辦公建筑空調水系統形式分析

董文霄

奧雅納工程咨詢（上海）有限公司

0 概述

兩管制空調水系統與四管制空調水系統均為辦公建筑常用系統形式。四管制空調水系統設置冷水回路和熱水回路，兩管制空調水系統則是冷、熱水合用回路。

兩種水系統的區別主要體現在冬季用途。四管制空調水系統可在冬季為存在空調冷負荷的室內區域供冷（包括為內區供冷及為冬季出現冷負荷的外區供冷，具體詳見文獻[1]）。兩管制空調水系統在冬季僅能供熱。其余季節兩者區別不大。四管制空調水系統能夠獲得更好熱舒適性的主要原因也在于此。

四管制空調水系統與兩管制空調水系統相比，增加了水管道、空調箱及末端設備熱水盤管，從而增加了空調系統的初投資。

此外，空調系統運行過程中，如果室內末端采用變風量空調系統和常用的內外區合用空調箱方案，則送入室內的一次風為經過冷卻處理的冷風，冬季需要供暖的外區末端設備要利用再熱盤管對冷風進行加熱，因此產生一部分再熱能耗。再者，兩管制空調水系統不需考慮冬季制冷，而四管制空調水系統需在冬季提供冷凍水至室內，從初投資和運行費用，四管制空調水系統投入更大。

就具體項目而言，選取空調水系統即是對室內熱舒適性、系統造價和運行費用之間的取舍。

本文以南京市一幢超高層辦公建筑為例，主要分析以下幾方面內容：

（1）冬季外區空調冷負荷大小及分布時間

（2）空調系統初投資增加情況

（3）空調系統運行能耗增加情況

1 項目概況

本項目為南京市一幢超高層辦公建筑，高190m，共40層。裙房1-4層為辦公大堂、商業、多功能廳等，其余各層均為辦公標準層，標準層面積約2 000m2。辦公層外圍護結構為全玻璃幕墻。

標準層夏季空調冷負荷為210kW，熱負荷為118kW。

項目采用區域能源站作為空調冷熱源，供冷及供熱單價均為0.65元/kWh。

辦公標準層采用變風量空調系統、內外區合用空調箱的方案，每層設置兩臺空調箱。

標準層室內進深為10～11m，選取距離外墻4m的范圍為空調外區，并按朝向將外區進一步分為四個獨立區域。電梯廳及衛生間均采用風機盤管設備，見圖1。

圖1 標準層空調區域分區圖

2 冬季空調負荷分析

2.1 室內外參數

2.1.1 室外氣象參數（見表1）

表1 室外氣象參數（南京市）

2.1.2 室內設計參數（見表2）

表2 辦公區域室內設計參數

2.2 分析方法

本文采用IESVE 2018分析辦公標準層空調負荷，玻璃幕墻傳熱系數為1.8W/m2·K，SHGC值為0.30。

辦公內區全年空調負荷穩定，且均為冷負荷。本文只計算各個不同朝向辦公外區的空調負荷，且僅當太陽輻射得熱量大于外圍護結構散熱量時室內照明及設備得熱造成的空調冷負荷。

2.3 冬季外區空調負荷分析

圖2反映了各個朝向的外區空調負荷全年分布情況。

圖2 外區空調負荷全年分布圖

從圖2可發現，即使在冬季，外區仍存在一定量的空調冷負荷，空調冷負荷分布情況是決定冬季是否需要供冷的重要指標。

11月到次年3月為傳統意義上的供熱季，圖3反映了這五個月各個朝向的外區空調冷負荷存在的時間比例。

圖3 冬季各朝向房間供冷時間比例

通過圖3可發現，11月及3月供冷負荷與供熱負荷交錯出現，即使在深冬時節（12月～次年2月），東南及西南朝向的外區仍存在冷負荷，冷負荷出現的時間比例為5%～15%。

同時，冬季外區表現出各朝向不同時發生空調冷負荷的特點。以12月25日為例，見圖4。

從圖4可發現，各個朝向的外區不同時發生空調冷負荷。同一時刻，只有一個朝向的外區有供冷需求，其他外區僅有供熱需求。可以想象一下，如果此時空調箱供熱，即使外區的VAV（變風量）末端設備送風量已調整為滿足新風量要求的最小風量，仍將有大量的熱空氣送入室內，增加需要供冷外區的空調冷負荷，造成室內溫度升高。

因此，從冬季空調負荷分布情況看，外區需要同時具備供冷及供熱的功能方能滿足室內負荷需求，即需采用四管制空調水系統以滿足冬季室內熱舒適需求。

圖4 12月25日外區各朝向負荷情況

3 系統造價及運行費用增加情況

3.1 系統造價

與兩管制空調水系統相比，四管制增加以下造價：

（1）水系統管路造價：增加空調熱水立管及每層熱水環管。

（2）末端造價：兩管制空調水系統外區末端可采用單風道設備，四管制空調水系統采用帶再熱盤管的風機動力型末端，同樣風量下，風機動力型末端價格約為單風道型末端價格的兩倍。

（3）空調箱造價：空調箱需加裝熱水盤管。

兩種水系統造價及運行費用見表3。

表3 兩種水系統造價及運行費用

3.2 運行費用分析

3.2.1 能耗分析

兩管制空調水系統冬季時僅需提供滿足室內熱負荷的熱量即可。但四管制空調水系統在外區末端設置再熱盤管，冬季時，冷熱源系統首先將室內空氣冷卻至一次風送風溫度，當外區某朝向需要熱負荷時，該朝向的再熱盤管再將一次風加熱至室內設定的送風溫度。這一過程增加了以下兩個方面的能量投入：

（1）將室內空氣冷卻至一次風送風溫度所消耗的冷量。

（2）將一次風加熱到室內設定的溫度時所消耗的再熱量。

3.2.2 能耗簡化計算

為方便兩種水系統能耗分析，計算過程簡化如下：

（1）冬、夏季內區空調冷負荷近似，僅室內人員散熱的微小差別，故取相同的空調箱送風溫差。

（2）當任一朝向外區出現空調熱負荷時，則此區域所有末端的一次風均設定為最小送風風量，同時啟動末端風機。當外區為空調冷負荷時，停運末端風機，由一次風負擔室內全部冷負荷。

（3）冬季外區最小送風量按滿足新風量要求設定。

（4）冬季空調新風由避難層新風熱回收機組統一處理至室內等焓點后送入空調箱。

（5）空調箱提供的冷量為“室內空調冷負荷+再熱量”。

3.2.3 結果分析

經計算，本項目冬季（11月～次年3月）辦公標準層累計空調熱負荷為56 898kWh，累計總再熱量為44 060kWh；外區累計空調冷負荷為13 816 kWh；內區累計空調冷負荷為91 080 kWh。與兩管制相比，整個冬季標準層采用四管制空調水系統所增加的運行費用約為9.7萬元，包括內區供冷和外區供冷，其中外區供冷增加的能量為57 876 kWh，費用約為3.8萬元。

4 結論

從上述分析和冬季空調冷負荷分布情況看，辦公建筑在冬季確存在供冷需求，與高層、超高層辦公建筑使用經驗相符。因此，從保證辦公建筑室內熱舒適性考慮，確需采用四管制空調水系統。因此，目前采用四管制空調水系統的辦公建筑日益增多。

但需注意，四管制空調水系統初投資和運行費用較高。對具體項目而言，需結合項目定位及當地空調系統發展趨勢等綜合考慮并確定最終系統形式。