送風(fēng)作為是超高層建筑暖通系統(tǒng)的一個方案選擇。

參考文獻

[1] 葉大法,楊國榮.變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2007

[2] 范存養(yǎng),楊國榮,葉大法.高層建筑空調(diào)設(shè)計及工程實錄[M].北京: 中國建筑工業(yè)出版社,2014

[3] 中華人民共和國建設(shè)部.GB 50189-2005公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)[S]. 北京: 中國建筑工業(yè)出版社,2005

[4] 上海現(xiàn)代建筑設(shè)計(集團)有限公司, 同濟大學(xué).DGJ-107-2012上海市工程建設(shè)規(guī)范-公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)[S]. 上海: 上海市城鄉(xiāng)建設(shè)和交通委員會,2012

[5] 李魁山,馬曉瓊,王小芝.不同類型建筑新風(fēng)免費冷卻時間的研究[J].暖通空調(diào),2012,42(3):70-75