上海辦公建筑內(nèi)區(qū)免費(fèi)供冷系統(tǒng)的適用性分析

楊振曉

宜昌市城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院

隨著近年來大型辦公建筑的快速發(fā)展，具有較大進(jìn)深的辦公建筑內(nèi)區(qū)冬季對供冷的需求也越來越大。這些內(nèi)區(qū)的冷負(fù)荷具有比較穩(wěn)定且負(fù)荷較小的特點(diǎn)。如何利用較為節(jié)能的技術(shù)進(jìn)行建筑內(nèi)區(qū)供冷已經(jīng)成為降低此類建筑能耗的重要方法。新風(fēng)免費(fèi)供冷技術(shù)和冷卻塔免費(fèi)供冷技術(shù)在該類型建筑利用的概念由來已久[1]。將自然冷源與實(shí)際建筑結(jié)合起來，可提高室內(nèi)的熱舒適性，改善室內(nèi)空氣品質(zhì)，降低建筑能耗。

1 常用免費(fèi)供冷形式介紹

1.1 冷卻塔免費(fèi)供冷系統(tǒng)

冷卻塔供冷系統(tǒng)主要包括閉式冷卻塔直接供冷系統(tǒng)和開式冷卻塔+板式換熱器間接供冷系統(tǒng)兩種形式。開式冷卻塔直接供冷系統(tǒng)由于存在著較大的水質(zhì)問題而不建議推廣。而閉式冷卻塔直接供冷系統(tǒng)由于冷卻水與空氣不直接接觸，冷卻水在盤管內(nèi)部流動(dòng)，盤管外部進(jìn)行水噴淋，空氣流動(dòng)使盤管上面的水蒸發(fā)冷卻，將熱量帶走，不存在上述問題[2]。但與開式冷卻塔相比較，冷卻效率較低。開式冷卻塔+板式換熱器間接供冷系統(tǒng)的冷卻水環(huán)路和冷凍水環(huán)路由板式換熱器隔開，由于增加了板式換熱器，從而降低了換熱效率，且系統(tǒng)形式較為復(fù)雜。但該系統(tǒng)供水穩(wěn)定可靠，并可利用夏季與冷凍機(jī)配套的冷卻塔兼做免費(fèi)供冷。冷卻塔供冷時(shí)，系統(tǒng)中的水泵繼續(xù)運(yùn)行。

1.2 新風(fēng)直接供冷系統(tǒng)

新風(fēng)直接供冷系統(tǒng)是指在過渡季節(jié)或者冬季，由于室外新風(fēng)的焓值低于室內(nèi)空氣焓值，利用新風(fēng)作為冷源直接送入室內(nèi)消除冷負(fù)荷的系統(tǒng)[3]。該系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：1）全新風(fēng)或者新風(fēng)風(fēng)量的增加，可以提高室內(nèi)空氣品質(zhì)。2）初投資增加較小，僅需要校核送、排風(fēng)管管徑大小和空調(diào)機(jī)組容量。3）室外新風(fēng)焓值不斷變化，對控制系統(tǒng)要求較高。（4）冬季新風(fēng)溫度較低，不宜直接送入室內(nèi)，宜與回風(fēng)混合后送入室內(nèi)。5）利用免費(fèi)供冷，沒有增加額外用電設(shè)備，運(yùn)行費(fèi)用較低[2-3]。

2 上海地區(qū)辦公建筑內(nèi)區(qū)免費(fèi)供冷適用性分析

2.1 上海地區(qū)辦公建筑內(nèi)區(qū)負(fù)荷特性分析

以上海地區(qū)某超高層辦公建筑標(biāo)準(zhǔn)層為載體進(jìn)行計(jì)算分析，該項(xiàng)目由2 幢超高層辦公樓和4 幢商業(yè)樓組成，取其中一棟辦公塔樓進(jìn)行分析，辦公塔樓共21 層，1-2 層為挑空門廳，3-21 層為辦公層，本項(xiàng)目冷熱源由能源中心供應(yīng)，夏季僅供冷水，冬季僅供熱水，區(qū)域集中供冷、熱采用兩管制輸送方式。辦公層平面玻璃幕墻至核心筒距離為11 m，每層辦公內(nèi)區(qū)面積約為800 m2，存在較大的內(nèi)區(qū)。該辦公區(qū)域內(nèi)外分區(qū)，采用VAV 空調(diào)系統(tǒng)，根據(jù)室內(nèi)負(fù)荷調(diào)節(jié)風(fēng)量。由于內(nèi)區(qū)不受室外氣溫及太陽輻射的影響，主要負(fù)荷由照明負(fù)荷，辦公設(shè)備負(fù)荷和人員負(fù)荷構(gòu)成，冷負(fù)荷較為穩(wěn)定。考慮該辦公建筑自動(dòng)化程度較高及人體對于熱舒適性的要求，其主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1：

表1 主要設(shè)計(jì)參數(shù)表

根據(jù)ISO7730 標(biāo)準(zhǔn)對從事輕的主要是坐著的活動(dòng)（如辦公室工作）給出的熱舒適性范圍和ASHRAE Standard 中關(guān)于穿著典型夏季和冬季服裝進(jìn)行輕體力活動(dòng)或者處于靜坐狀態(tài)的人可接受的作用溫度和濕度的范圍。選取冬季室內(nèi)舒適性的溫度范圍為20°C～26°C。舒適性空調(diào)室內(nèi)舒適性濕度范圍為40%～60%。

經(jīng)過焓濕圖計(jì)算，辦公內(nèi)區(qū)空調(diào)箱送風(fēng)量為13200 m3/h，最小新風(fēng)量為4000 m3/h。冬季時(shí)，室內(nèi)外溫差較大，由于夜間氣溫較低，早上日照較少，故冬季內(nèi)區(qū)存在蓄冷負(fù)荷，上海地區(qū)室內(nèi)蓄冷負(fù)荷為53 W/m2，剛上班時(shí)內(nèi)區(qū)需要空調(diào)加熱來保證人體的舒適性，隨著內(nèi)區(qū)熱負(fù)荷全部消除，照明，人員和設(shè)備發(fā)熱量產(chǎn)生冷負(fù)荷時(shí)，開啟免費(fèi)供冷系統(tǒng)。此次計(jì)算考慮一般上班時(shí)間為9:00，運(yùn)行管理人員在上班前一段時(shí)間內(nèi)開啟空調(diào)，消除蓄冷，考慮最不利情況，免費(fèi)供冷開啟時(shí)間為9:00-18:00。考慮冬季供暖時(shí)間為11 月15 日-3 月15 日，周一至周五。辦公建筑內(nèi)區(qū)冬季供冷時(shí)間共計(jì)860 h，標(biāo)記為0～860 h。

2.2 冷卻塔間接供冷系統(tǒng)適用性分析

在空氣與水接觸的時(shí)間無限長，冷卻塔尺寸無限大的理想情況下,冷卻塔出口水溫可以降到空氣濕球溫度。實(shí)驗(yàn)表明：冷卻塔出口冷卻水設(shè)計(jì)溫度一般比空氣濕球溫度高3～5°C。一般板式換熱器溫差（冷卻水入口端與冷凍水出口端的溫差）約為2～3°C，有的是1°C多。

采用冷卻塔供冷在本工程中的焓濕圖如圖1，在焓濕圖上標(biāo)出冬季室內(nèi)空氣狀態(tài)點(diǎn)N，室外空氣狀態(tài)點(diǎn)W，室內(nèi)回風(fēng)和最小新風(fēng)在空調(diào)箱內(nèi)混合到M 點(diǎn)，經(jīng)過冷卻水在換熱盤管中降溫至送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)O，沿?zé)釢癖染€ε 送入室內(nèi)。

圖1 冷卻塔免費(fèi)供冷焓濕圖

內(nèi)區(qū)負(fù)荷由冷卻塔和新風(fēng)共同承擔(dān)，新風(fēng)量為滿足室內(nèi)空氣品質(zhì)要求的最小新風(fēng)量，新風(fēng)消除部分內(nèi)區(qū)負(fù)荷，剩余負(fù)荷由冷卻塔免費(fèi)供冷系統(tǒng)承擔(dān)。由于受到冷卻水溫和所需送風(fēng)溫度的限制，當(dāng)冷卻水溫小于所需送風(fēng)溫度時(shí)，冷卻塔免費(fèi)冷卻裝置開啟運(yùn)行。根據(jù)中國氣象局信息中心和清華大學(xué)聯(lián)合編寫的《中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集》可以得到上海地區(qū)辦公建筑供暖時(shí)段的860 h 的室外空氣濕球溫度統(tǒng)計(jì)如表2 所示：

表2 室外空氣濕球溫度統(tǒng)計(jì)表

經(jīng)計(jì)算，利用冷卻塔供冷卻水來處理空氣達(dá)到消除內(nèi)區(qū)負(fù)荷的小時(shí)比例為64.2%，送風(fēng)溫度范圍為12.45～22.55°C。即當(dāng)濕球溫度小于7.4°C時(shí)，在最小新風(fēng)量的情況下，開啟免費(fèi)冷卻裝置達(dá)到消除內(nèi)區(qū)負(fù)荷的目的。其逐時(shí)溫度參數(shù)如圖2：

圖2 冷卻塔供冷逐時(shí)溫度

2.3 新風(fēng)直接供冷系統(tǒng)

該辦公建筑采用內(nèi)外分區(qū)的空調(diào)系統(tǒng)，且內(nèi)區(qū)采用VAV 系統(tǒng)。這為在冬季，利用室外新風(fēng)消除內(nèi)區(qū)冷負(fù)荷提供了便利。

由于送風(fēng)管管道規(guī)格按照新風(fēng)量+回風(fēng)量的總風(fēng)量進(jìn)行設(shè)計(jì)，在冬季免費(fèi)供冷時(shí)，通過引入室外新風(fēng)即加大新風(fēng)量的方式消除內(nèi)區(qū)冷負(fù)荷，可相應(yīng)的減少回風(fēng)量，保持總風(fēng)量不變，不需要重新設(shè)計(jì)管道。同時(shí)，新風(fēng)量的增加還可以提高室內(nèi)空氣品質(zhì)。但是，高層或者超高層建筑新風(fēng)井一般位于核心筒內(nèi)，故采用新風(fēng)直接供冷時(shí)需考慮加大新風(fēng)井和排風(fēng)井所需要的建筑面積，在評估新風(fēng)消除辦公內(nèi)區(qū)冷負(fù)荷所帶來的經(jīng)濟(jì)效°C與建筑面積減少所帶來的經(jīng)濟(jì)損失后，方可決定是否采用加大新風(fēng)的方法進(jìn)行冬季內(nèi)區(qū)免費(fèi)供冷。

考慮到室內(nèi)氣流組織狀況和人體熱舒適性的需求，送風(fēng)溫度不能太低，當(dāng)送風(fēng)溫度逸12°C時(shí)，可直接送入室內(nèi)[4]。為了增強(qiáng)室內(nèi)的舒適度，可以對送風(fēng)進(jìn)行加濕。新風(fēng)免費(fèi)冷卻的焓濕圖如圖3 所示，在焓濕圖上標(biāo)出冬季室內(nèi)空氣狀態(tài)點(diǎn)N，室外空氣狀態(tài)點(diǎn)W，室內(nèi)回風(fēng)和最小新風(fēng)在空調(diào)箱內(nèi)混合到M 點(diǎn)，經(jīng)過常用的濕膜加濕至送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)O，沿?zé)釢癖染€ε 則送入室內(nèi)。

圖3 新風(fēng)免費(fèi)供冷焓濕圖

所需要新風(fēng)量：

式中：Q 為室內(nèi)內(nèi)區(qū)顯熱，包括燈光照明，設(shè)備發(fā)熱，和人員顯熱負(fù)荷，kW；VX為新風(fēng)送風(fēng)量，m3/h；ρ 為空氣密度，1.2 kg/m3；c 為空氣比熱，1.01 kJ/(kg·°C)；駐h 為室內(nèi)外空氣焓差，kJ/kg。

回風(fēng)量為空調(diào)箱總風(fēng)量減去消除內(nèi)區(qū)負(fù)荷所需要的新風(fēng)量VX，得到室內(nèi)回風(fēng)量為Vh。送風(fēng)溫度可以有式（2）得到：

式中ts為空調(diào)送風(fēng)溫度，°C；VX為新風(fēng)送風(fēng)量，m3/h；tX為新風(fēng)送風(fēng)溫度，°C；Vh為新風(fēng)送風(fēng)量，m3/h；th為新風(fēng)送風(fēng)溫度，°C。

假如送風(fēng)溫度小于12°C，或所需新風(fēng)量大于空調(diào)箱的總風(fēng)量時(shí)，標(biāo)記送風(fēng)溫度和新風(fēng)送風(fēng)量均為零，表示此條件下新風(fēng)直接送入室內(nèi)不滿足人體熱舒適性的要求或者是空調(diào)箱總風(fēng)量小于所需新風(fēng)量要求，經(jīng)過計(jì)算，可得出逐時(shí)送風(fēng)溫度和逐時(shí)新風(fēng)送風(fēng)量如圖4 和圖5：

圖4 送風(fēng)溫度

圖5 新風(fēng)送風(fēng)量

根據(jù)中國氣象局信息中心和清華大學(xué)聯(lián)合編寫的《中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集》可以得到上海地區(qū)辦公建筑供暖時(shí)段的860 h 的室外空氣焓值統(tǒng)計(jì)如表3 所示：

表3 室外空氣焓值統(tǒng)計(jì)

在冬季內(nèi)區(qū)供冷時(shí)段（860 h），空調(diào)箱定頻運(yùn)行，新風(fēng)送風(fēng)總量小于空調(diào)箱總送風(fēng)量，且新風(fēng)與回風(fēng)混合后送入室內(nèi)時(shí)，送風(fēng)溫度大于12°C的小時(shí)比例為89.8%，送風(fēng)溫度范圍為12～19.1°C，新風(fēng)送風(fēng)量為5.5 m3/(h·m2)～16.4 m3/(h·m2)。當(dāng) 室 外 焓 值 小 于30 kJ/kg 時(shí)，可以直接利用室外新風(fēng)送入室內(nèi)，消除內(nèi)區(qū)負(fù)荷。按照人員密度計(jì)算辦公建筑的新風(fēng)量一般為3.75～10 m3/(h·m2)。一般辦公建筑的內(nèi)區(qū)的換氣次數(shù)為15～24 m3/(h·m2)，所需新風(fēng)量小于空調(diào)箱總風(fēng)量。假如室內(nèi)設(shè)計(jì)狀態(tài)點(diǎn)為26°C，50%時(shí)，小時(shí)滿足比例可達(dá)100%。故上海地區(qū)應(yīng)用新風(fēng)直接消除內(nèi)區(qū)冷負(fù)荷的方案是可行的。采用空調(diào)箱消除室內(nèi)負(fù)荷，只需增加新、排風(fēng)管井面積就可以滿足冬季內(nèi)區(qū)冷負(fù)荷需求，本項(xiàng)目中采用最小新風(fēng)量的新、排風(fēng)管井面積分別為0.2 m2和0.16 m2，滿足整個(gè)供暖季所需最大新風(fēng)量時(shí)的新、排風(fēng)管井面積分別為0.5 m2和0.4 m2，總增加面積為0.54 m2。規(guī)范《上海市工程建設(shè)規(guī)范公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》DGJ108-107-2012 中4.3.4 規(guī)定：服務(wù)于人員密集的大空間和全年具有供冷需求的區(qū)域的全空氣定風(fēng)量或變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)，可達(dá)到的最大總新風(fēng)比宜不低于70%。取最大新風(fēng)量為總風(fēng)量70%時(shí)，在冬季內(nèi)區(qū)供冷時(shí)段（860 小時(shí)），小時(shí)滿足比例為66.3%。利用新風(fēng)進(jìn)行直接供冷需要進(jìn)行加濕，所需加濕量比最小新風(fēng)量運(yùn)行時(shí)大，考慮新風(fēng)加濕為濕膜加濕，估僅需增加填料面積和循環(huán)水泵流量，能耗增加不大。

3 上海地區(qū)辦公樓內(nèi)區(qū)免費(fèi)供冷的經(jīng)濟(jì)性分析

冷卻塔間接供冷系統(tǒng)需要增加一臺(tái)板式換熱器，假設(shè)冷卻塔、冷卻水泵和冷凍水泵為與夏季冷凍機(jī)合用的設(shè)備，不屬于增加的初投資，則增加的設(shè)備及控制系統(tǒng)初投資為50 萬元。考慮冷凍機(jī)COP 為5，上海地區(qū)9：00-18：00 平均電價(jià)為1.08 元/kWh，該辦公塔樓供暖季可節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用145，000 元，投資回收期約為3.45 年，投資回收期較長。新風(fēng)直接供冷系統(tǒng)仍然利用原用空調(diào)箱進(jìn)行新風(fēng)送入內(nèi)區(qū)供冷，初投資幾乎不用增加，但是會(huì)增加送風(fēng)管道和排風(fēng)管道的面積，考慮核心筒范圍內(nèi)空調(diào)機(jī)房面積，假如對空調(diào)機(jī)房進(jìn)行有效利用，可以滿足新、排風(fēng)風(fēng)量所需要的管井面積。與常規(guī)制冷相比較，該辦公塔樓每個(gè)供暖季可節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用241，300 元；與冷卻塔免費(fèi)供冷系統(tǒng)比較，該辦公塔樓每個(gè)供暖季可節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用96，300 元。

4 結(jié)論

對于辦公建筑，冬季內(nèi)區(qū)負(fù)荷采用新風(fēng)進(jìn)行消除，小時(shí)滿足率可以達(dá)到89.8%，且節(jié)能效果顯著，在有條件加大新、排風(fēng)管井或者空調(diào)機(jī)房靠外墻的項(xiàng)目建議使用。在建筑采用了兩管制，且冬季無法供冷水的項(xiàng)目中，此方法為消除內(nèi)區(qū)負(fù)荷有效方法，且可以提高室內(nèi)空氣品質(zhì)。冷卻塔免費(fèi)供冷技術(shù)由于上海地區(qū)白天濕球溫度較高，導(dǎo)致冷卻水水溫較高，對于內(nèi)區(qū)負(fù)荷需要的送風(fēng)溫度不能滿足，小時(shí)滿足率僅有64.2%。建議可以作為此類建筑的輔助供冷，在冬季內(nèi)區(qū)可以與冷水供水裝置并聯(lián)，優(yōu)先采用冷卻塔供冷，達(dá)到節(jié)能的目的，但此系統(tǒng)需要增加初投資，投資回收期較長，故可以根據(jù)具體項(xiàng)目進(jìn)行分析其適用性。