某超高層項目空調水系統節能設計

曾 菲 仇 宇 寧太剛

(浙江大學建筑設計研究院有限公司，浙江 杭州 310028)

1 概述

杭州市某超高層建筑主要包括主塔樓、副塔樓兩棟超高層塔樓及多層配套裙房，主塔樓高度299 m，副塔樓高度280 m，地下4層。冷熱源為離心機組和鍋爐，離心機組和鍋爐均設置在地下冷凍機房內，與副塔樓最高層相對高差350 m，冷卻塔位于裙房4層屋頂，且冷卻塔采用開式冷卻塔。考慮到空調末端、機組承壓，開式冷卻塔防止倒灌的問題，本塔樓水系統需在不同標高設置不同的板換進行熱(冷)量交換，將熱(冷)量輸送到末端。本文就以副塔樓空調水系統為例，在末端設備不變的情況下，以制冷(制熱)效率最優為條件分析換熱板換的位置及供回水溫度。

2 空調系統設計

2.1 空調水系統設計

副塔樓空調系統根據目前避難層及功能需求不同，將空調水系統分段設計：裙房系統(1層～3層)，辦公低層系統(4層～10層)，辦公中低層系統(12層～21層)，公寓中層系統(24層～33層)，公寓中高層系統(35層～44層)，公寓次高層系統(46層～55層)，辦公高層系統(57層～64層)，泳池65層系統。辦公(3層～21層)末端采用半集中式空氣系統，風機盤管加新風系統，新風機組設置在22層～23層避難層，通過土建管道內襯新風管把新風送到每個樓層，末端采用風機盤管，可根據后期辦公區域裝修劃分系統。

住宅公寓(24層～55層)及高層辦公(57層～64層)采用水冷變冷媒流量多聯式中央空調(VRF)系統。因公寓定位為高端公寓，業主來自全球各地，故對房間溫度需求不一致，存在不同房間之間制冷制熱同時進行的情況，故采用一套公寓設置一臺水冷變冷媒流量多聯式中央空調(VRF)系統，并將大概9層或10層上下相連的公寓室外機接到同一水循環回路中。此系統室內機側可同時制冷制熱，在大部分制冷、少數制熱時，可將制冷運轉過程中產生熱量通過制冷劑回收用于制熱；在大部分制熱、小部分制冷時，可將制熱過程中產生的冷量通過回收用于制冷。水側這邊室外機同時向水載體放熱或吸熱，故此系統即可進行冷媒側熱回收還可進行水側熱回收，實現雙重熱回收，更有利于節能。因冷媒管長度配置高差及長度要求[1]，主機與室內機最大高低差不大于40 m，故VRF室外機設置在22層(92 m)，34層(139 m)，45層(182 m)，56層(225 m)各個避難層，65層泳池為其他功能，單獨設置風冷熱泵機組。

住宅公寓新風熱交換機組分別設置在避難層34層(139 m)及56層(225 m)，通過土建管井內襯風管將新鮮空氣送到各個樓層，排風從公共區域收集，后期根據精裝修戶型送到各個房間，保證人員新風量要求。

根據空調末端設備不同，辦公水系統與公寓水系統干管分開獨立設置。辦公(3層～21層)水系統根據建筑設計負荷計算，夏季冷水機組供回水溫度7 ℃/12 ℃，冬季鍋爐供回水溫度60 ℃/50 ℃。因辦公水系統獨立控制，末端形式風盤確定，且供回水溫度為國標規范[2]設置，相對恒定，在此情況下風盤的換熱效率最大。

公寓及高層辦公(24層～64層)(后簡稱公寓水系統)采用同一供回水干管系統，夏季利用開式冷卻塔給水冷變冷媒流量多聯式中央空調(VRF)系統室外機供冷水，冬季利用鍋爐給水冷(VRF)系統室外機供熱水，同時為了滿足高端客戶的需求，公寓設置地暖水系統。綜上所述，公寓共采用兩套水系統，一套供回水服務于(VRF)系統室外機,一套供回水服務于地暖系統。公寓冬季地暖供熱系統本身承壓不超過0.8 MPa且地暖供回水溫度宜設置在35 ℃～45 ℃之間[3]，故在避難層設置熱交換機組，將熱源60 ℃/50 ℃高溫水熱交換50 ℃/40 ℃低溫水，供給各層地暖末端分集水器。每個熱交換機組負責兩個避難層之間公寓系統的冬季熱負荷，每個熱交換機組二次側水系統為獨立水系統，此水系統最高與最低地暖分集水器高差在60 m左右，滿足地暖承壓要求及溫度要求。因地暖水系統獨立控制，末端形式確定，故此水系統溫度設定改變對于整個水系統的運行能耗無太大影響。本文著重分析水冷VRF系統因換熱板換位置高度不同，造成經過VRF室外機的水溫流量不同，對系統制冷(制熱)效率的影響。

2.2 水冷VRF水系統溫度的設計

根據市場上某個廠家水冷變冷媒流量多聯式中央空調(VRF)系統室外機實驗室數據[4]分析，在水流量一定(循環水流量6 m3/h)，夏季制冷室內溫度24 ℃，冬季制熱室內溫度18 ℃情況下，水冷VRF系統室外機的夏季制冷COP及冬季制熱EER與溫度之間的關系如圖1,圖2所示。

由圖1，圖2可知，VRF系統室外機適合水溫在10 ℃～45 ℃之間。水冷VRF系統室外機制冷效率(COP)隨進水溫度的升高而降低，制熱效率(EER)隨進水溫度的升高而升高，此流量下水溫在10 ℃～50 ℃之間運行效率較高，低于或高于此溫度范圍效率急劇下降。水冷VRF系統室外機制冷效率(COP)在進水水溫7 ℃～45 ℃之間時，值在7.1～4.1之間浮動，高于45 ℃時急劇下降；水冷VRF系統室外機制熱效率EER在水溫10 ℃～45 ℃之間時，值在5.1～9.1之間浮動，低于10 ℃時急劇下降。

夏季此系統有冷凍機組和冷卻塔兩個冷源，考慮到冷凍機組本身也需要消耗其他冷源且換算成一次能源的利用率，為了更好的節能，夏季冷源選擇開式冷卻塔通過換熱板換直接將冷量供給水源變頻多聯式VRF系統室外機。冷卻塔的出水溫度和當地最高濕球溫度有關，此項目位于杭州市，極端情況下，冷卻塔夏季出水溫度32 ℃，一般考慮5 ℃溫差，則開式冷卻塔供回水溫度設定在32 ℃/37 ℃。冷卻塔設置于裙房4層屋頂，VRF室外機位置遠遠高于4層屋頂，此冷卻水需經過一次板換后再與水冷VRF室外機進行熱量交換。一是為了防止冷卻水系統倒灌，二是開式冷卻塔中冷卻水雜質較多，直接進入水冷VRF室外機換熱水管，后期容易堵塞，增加檢修難度。根據換熱器特性[5]，若采用最小換熱溫差1.5 ℃，經過一次板換后冷卻水供回水溫度為33.5 ℃/38.5 ℃，二次板換后水系統供回水溫度升為35 ℃/40 ℃。換熱器承壓不大于2.0 MPa,根據建筑避難層房間條件限制，故在22層(92 m)設置二次板換。一次板換后冷卻水(33.5 ℃/38.5 ℃)可直接供給22層(92 m)，34層(139 m)VRF系統室外機，二次板換后冷卻水(35 ℃/40 ℃)可供給45層(182 m)，56層(225 m)VRF系統室外機，由圖1可知，在標準情況下，制冷時，進水溫度33.5 ℃下，水冷VRF系統室外機COP為4.36，進水溫度35 ℃下，水冷VRF系統COP為4.18。

冬季熱源鍋爐供回水溫度60 ℃/50 ℃，經一次板換換熱后熱水管道與夏季冷卻水管道共用，且此項目冬季負荷遠遠小于夏季負荷，冬季水流量也遠遠小于夏季水流量，故換熱后供回水溫度設計為45 ℃/40 ℃，二次換熱板換與夏季系統22層(92 m)的換熱板換共用，二次換熱后供回水溫度40 ℃/35 ℃。由圖2可知，在標準情況下，制熱時，進水溫度40 ℃下，水冷VRF系統COP為8.33，進水溫度45 ℃下，水冷VRF系統COP為8.57。

2.3 水系統冷熱源設備的設計

此項目位于杭州，公寓水系統夏季計算冷負荷Ql，冬季計算冷負荷Qr，夏季根據式(1)計算板換換熱量，式(2)計算夏季水流量，式(3)計算冬季板換換熱量，式(4)計算冬季水流量。

Qhl=Ql(1+1/COPl)

(1)

Ll=Qhl/(thl-tgl)

(2)

Qhr=Qr(1-1/COPr)

(3)

Lr=Qhr/(tgr-thr)

(4)

夏季冷負荷高于冬季熱負荷，板換換熱量根據夏季負荷通過式(1)計算的結果選擇容量和流量，冷卻塔的換熱量為Qhl。

鍋爐同時為地暖和水冷變冷媒流量多聯式中央空調(VRF)系統提供熱量，則此鍋爐供熱量為Qr。此系統運行時，負荷端供熱量遠遠小于鍋爐供熱量，故熱水側單獨設置熱水泵，且設置變頻裝置，根據末端可調節水流量。

水冷變冷媒流量多聯式中央空調(VRF)系統單個室外機側水板換為定流量系統，在夏季制冷或冬季制熱開啟時，通過室外機側板換水流量恒定，故此單個室外機末端水管上僅設置關斷閥。當末端VRF室內機負荷變化時,先通過制冷劑流量的改變來調節，再通過對進出水溫度的改變來實現末端能量的變化。當室內不供冷供熱時，連鎖關閉水流量閥，完全關掉室外機側供水管，防止室外機側水空流。

為了滿足水系統變流量節能需求，本塔樓9層或10層室外機為同一回路供回水系統。此回路水系統制冷時，當總回水溫度上升超過額定溫度時，通過調節此回路供水總管上電動調節閥降低水流量，實現水冷(VRF)系統水側水系統變流量運行。

3 結語

1)考慮超高層建筑功能后期無序劃分且單獨計量的使用要求，辦公采用風機盤管加新風系統，公寓采用水冷變冷媒流量多聯式中央空調(VRF)系統附加地暖系統。

2)水冷變冷媒流量多聯式中央空調(VRF)系統可實現雙層熱回收，節能效果顯著。

3)在設備承壓限制，分析供水方式和供水溫度的不同對系統效率的影響。

4)分析此系統設計中采用的節能措施，為后續此類建筑類型水系統設計提供引導方向。