北方超高層甲級辦公樓VAV變風量空調系統設計與應用

文｜同濟大學建筑設計研究院（集團）有限公司 周水鋒

前言

隨著我國經濟快速增長，全國各大城市超高層辦公樓如雨后春筍般拔地而起，如何打造一個既健康舒適，又經濟節能的辦公環境是擺在設計師面前的一個重要課題。眾所周知，空調系統的好壞直接決定了辦公環境的舒適與否，也影響了整個建筑物的能耗大小。因此，大力發展節能性空調系統已經成為現代化智能辦公樓宇的重要內容。由于VAV變風量空調系統具有高舒適性以及低能耗等優點，逐漸得到了建筑行業的廣泛推廣，尤其在高層智能辦公樓中得到了普遍應用。

我國地域廣闊，南北氣候差異大，城市經濟發達程度不同等因素，決定了VAV變風量系統在實際工程的設計與應用中，不能千篇一律，照搬照抄；必須充分考慮項目的實際情況，分析比較各VAV系統組合的優缺點，結合實際情況，兼顧舒適性、節能性、經濟性等因素，選擇最優方案。本文通過對VAV變風量空調系統分類組合進行了分析比較，結合青島某超高層甲級辦公樓工程實例，闡述了適合北方超高層辦公樓VAV變風量系統的優化方案和主要控制策略。

一、VAV變風量空調系統簡介

VAV 變風量空調系統，相對于傳統的風機盤管+獨立新風系統以及傳統的定風量空調系統而言，是一種更為先進的空調方式。其工作原理是通過改變各個房間的空調送風量，來消除室內冷、熱負荷，從而在滿足室內人員對房間不同溫濕度的要求下，實現室內溫度在某個設定溫度值并保持恒定。夏季時，當房間溫度高于設定溫度時，變風量末端裝置加大風閥開度增大送風量，反之減小送風量；冬季時，當房間溫度高于設定溫度時，變風量末端裝置減小風閥開度減少送風量，反之增加送風量。VAV變風量系統其最大的特點是可實現區域空氣溫度獨立控制，部分負荷時風機可變頻調速節能運行。據國外多年工程案例實測，VAV變風量系統相比傳統空調系統節能30～40%。此系統已被歐美等發達國家廣泛應用于高端樓宇中，特別是超高層甲級辦公樓項目中，此系統基本屬于標配系統。

二、VAV變風量空調系統的分類

1、無動力單冷型

無動力單冷型系統，是指系統末端裝置全部由不帶任何加熱功能的單風道變風量末端裝置構成。室內回風和室外新風混合后經空調機組集中制冷處理后，通過送風管道分別送至各個單風道變風量末端裝置，末端裝置根據室內房間溫度變化自動調節風閥開度大小實現變風量送風，以適應房間空調負荷的變化。此系統只適用于南方需全年制冷地區。

2、無動力單冷再熱型

無動力單冷再熱型系統，是指系統末端根據房間內外分區設置，內區設置不帶加熱功能的單風道變風量末端裝置，外區設置帶加熱功能的單風道變風量末端裝置，其中帶加熱功能常用熱水加熱盤管、蒸汽加熱盤管或電加熱盤管。室內回風和室外新風混合后經空調機組集中制冷處理后，通過送風管道分別送至房間內外區各單風道變風量末端裝置，冬季外區末端裝置需開啟加熱功能，集中處理后的冷空氣通過加熱裝置“再熱”后送出。此系統適合于夏熱冬冷地區。

3、冷熱型

對于冷熱型系統而言，其末端裝置與無動力單冷型系統一樣，均采用不帶加熱功能的單風道變風量末端裝置，其末端裝置根據房間溫度變化自動調節送風的原理也與單冷型系統一樣。不同的是兩者的末端控制方式，單冷型末端控制方式只有制冷一種工況，冷熱型系統末端控制方式有供冷和供熱兩種工況。系統根據房間負荷的需要，系統集中送冷風或者集中送熱風。此系統適用于夏熱冬冷地區，且不分內外分區的小型辦公場所。

4、串聯式風機動力型

串聯式風機動力型變風量系統的外區設置帶加熱功能的串聯式風機動力型末端裝置，內區設置不帶加熱功能的串聯式風機動力型末端裝置。此系統是無動力單冷熱再熱型系統的升級，因其末端設置動力風機，利用風機抽取房間內的二次回風再熱，減少了一次冷風的再熱耗能。

5、并聯式風機動力型

并聯式風機動力型變風量系統的外區設置帶加熱功能的并聯式風機動力型末端裝置，內區可以采用無動力的單風道末端裝置，也可以采用不帶加熱功能的并聯式風機動力型末端裝置。此系統也是無動力單冷熱再熱型系統的升級，因其末端設置動力風機，利用風機抽取房間內的二次回風再熱，減少了一次冷風的再熱耗能。此系統與串聯式風機動力型系統的區別在于末端裝置的風機連接方式不同。我國目前南方需要夏季供熱冬季供冷且內外分區的高端寫字樓變風量空調系統中運用最多的是外區帶加熱功能的并聯式風機動力型末端裝置，內區無動力的單風道變風量末端裝置。

6、單風道型組合式變風量空調系統

組合一：四周設置風機盤管機組加單冷型單風道變風量系統。此系統房間外區靠窗設置落地式風機盤管（帶制冷、制熱功能），承擔外圍護結構的冷、熱負荷。房間吊頂內設置單冷型單風道變風量末端裝置，且內外分區設置，承擔內區除圍護結構外的全年冷負荷及新風負荷。

組合二：四周散熱器加單冷型單風道變風量系統。此系統房間外區靠窗設置落地式散熱器（僅冬季供熱），承擔冬季外圍護結構的熱負荷。房間吊頂內設置單冷型單風道變風量末端裝置，且內外分區設置，承擔內外區全年冷負荷及新風負荷。此系統四周散熱器亦可以用熱輻射板、地板嵌入式對流器等設備代替。

三、VAV變風量系統優缺點對比分析

四、VAV變風量系統在北方某實際工程中的設計與應用

1、工程概況

本項目為青島市某超高層甲級寫字樓（雙子樓），總建筑面積約168000平方米，其中地上部分總建筑的面積約108000平方米，地下總建筑面積約60000平方米。地上35層，地下2層（局部地下3層）；塔樓一建筑高度150米，塔樓二建筑消防高度85米。

2、空調冷熱源系統

方案設計之初，業主對本項目提出了定位，本工程部分樓面作為業主方自己集團本部辦公使用，其余部位主要出租給金融、IT等高端企業辦公，要求項目建成時為片區的辦公樓標桿，要求面向未來，保證10年后亦不落伍。結合這一定位，設計院就空調冷熱源、末端空調系統等，向業主進行了多輪專題匯報與討論。最終確定空調冷熱源采用電動壓縮式冷水機組+燃氣熱水鍋爐。

夏季空調冷源選用3臺離心式冷水機組，單臺制冷量為4800KW（1400RT），供回水溫度為6/12℃;冷水機組集中設置在地下室冷凍機房內，冷卻塔設置在室外綠化處。主樓冷凍水系統以100米為界高低分區，低區冷凍水一次直供，低區設備承壓1.6MPa；高區冷凍水經水-水板式換熱器后二次供水，二次側供回水溫度為7/13℃，高區板換機組及干管、閥門等設備承壓2.0MPa，末端設備承壓1.0MPa。

冬季空調熱源采用燃氣熱水真空鍋爐，選用3臺熱水真空鍋爐，單臺制熱量約4200KW,鍋爐一次熱水供回水溫度為80/60℃，主樓空調熱水系統以100米為界高低分區，低區空調一次熱水經水-水板式換熱器后供低區二次空調熱水系統，低區設備承壓1.6MPa；高區一次熱水經水-水板式換熱器后二次供水，二次側空調供回水溫度均為60/50℃，高區板換機組及干管、閥門等設備承壓2.0MPa，末端設備承壓1.0MPa。

考慮到后期運營的節能性、經濟性，本項目設置一套冷卻水板式換熱器，并聯冷凍水系統，利用開式冷卻水系統，實現過渡季免費制冷。

金融類、IT類企業擁有小型數據機房，需24小時冷源降溫。為滿足租戶需求，設置獨立的租戶冷卻水系統供租戶自帶壓縮機的空調機組使用，每層預留1組租戶冷卻水接口。租戶冷卻水冷源采用閉式冷卻塔，低區冷卻塔設置在一層室外綠化處，選用2臺處理水量為125m3/h的閉式冷卻塔；高區冷卻塔設置在主樓屋面，選用2臺處理水量為50m-/h的閉式冷卻塔。

3、末端VAV變風量系統

在明確了業主對本項目的定位后，如何選用一套合理的空調末端系統，顯得尤為重要。鑒于國內外大中城市高端甲級寫字樓空調系統實際工程經驗，設計院和甲方對本工程空調末端系統采用VAV變風量系統，持一致意見。但就VAV變風量系統如何結合本項目實際情況，進行方案優化，設計院和業主進行了深入的溝通和交流。最終確定空調末端方案為：單風道VAV變風量末端+外圈地板嵌入式對流器（只制熱不制冷）。下面兩張附圖為此空調方案的冬夏季房間氣流組織示意圖。

此方案最大的優點：①因末端采用了無動力的單風道VAVBOX，在保證房間舒適性的同時，夏季房間內無風機噪音，靜音效果好。②冬季外區利用地板對流器加熱玻璃幕墻，熱空氣從下往上，加速空氣對流循環，氣流組織好，舒適性高。③相比較常規的外區風機動力型雙風道系統可以減小“再熱”影響，節能性更好。④非工作時間或夜間值班采暖時，只需要開啟地板對流器系統進行采暖，整個空調采暖系統可以關閉。⑤過渡季節或初冬時，可以利用溫度較低的室外新風直接送風供冷，不需要開啟制冷設備。

4、末端系統控制

（1）房間室內溫度控制

房間內墻上設置溫度控制器。溫度控制器通過與其自身連接的溫度傳感器，感知房間溫度，與房間設定溫度值進行比較，發出信號至末端控制器進行判斷和處理，末端控制器發送指令分別控制內外區VAVBOX的風閥開度，從而控制房間的送風量，以實現房間室內溫度控制。當冬季房間外區需要供冷，內區需要供熱時，空調機組采用制冷模式運行。外區的VAVBOX以恒定的最小送風量運行，并保證最小新風量要求。外區的嵌入式地板對流器通過溫控器對供熱水管上的電動調節閥進行調節，以控制對流器的出風溫度，對流器承擔外區圍護結構熱負荷及外區最小新風“再熱”負荷。當內外區VAVBOX均以最小送風量運行時，房間溫度仍過冷或者過熱。空調系統將通過空調機組冷熱盤管上的空調水管閥門開度來實現機組出風溫度的條件，以實現房間室內溫度控制。

(2)空調機組的送風量及送風溫度的控制

空調機組送風量控制采用定靜壓控制方式，在送風主管上某一點處裝設靜壓傳感器。當室內VAVBOX因負荷變化自動調節風閥開度導致整個空調系統管網出現壓力波動。送風主管上的靜壓傳感器感知壓力變化，并輸出信號，將信號傳送至自控系統的DDC，自控系統DDC通過判斷管網壓力變化情況，來對空調機組風機的變頻器進行調節，通過改變風機的電機轉速實現送風量調節，保證管網壓力恒定。同時系統也可以通過改變空調機組冷熱表盤回水管的電動調節閥的開度來調節機組送風溫度。

（3）系統新風量的控制

超高層往往因建筑立面及新風豎井等土建條件制約，無法實現全新風送風，本工程新風量最大取送風量30%。當夏季供冷室外空氣的焓值是比夏季室內設計狀態點的焓值要高時，系統按最小新風量運行。如果室外空氣的焓值比室內設計狀態點的焓值要低時，就要加大新風量運行。當取最大新風量運行時，送風溫度還是大于設定溫度，就要運行冷凍水系統進行供冷。在冬季，優先利用室外新風來帶走室內冷負荷，當最小的新風量運行時，送風溫度還是小于設定溫度，就要運行熱水系統進行供熱。

五、結論

VAV變風量系統是目前比較先進的空調系統，主要體現在它相對于定風量系統更舒適和更節能。但其也有系統相對復雜，技術含量較高，后期調試困難等因素，要求設計師和業主在前期就必須確定一個合理的系統方案。本文對VAV變風量系統各種常見的方案組合進行了歸類總結，并結合實際工程案例，闡述了VAV變風量系統在北方項目中的實際應用。