上海某辦公樓 VAV 空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計

王費佳

漢諾國際工程咨詢（北京）有限公司上海分公司

上海屬亞熱帶季風(fēng)性氣候，溫和濕潤，春秋較短，冬夏較長。冬季辦公室常有以下體會，下午的時候，西邊靠窗坐的員工覺得很熱，需要開冷空調(diào)，而東邊靠窗坐的員工覺得很冷，需要開熱空調(diào)。產(chǎn)生此種現(xiàn)象的主要原因為太陽輻射。為確保空調(diào)設(shè)計可匹配人們實際的熱舒適需求，需要對辦公樓層進(jìn)行負(fù)荷分析，并根據(jù)負(fù)荷差異將整個空調(diào)區(qū)域合理地劃分為若干個分區(qū)，配置相應(yīng)的空調(diào)末端以有效應(yīng)對負(fù)荷變化。結(jié)合近年來VAV 變風(fēng)量系統(tǒng)以其優(yōu)秀的空氣品質(zhì)和舒適性備受高檔辦公樓青睞的現(xiàn)狀，本文以上海某總部辦公大樓設(shè)計方案為例，詳細(xì)介紹包括辦公樓負(fù)荷計算，空調(diào)分區(qū)及 VAV 空調(diào)末端選擇的系統(tǒng)設(shè)計過程，并做相關(guān)設(shè)計總結(jié)。

1 項目簡介

本項目為某集團(tuán)總部樓，共有 7 個單體建筑，其中 1#-5# 樓為辦公、6# 樓為研發(fā)設(shè)計室及宿舍、7# 樓為會所。本次報告主要對 1～5# 樓辦公的空調(diào)形式進(jìn)行詳細(xì)介紹。該五棟辦公樓建筑信息如下：1# 樓高 43.35 m，共十層，2# 樓高 23.95 m，共五層，3 # 樓高 19.80 m，共 4 層，4 # 樓高 36.60 m，共八層，5 # 樓高 23.95 m，共五層。

2 辦公標(biāo)準(zhǔn)層負(fù)荷計算及分析

2.1 負(fù)荷模擬分析方法

本項目通過能耗模擬軟件IES VE 對辦公樓進(jìn)行了整體建模分析，并對辦公標(biāo)準(zhǔn)層的全年逐時冷熱負(fù)荷進(jìn)行了模擬輸出，以分析其冬季外區(qū)負(fù)荷分布狀況。圖1 為建模圖形。

圖1 IES VE 建筑模型

IES VE 由英國 IES 公司開發(fā)，是英國以及歐洲大陸市場占有量最大的集成化建筑模擬分析軟件之一。其通過了ASHRAE 的“建筑能耗分析軟件評價測試標(biāo)準(zhǔn)”（即 ANSI/ASHRAE 140 標(biāo)準(zhǔn)），因此具有準(zhǔn)確性和權(quán)威性。

2.2 負(fù)荷模擬輸入?yún)?shù)

模擬軟件中按本項目實際設(shè)計參數(shù)輸入，具體參數(shù)如表1～2 與圖2：

表1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能表

表2 室內(nèi)設(shè)計參數(shù)表

圖2 時間表

公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中將距外圍護(hù)結(jié)構(gòu) 3～5 m 的范圍內(nèi)劃為外區(qū)，其所包圍的為內(nèi)區(qū)[1]，同時 ASHRAE 90.1-2013_TABLE G3.1[2]中建議內(nèi)區(qū)范圍為據(jù)外圍護(hù)結(jié)構(gòu) 5 m 外，外區(qū)為距離外圍護(hù)結(jié)構(gòu) 5 m 范圍內(nèi)。本項目依據(jù)以上規(guī)范結(jié)合對室外氣象參數(shù)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能及內(nèi)擾影響的考慮，在內(nèi)外分區(qū)建模時，以據(jù)外圍護(hù)結(jié)構(gòu)4 m（局部5 m）為內(nèi)外區(qū)界限。

2.3 負(fù)荷計算結(jié)果

根據(jù)負(fù)荷模擬計算結(jié)果，1# 樓為例，得到供暖季節(jié)不同朝向的冷熱負(fù)荷分布圖（計算時間為每年11 月到次年2 月），如圖3：

圖3 供暖季不同朝向冷熱負(fù)荷分布圖

由圖3 可知，外區(qū)不同的供熱/供冷需求在整個供暖季都是普遍存在的現(xiàn)象。為具體分析辦公外區(qū)從早到晚的負(fù)荷變化特性，選取了一個冬季典型日做詳細(xì)分析。為更直觀地查看室外天氣狀況對外區(qū)負(fù)荷受的影響，導(dǎo)出了冬季典型日室外天氣參數(shù)，如圖 4 所示，虛線為太陽輻射量，實線為室外干球溫度。

圖4 冬季典型日室外太陽輻射及干球溫度曲線

該天氣狀況下，計算出辦公外區(qū)各個朝向的冷熱負(fù)荷。以1#樓（圖5）為例分析，在早上7:30 時空調(diào)開始運(yùn)行時，四個朝向外區(qū)均為制熱需求。到9:30 時受太陽輻射的影響，在東/ 西/北區(qū)需要制熱時，南區(qū)出現(xiàn)制冷需求。隨著時間的推移南區(qū)制冷負(fù)荷先變大后變小。另外，西區(qū)受太陽輻射影響，在下午也出現(xiàn)了制冷需求。通過查看2～5#樓輸出的負(fù)荷結(jié)果，也可以得到類似結(jié)果。

圖5 1#樓外區(qū)典型日不同朝向冷熱負(fù)荷

鑒于以上不同朝向外區(qū)的負(fù)荷分布結(jié)果，若采用空調(diào)箱來系統(tǒng)的迎合外區(qū)負(fù)荷變化，按每層設(shè)置3 臺空調(diào)箱考慮，最優(yōu)化設(shè)置為東向及北向設(shè)置1 臺空調(diào)箱，南向單獨設(shè)置1 臺空調(diào)箱，西向單獨設(shè)置1 臺空調(diào)箱。該空調(diào)系統(tǒng)設(shè)置占用標(biāo)準(zhǔn)層機(jī)房面積較大，且會使各臺空調(diào)箱風(fēng)量不一致，并仍存在少量時段熱舒適較差。故認(rèn)為應(yīng)對外區(qū)同時有供冷/供熱需求狀況，最優(yōu)化的空調(diào)設(shè)計是用外區(qū)空調(diào)末端來契合負(fù)荷變化。

3 辦公標(biāo)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計

3.1 VAV 空調(diào)系統(tǒng)末端形式介紹

依據(jù)以上負(fù)荷特性，本項目辦公外區(qū)適用及常用的VAV 末端形式有單風(fēng)道再熱末端和并聯(lián)型風(fēng)機(jī)動力型末端。

外區(qū)配置單風(fēng)道再熱型末端的VAV 系統(tǒng)，系統(tǒng)全年供冷，通過末端調(diào)節(jié)匹配各區(qū)負(fù)荷需求。夏季時，內(nèi)、外區(qū)末端均送冷風(fēng)。過渡季和冬季時，內(nèi)區(qū)送冷風(fēng)，外區(qū)的熱負(fù)荷抵消了部分內(nèi)熱冷負(fù)荷，外區(qū)末端送冷風(fēng)量調(diào)小直至系統(tǒng)允許的最小風(fēng)量，當(dāng)室溫繼續(xù)降低時，末端裝置開啟加熱，提高送風(fēng)溫度，保證外區(qū)舒適性。該外區(qū)末端裝置構(gòu)造簡單、體積小、價格便宜，系統(tǒng)運(yùn)行時噪聲底，但存在冷、熱混合損失現(xiàn)象，小風(fēng)量運(yùn)行時室內(nèi)氣流組織較差。

外區(qū)配置并聯(lián)型風(fēng)機(jī)動力型末端的 VAV 系統(tǒng)，統(tǒng)全年供冷，通過末端調(diào)節(jié)匹配各區(qū)負(fù)荷需求。夏季時，內(nèi)、外區(qū)末端均送冷風(fēng)。過渡季和冬季時，內(nèi)區(qū)送冷風(fēng)，外區(qū)末端送冷風(fēng)量調(diào)小直至系統(tǒng)允許的最小風(fēng)量，在供冷小風(fēng)量時，為改善室內(nèi)氣流組織，末端配置的風(fēng)機(jī)運(yùn)行，抽取吊頂內(nèi)二次風(fēng)，與系統(tǒng)一次風(fēng)混合后送入外區(qū)。該外區(qū)末端能有效改善室內(nèi)氣流組織分布，但其仍存在冷、熱混合損失現(xiàn)象，且初投資高，內(nèi)置的風(fēng)機(jī)還增加了能耗及噪聲。

3.2 VAV 空調(diào)系統(tǒng)末端選型計算

辦公外區(qū)的 VAV 末端形式與冬季外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱負(fù)荷量有關(guān)，本項目以 1# 樓為例，得到其外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱負(fù)荷量如表3 所示：

表3 外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱負(fù)荷量表

末端加熱量估算如下[3]：

1#樓外區(qū)進(jìn)深 4 m，辦公送風(fēng)量約 30 m3/h/m2，則每米外區(qū)設(shè)計送風(fēng)量G0=1×4×30=120 m3/h。

每米外區(qū)加熱量：Q=1.01×ρ×G×ΔT，其中ρ為空氣密度，G為外區(qū)每米送風(fēng)量，ΔT為熱風(fēng)送風(fēng)溫差（按 8 ℃）。

單風(fēng)道末端供熱時，送風(fēng)量設(shè)置為最大風(fēng)量的 30%～50%[4]。

并聯(lián)式風(fēng)機(jī)動力型末端供熱時，一次風(fēng)最小風(fēng)量運(yùn)行（約為最大風(fēng)量的 30%），內(nèi)置風(fēng)機(jī)風(fēng)量一般為最 大風(fēng)量的60%，其總送風(fēng)量可達(dá)最大送風(fēng)量的90%。

單風(fēng)道末端加熱量=1.01×1.2×(30%～50%)×120/3600×8×1000=97～162 W/m

并聯(lián)式風(fēng)機(jī)動力型末端加熱量=1.01×1.2×(90%×96)/3600×8×1000=290 W/m

如上計算可知，辦公外區(qū)采用單風(fēng)道再熱末端，可滿足舒適性需求，但冬季需調(diào)整其最小送風(fēng)量需為最大風(fēng)量的 50%。將末端最小新風(fēng)比由 30%提高到 50%，會使這些末端裝置所服務(wù)區(qū)域過早地成為“過冷再熱”區(qū)域，再熱的冷熱混合損失將增加70%。

3.3 VAV 空調(diào)末端形式經(jīng)濟(jì)性比較

3.3.1 初投資估算

以 1# 樓標(biāo)準(zhǔn)層外區(qū)空調(diào)末端配置為例，并聯(lián)式風(fēng)機(jī)動力型末端+再熱盤管與單風(fēng)道+再熱盤管的初投資對比如表4。

表4 末端初投資對比表

由表 4 可知，并聯(lián)動力型再熱系統(tǒng)比單風(fēng)道再熱系統(tǒng)每個辦公標(biāo)準(zhǔn)層（面積約 1350 m2）多增加4.62 萬元初投資。

3.3.2 冷熱混合損失計算

圖6 為冬季設(shè)計工況下，內(nèi)區(qū)送風(fēng)空氣處理焓濕圖。辦公內(nèi)區(qū)常年供冷，室內(nèi)負(fù)荷來源主要為人員，燈光及設(shè)備，負(fù)荷較為穩(wěn)定。如圖所示，室外新風(fēng)由新風(fēng)機(jī)組預(yù)熱并通過高壓微霧等焓加濕度至干球溫度 7.7 ℃，相對濕度90%后送入空調(diào)箱與室內(nèi)回風(fēng)混合后降溫至送風(fēng)點（干球溫度為12.3 ℃）送出。本文以理論定性分析為主，以上空氣處理過程未考慮管道及風(fēng)機(jī)溫升。且實際冬季運(yùn)行會適當(dāng)提升內(nèi)區(qū)送風(fēng)溫度。

圖6 冬季內(nèi)區(qū)空氣處理過程圖

當(dāng)外區(qū)有再熱需求時，外區(qū)回風(fēng)需回到空調(diào)箱被制冷后再送至外區(qū)VAV BOX，故存在過冷量=1.01×外區(qū)送風(fēng)量×(混風(fēng)溫度-送風(fēng)溫度)。同時，冷風(fēng)到達(dá)外區(qū)后，再熱盤管需把該過冷的送風(fēng)進(jìn)行再熱，存在再熱熱量損耗（等于過冷量）。其中，由內(nèi)區(qū)空氣處理過程得混風(fēng)溫度為17.4 ℃，送風(fēng)溫度為12.3 ℃。

則辦公標(biāo)準(zhǔn)層冷熱混合損失估算如下：

過冷損失能耗量=1.01×1.2×30%×Gw×(Tc-Ts)×h×(1+70%)

再熱損失能耗=過冷損失能耗

其中Gw為標(biāo)準(zhǔn)層外區(qū)送風(fēng)量=外區(qū)面積×30 m3/h/m2=17364 m3/h=4.82 m3/s；Tc=17.4 ℃；Ts=12.3 ℃；依據(jù)逐時負(fù)荷計算，供暖季再熱時長h約為240 h；最小新風(fēng)比由 30%提高到 50%，冷熱混合損失將增加 70%。

由以上數(shù)據(jù)可得：供暖季過冷損失能耗量=再熱損失能耗=3647 kWh

3.3.3 冷熱混合損失能耗費用估算

過冷損失能耗費用=過冷損失能耗量÷ 制冷系統(tǒng)制冷性能系數(shù)×電價

本項目制冷采用離心式水冷機(jī)組，依據(jù)公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，夏熱冬冷地區(qū)電冷源綜合制冷性能系數(shù)不小于4.6。考慮冷水泵能耗，結(jié)合項目經(jīng)驗，制冷系統(tǒng)制冷性能系數(shù)約為4.2。上海單一制工商業(yè)及其他用電中10 kV 電價為1.08 元/kWh。

故，辦公標(biāo)準(zhǔn)層過冷損失能耗費用=3647÷ 4.2×1.08=938 元。

再熱損失能耗費用=再熱損失能耗量÷ 制熱系統(tǒng)效率÷ 天然氣燃燒熱值×燃?xì)鈨r格

本項目制熱采用燃?xì)鉄崴仩t，鍋爐效率大于 90%，考慮輸送能耗及損失，制熱系統(tǒng)效率約為 85%，天然氣燃燒熱值約為 8190 大卡/m3（9.5 kWh/m3）。上海燃?xì)獾膬r格為 3.82 元/m3（自2019 年5 月1 日起開始執(zhí)行）。

故，辦公標(biāo)準(zhǔn)層再熱損失能耗費用=3647÷ 85%÷ 9.5×3.82=1725 元。

綜上可得，辦公標(biāo)準(zhǔn)層冷熱混合損失能耗費用約為938+1725=2663 元。

已知本項目并聯(lián)式風(fēng)機(jī)動力型末端較單風(fēng)道末端每層多增加4.62 萬元初投資，并聯(lián)式風(fēng)機(jī)動力型末端每層每年可減少冷熱混合損失造成的運(yùn)行費用 2663 元，其靜態(tài)投資回收期約為 17 年，若考慮并聯(lián)式風(fēng)機(jī)動力型末端內(nèi)置風(fēng)機(jī)增加的能耗，其投資回報期可能更長。故從經(jīng)濟(jì)性角度，本項目外區(qū)優(yōu)先考慮采用單風(fēng)道再熱末端。

4 優(yōu)化設(shè)計方案

本項目經(jīng)舒適性及經(jīng)濟(jì)性比較，最終采用了內(nèi)區(qū)單風(fēng)道變風(fēng)量末端，外區(qū)單風(fēng)道變風(fēng)量末端裝置帶再熱盤管的系統(tǒng)形式。

由以上設(shè)計過程可知，本項目選用的單風(fēng)道再熱系統(tǒng)存在一個主要問題為冬季外區(qū)再熱時的冷熱抵消。依據(jù)其產(chǎn)生的原因，建議以下兩種方法優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)置。

建議1：設(shè)置外區(qū)溫度高于內(nèi)區(qū)[3]

如圖 7 所示，若外區(qū)溫度設(shè)置高區(qū)內(nèi)區(qū)，在熱壓差作用下，外區(qū)上部的熱空氣將進(jìn)入內(nèi)區(qū)，內(nèi)區(qū)下部的冷空氣也會進(jìn)入外區(qū)，該狀況下，加大了外區(qū)制熱需求以及內(nèi)區(qū)制冷需求，冷熱混合損失增大。反之，若外區(qū)溫度設(shè)置低于內(nèi)區(qū)，殘生反向氣流循環(huán)，外區(qū)制熱需求及內(nèi)區(qū)制冷需求均減小，可獲得混合得益。

圖7 混合損失及混合得益示意圖

建議2：優(yōu)化末端控制方式

為滿足外區(qū)舒適度需求，本項目將外區(qū)末端最小新風(fēng)比由30%提高到50%，增加了冷熱混合損失。若優(yōu)化末端控制方式，在再熱盤管未開啟時，使末端送風(fēng)量隨負(fù)荷變化，但同時滿足最小送風(fēng)量需求。另，當(dāng)檢測到再熱盤管開啟后，保持最高送風(fēng)溫度，根據(jù)室內(nèi)溫度要求增大送風(fēng)量，直至供熱最大風(fēng)量（50%設(shè)備最大風(fēng)量）。

5 結(jié)論及建議

對于冬季外區(qū)存在同時供冷供熱需求的項目，當(dāng)采用 VAV 空調(diào)系統(tǒng)時，若外圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱負(fù)荷小于 200 W/m2，建議采用內(nèi)區(qū)單風(fēng)道，外區(qū)單風(fēng)道帶再熱盤管的空調(diào)系統(tǒng)，同時通過設(shè)置外區(qū)溫度高于內(nèi)區(qū)及優(yōu)化系統(tǒng)末端控制方式進(jìn)一步節(jié)省運(yùn)行費用。