基于办公建筑空调系统节能设计的分析

金镝飞

深圳市口岸管理服务中心 广东深圳 518000

摘要：随着社会的发展，能源和环境问题日益尖锐，暖通空调所占用的建筑能耗必将占据更高的比例。人们为了使得暖通空调系统的节能效果得到进一步的提高，也将许多节能技术应用到其中。本文结合办公建筑工程，对空调系统节能设计的分析，为类似工程提供了一定的参考。

关键词：办公建筑；空调；节能设计

1 工程概况

本工程总建筑面积为126015m2，建筑物的总高为206m，大楼分为北塔楼（9层）及南塔楼（37层）。本工程空调面积为58880m2，夏季空调计算冷负荷为8056 kW。大楼内专用设备需要24h不间断供应冷水，该部分负荷由业主确定为1758kW（500rt）。故整体夏季设计最大冷负荷为9700kW（2760rt）。本工程冬季空调计算热负荷3360 kW。

2 节能技术和措施

2.1冰蓄冷

冷源采用单级泵闭式蓄冷的冰蓄冷系统，为主机上游的串联流程，机房位于南塔楼地下4层。冷源系统共设有4台1758kW（500 rt）的电动螺杆式冷水机组，其中3台为双工况机组，另外1台为基载单工况机组。同时还设有1台703kW（200rt）的电动螺杆式地源热泵机组。总装机制冷量为7735kW（2200rt）。冷源系统还设有箱体式不完全冻结式盘管蓄冰装置，总蓄冰量为26897 kWh（7650 rt·h）。

冰蓄冷系统可以减少冷水机组的装机总容量，相应减少配电总容量，同时利用夜间低谷电价降低整体运行费用。

2.2水蓄热

采用常压型电热水锅炉生产的蓄热水作为空调热源，机房位于南塔楼地下1层。热源系统共设有2台1 800 kW的常压型电热水锅炉，同时还设有2个有效容积为300 m3的蓄热水箱。电热水锅炉在夜间电价谷时段（22：00至次日6：00）运行，可将热水加热至90℃，并储存热量于蓄热水箱内供次日白天使用。设计采用全量蓄热的形式，可保证设计日白天正常供热时不开电锅炉。由于电锅炉夜间运行（类似于夏季夜间蓄冰），本身并不占用配电的总容量。

相对于常规的燃气锅炉，电锅炉水蓄热系统为常压系统，没有防爆、泄压、专用疏散通道等要求，也无需設置烟囱和烟囱井道。虽然电锅炉水蓄热系统需要占用水箱空间，但整体对建筑空间的占用反而小于燃气锅炉系统，同时其具体的布置位置也不受安全要求的限定，自由度较高。

对于常规燃气热水锅炉，目前的燃气价格为3.99元/m3，其热值为35 564 kJ/ m3（8500kcal/m3），锅炉效率按0.9考虑，则其单位热量的价格为0.449元/（（kW·h）。对于电锅炉水蓄热系统，锅炉效率几乎可以认为是10000，系统效率按0.95考虑（主要考虑蓄热装置热损失）。就运行费用而言，其单位热量的价格为0.344元/（kW·h）。电锅炉蓄热相对于燃气锅炉有较大的优势。

2.3地源热泵

该机组可在夏季与冰蓄冷系统并联对大楼供冷，冬季也可参与蓄热和供热。该机组参与蓄热工况时的设计额定供回水温度为60℃/52℃，其与板式换热器换热后的温度仍高于水箱的蓄热起始温度，可与电热水锅炉串联运行。水箱的出水先通过板式换热器提升温度后再经电锅炉进一步加热至90℃，这样就可以减少电锅炉的运行负荷，从而减少整体蓄热耗电量。冷热源系统原理示意图详见图1，2。

与地源热泵机组配套的地下换热埋管采用桩基敷设的形式，考虑到埋管的安全承压因素，在地下埋管和地上管道之间设有隔离压力的板式换热器。

受地源热泵运行所需水流量的限定，供热时该机组的设计选型额定供回水温度为50℃/42℃，无法与系统的52℃/39℃匹配并联运行，故采用在回水总管上串接旁路的形式。实际运行时，在回水总管上游端抽出部分水量供机组运行，由机组加热后再与回水总管下游端混合，如此可提升回水的整体温度（理论值约为42℃），之后再通过蓄热水箱板式换热器进一步将水温提升至系统供水所需温度。由于该地源热泵机组的装机容量占比很小，故其夜间蓄热或日间供热运行时都无需控制其对水温的提升量，只需满载运行即可。

2.4冷却塔免费冷源

冷源机房内同时设置了2台板式换热器，布置于冷却水系统和冷水系统之间。在冬季，当室外气温较低时（实际运行时可调整介入条件），冷水机组停止运行，该板式换热器投入运行，利用冷却塔的冷却能力产生较低温度的冷水供系统使用，从而降低运行能耗。

注：冰蓄冷、电蓄热、地源热泵、冷加塔等内部阀门为常规设置、V4见图2

图1 冷源系统原理图

注：冰蓄冷、电蓄热、地源热泵、冷加塔等内部阀门为常规设置、V3见图1

图2 热源系统原理图

2.5冷却塔风机可调

本工程的冷却塔控制采用总量控制的方式，当部分冷水机组开启时也运行所有冷却塔。此时，由于部分水量流经了所有的冷却塔，其实际换热效果好于额定工况，这样有可能在降低风机转速减少强制通风时也能满足塔体的出水温度，从而减少风机能耗。当负荷过小，冷却塔所有风机停运但出塔水温仍然过低时，关闭部分冷却塔的水流通道。本工程设有4台冷却塔，采用双速风机也能达到较精细的级差控制，可避免采用高成本的变频控制。

2.6大温差供回水

空调冷水系统采用7℃的大温差供回水，其设计温度为5℃/12℃。相对于一般的5℃温差，系统水流量减少，其管路上的水流输送能耗理论上减少28.5700。与冷水机组配套的冷却水系统同样采用7℃的大温差供回水，其设计温度为32℃/39℃。

空调热水系统采用13℃的大温差供回水，其设计温度为52℃/39℃。相对于一般的10℃温差，同样减少了系统水流量。为进一步降低管道流速、减少摩擦阻力损失，在设计管道时适当增加管径（具体计算时按照10℃温差的流量配管）。这样，管路上输送能耗理论上减少[1÷ 10-1÷13×（10/13）2）]一（1/10）=54.48%。

虽然该水系统庞大复杂，但通过上述措施还是能够满足节能规范中对输送能效比的限定要求。

2.7水系統分区

该大楼地下4层地板标高为-18.75 m，地上37层楼面标高为182.50 m，其中5，20，36层分别为避难层及设备用房，其标高分别为19.50，96.30，179.20m。

该空调水系统的总使用高差约为200 m，如采用“一泵到底”的做法，其设备和管道承压级别要达到2.5MPa，这势必会带来管道及其连接上的安全可靠性问题，同时也会大大增加机组、水泵、板式换热器和管道配件等的造价。根据该大楼的实际情况，空调系统分成高低两个区，其换热设备位于20层，低区系统的净高为124.1m，设计确定其定点压力为1.4MPa；高区系统净高为86.2m，其定点压力为1.1 MPa。

低区直接采用冷热源系统供水，其冷热水的供回水温度分别为5℃/12℃和52 ℃/39℃。考虑板式换热器的实际运行状态，设计采用冷水1.5℃和热水2℃的换热温差，故高区的供回水温度分别为6.5℃/13.5℃和50℃/37℃。

2.8水系统变流量调节

空调冷水采用二级泵供水系统，同时在高区换热后再设二次泵。其中低区一级泵对应冷水机组和冰蓄冷板式换热器，为保证冷水机组稳定运行，水泵为定流量运行，仅作台数启停控制。针对普通空调的高低区系统和24 h专用供冷系统，共设置3套二级泵，其中普通空调所用的2套各设3台水泵（两用一备），24 h专用供冷所用的1套设2台水泵（一用一备）。普通空调的高区换热采用2台板式换热器，设置3台高区二次泵，两用一备。24 h专用供冷的采用1套供回水管路，其低区用户在使用的同时供应高区系统的换热，高区换热采用2台板式换热器（一用一备），配置2台高区二次泵，一用一备。对于低区二级泵和高区二次泵，分别在系统最不利端设置压差传感器，在负荷变化改变水量需求时通过变频调节水泵来保证最不利端资用压差的恒定，从而达到节能的效果。

由于空调热源由蓄热水箱通过板式换热器换热而得，故热水采用一级泵变流量系统，同时在高区换热后再设二次泵，其变频调节控制同冷水的低区二级泵和高区二次泵。

2.9变风量全空气空调

大楼中的联廊、银行家俱乐部和标准层办公区均采用变风量（VAV）全空气空调系统，其VAVBOX均采用无风机单风道的形式，并采用变静压控制方式。

对于联廊和银行家俱乐部采用统一不分内外区的共用VAV系统，该系统夏季供冷、冬季供热。对于标准层办公，则采用了内外分区、分设2个VAV系统的形式，内区常年供冷，外区夏季供冷、冬季供热，从而进一步提高舒适性。

由于标准层机房的空间非常狭小，实际设计时将2个系统合并在1台空调箱内。该空调箱采用无蜗壳风机，并设置在空调箱前端，之后再分设2个处理风道，其间分别设置冷热盘管和加湿器，从而达到一机两用的功能。这样就避免了常规1台空调箱处理到内区状态、外区再由VAV BOX二次加热的做法，达到节能的效果。标准层空调箱构造图详见图3。

图3标准层空调箱构造图

2.10排风热回收

对于标准层办公区，其2台集中处理的新排风空调箱设置在20层设备间内，分别对应上下两段。

该空调箱实际上是新风空调箱和排风风机箱的组合，其内部除设有新风预热盘管之外，还设置了1个全热回收转轮，通过它可回收部分排风能量，降低空调负荷，减少能耗。新排风通道在转轮旁侧各设置了1个风阀，平时空调季节关闭该阀，保证转轮的热回收功能；过渡季节则开启该阀，减少转轮的流通阻力，降低风机的运行能耗。

2.11可变新风量

对于标准层新排风系统，在每层均设有电动可调的定风量控制风阀（CAV），同时集中新排风空调箱内的风机采用了定静压控制，变频调速，降低运行能耗。

设计还采用了可变新风量的措施，避免不必要的空调负荷，减少能耗。考虑到实际控制时为避免系统振荡失控和新排风量不易平衡，故设计采用了CAV高低两挡的控制方式，其值可根据新排风量的差值需要预先设定好。室内CO2探测也采用上下值设定，当其达到上限并维持一段时间后，开启CAV高挡运行；当其达到下限并维持一段时间后，则开启CAV低挡运行。

3 结语

在空调系统设计中，有多种节能技术与措施，应根据每个项目的特点选择应用，忌盲目堆积。本工程先期进行了可行性和经济性分析比较，并在具体实施前与业主和相关顾问单位允分协商，最后根据项目的实际情况采用了以上的节能手段。

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卸荷板。一个成功的卸荷板设计可将峰值弯矩减少到原设计的1/3。大部分外荷载被卸掉，没有作用在最不利的截面上。

4、未来发展：从总量控制走向储量控制的优化

在上文中，优化的主要内容是一个系统减少材料使用的过程，但这并不是优化设计的全部。

建筑为人类构造活动的空间，寿命通常有50～200年，但人类活动的组织形式一直在变。为了适应新的社会结构，每年都有大量的已有建筑物被改造，甚至形成一个新的城建领域词汇——“旧城改造”。，如果一栋建筑在全生命周期内需要多次改造，全面降低材料用量的优化设计在建筑物全生命周期的回报还要低于非优化设计，反而不经济。在这样的背景下，我们结构工程师应当主动在总量优化的工作后进行另一种类型的优化，在材料用量相近的情况下，调配结构冗余度，提高结构的承载潜能，例如：

◆将节省下来的材料更多的配置在关键核心构件上，力求在可能的改造中避免全面加固；

◆将混凝土的用量适当提高一些，力求在可能的改造中少进行增大截面的湿作业，多使用可靠的高强材料；

◆使用更好的节点连接，力求在可能的改造中减少对节点的加固，工业化构件的加固。

综述

建筑设计的优化要从理论出发，确保理论正确、假定正确，输入的信息正确、精确，然后才能正式的开展优化工作。在优化工作过程中，要避免单纯走降低用量、吃冗余度的老路。要从性能出发，在同等造价的情况下，改善结构的潜力，提供最好的性能和承载潜力。

建筑是一个经久不衰的行业，我们对建筑设计的认识也在不断的更新，很难说现在我们接触到的理论能够覆盖我们所有的需求。笔者也是在自己多年的从业经历中总结了一些自己的想法，一家之言，请各位读者斧正。

参考文献：

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[2]郭鸿仪 吕宝柱.卸荷板卸荷效应的模型验证[J].《岩土工程学报》，1993.01

[3]钟玉湘 程远胜.同时存在两类不确定性量的最轻结构设计方法[J].《华中科技大学学报：自然科学版》，2004.03