大型变风量系统在超高层建筑应用

季汪艇

同济大学建筑设计研究院（ 集团）有 限公司

0 引言

北美国家和日本在变风量空调系统 （Variable Air Volume,VAV） 的技术路线截然不同， 系统规模是其中最大的差别， 即大型多层集中式系统在北美国家应用较多， 中型和小型系统在日本和国内更为常见[1]， 综合文献[2]列举的国内外超高层建筑 VAV 系统案例， 两者主要差异如表1所示。

国内设计人员对于大型系统， 鉴于其单位风量输送能耗大， 未使用楼面漏风量大等原因， 则一般不推荐使用 [1] 。基于这些设计理念和国情背景，大型 VAV系统在国内应用较少， 在超高层建筑的应用未见于出版物。本文通过一个大型 VAV 系统在上海某超高层办公楼的实例分析， 探讨该系统形式在国内应用的可行性。

表1 超高层建筑VAV系统不同规模的特点比较

1 系统概况

该超高层办公楼位于上海市静安区， 坐落于苏州河和南京东路之间， 高 249.85m共 54 层， 塔楼建筑面积为12.3万m2。建筑采用框架 - 核心筒结构体系， 共设置3个避难/设备层，分 别位于 8层，24层和38层。定位甲级写字楼，塔 楼标准层最大面积 2410m2， 办 公部分建筑面积约 1700m2， 层 高 4.38m，控 制净高3.0m。建筑效果图如图1所示。

图1 项目建筑效果图

本项目室外及室内设计参数则分别如表 2 表 3所示。

表2 室外设计参数表

表3 室内设计参数表

该项目冷源采用冰蓄冷系统， 办公塔楼空调有条件采用低温送风 （9 ℃） 空调系统。风管系统按照低速风管系统（最高风速控制在 13m/s 以下，比摩阻在0.8～1.5 Pa/m 之间[1]）设计， 一般主风管风速在 8～10m/s， 支风管风速在4～6m/s。

图2 塔楼空调系统原理示意图

如图2所示，办公区域空气处理机组集中设置于8层，24层，38层及54层屋顶的设备机房/平台内，紧挨核心筒的南北两组送 / 回风井道服务于上 / 下 5～8个楼层。每组井道对应一台或两台并联机组，单 台空调机组风量从56000～90000/h不等。经 统计，塔 楼办公变风量空调系统设备的机房井道面积约3510m（2占据设备层约 2200m2， 占 据屋顶平面约 310m2， 标 准层井道总面积约1000m2） ，占 塔楼总建筑面积约3.0%。

标准层采用吊顶静压箱回风，南 北管井出来的送风管道连成环状，内 外区均采用带热水再热盘管的串联式风机动力末端 （Fan Powered Terminal Unit,FPTU），如 图3所示。

图3 标准层风系统平面示意图

2 风机单位风量耗功率Ws 的讨论

风机单位风量耗功率风机单位风量耗功率Ws按式 （1） 计算 [3-4] ：

式中：Ws为单位风量耗功率， W/(m3/h)；P为风机全压值， Pa；ηt为包含风机，电机及传动效率在内的总效率， %。

大型多层集中式系统由于服务楼层多， 井道风速大， 因此Ws比常规系统大， 须满足国家及地方节能规范 [3-4] 的要求， 本项目系统属于办公建筑中冷热盘管分用、 带粗中效过滤 （G4+F7） 的变风量系统， 根据规范[3-4]其限值为0.69。 选择塔楼系统静压最大的空调箱 （设计风量80000m3/h） 阻力进行分析， 如表4所示。

表4 塔楼典型空调系统全压计算

可选用常规离心风机（风量 80000m3/h，全压1420 Pa），经选型，风机全压效率为 0.79，电机效率0.95， 传动效率0.92。 计算Ws值为0.57， 低于规范限值0.69。

可选用无蜗壳风机墙 （风量 10000× 8m3/h， 全压1420 Pa），经选型，风机全压效率为 0.64，电机效率0.95， 传动效率1.0 （直驱）。计算Ws值为 0.65， 低于规范限值0.69。

从规范限定Ws值要求来看，常规离心风机和无蜗壳风机墙选型均能满足。由于无蜗壳风机相比常规有蜗壳离心风机， 运行噪声更低（特别是 63 Hz，125 Hz和250 Hz的低频噪声），声学顾问建议采用无蜗壳离心风机墙。

3 全新风运行的讨论

一般来说，塔楼空调系统由于土建条件的限制，很难布置出很大的新风井道， 实现可变新风比的难度较高。本项目塔楼由于采用集中式变风量系统， 在过渡季节和冬季能够实现最大 100%全新风运行，有效改善空调区内的空气品质， 同时充分利用室外低温低焓的空气进行免费冷却。根据李魁山等[5]关于新风冷却时间的统计数据，上海地区办公建筑在 8:00-18:00营业时段内全年新风冷却 （室外温度 0～21 ℃） 可用小时数为1540 h， 占总营业时间的 42%。全新风运行为空调系统的节能运行提供很大的便利。

超高层办公空调房间无可开启外窗或外门， 且外幕墙气密性较好， 相对封闭， 因此系统新风量的变化无法利用压差通过门缝或窗缝压出。本项目每台空调箱对应设置一台排风风机， 自控系统根据回风立管静压设置值， 启停风机或变频控制排风风机转速。

不同工况下的运行控制策略如表5所示。

表5 变风量系统运行策略

所有工况下，系统送风量根据送风主管 2/3处的测压数据调整空调箱风机转速控制， 外区加热盘管根据相应区域温度调节开度。标准层回风风阀根据本层空间静压监测值与设定值的偏差调节开度。自控系统关闭非使用空间对应的一次风风阀或该楼层的送回风主干管风阀。

4 结论

通过上述讨论， 大型多层集中式变风量空调系统应用于该超高层办公， 在机房维护、 故障备用性方面有其本身优势， 同时通过仔细设计， 利用低温送风的优势， 降低空调送风量， 控制系统阻力损失， 保证系统单位风量耗功率能满足国家和地方的节能要求。系统最大引入100%新风运行，有效改善空调区内的空气品质， 降低制冷机组开启时间， 成为系统节能运行的有效手段。因此，多层集中合设变风量空调系统结合低温送风作为是超高层建筑暖通系统的一个方案选择。

参考文献

[1] 叶大法,杨国荣.变风量空调系统设计[M].北京:中国建筑工业出版社,2007

[2] 范存养,杨国荣,叶大法.高层建筑空调设计及工程实录[M].北京: 中国建筑工业出版社,2014

[3] 中华人民共和国建设部.GB 50189-2005公共建筑节能设计标准[S]. 北京: 中国建筑工业出版社,2005

[4] 上海现代建筑设计(集团)有限公司, 同济大学.DGJ-107-2012上海市工程建设规范-公共建筑节能设计标准[S]. 上海: 上海市城乡建设和交通委员会,2012

[5] 李魁山,马晓琼,王小芝.不同类型建筑新风免费冷却时间的研究[J].暖通空调,2012,42(3):70-75