北方超高层甲级办公楼VAV变风量空调系统设计与应用

文｜同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司 周水锋

前言

随着我国经济快速增长，全国各大城市超高层办公楼如雨后春笋般拔地而起，如何打造一个既健康舒适，又经济节能的办公环境是摆在设计师面前的一个重要课题。众所周知，空调系统的好坏直接决定了办公环境的舒适与否，也影响了整个建筑物的能耗大小。因此，大力发展节能性空调系统已经成为现代化智能办公楼宇的重要内容。由于VAV变风量空调系统具有高舒适性以及低能耗等优点，逐渐得到了建筑行业的广泛推广，尤其在高层智能办公楼中得到了普遍应用。

我国地域广阔，南北气候差异大，城市经济发达程度不同等因素，决定了VAV变风量系统在实际工程的设计与应用中，不能千篇一律，照搬照抄；必须充分考虑项目的实际情况，分析比较各VAV系统组合的优缺点，结合实际情况，兼顾舒适性、节能性、经济性等因素，选择最优方案。本文通过对VAV变风量空调系统分类组合进行了分析比较，结合青岛某超高层甲级办公楼工程实例，阐述了适合北方超高层办公楼VAV变风量系统的优化方案和主要控制策略。

一、VAV变风量空调系统简介

VAV 变风量空调系统，相对于传统的风机盘管+独立新风系统以及传统的定风量空调系统而言，是一种更为先进的空调方式。其工作原理是通过改变各个房间的空调送风量，来消除室内冷、热负荷，从而在满足室内人员对房间不同温湿度的要求下，实现室内温度在某个设定温度值并保持恒定。夏季时，当房间温度高于设定温度时，变风量末端装置加大风阀开度增大送风量，反之减小送风量；冬季时，当房间温度高于设定温度时，变风量末端装置减小风阀开度减少送风量，反之增加送风量。VAV变风量系统其最大的特点是可实现区域空气温度独立控制，部分负荷时风机可变频调速节能运行。据国外多年工程案例实测，VAV变风量系统相比传统空调系统节能30～40%。此系统已被欧美等发达国家广泛应用于高端楼宇中，特别是超高层甲级办公楼项目中，此系统基本属于标配系统。

二、VAV变风量空调系统的分类

1、无动力单冷型

无动力单冷型系统，是指系统末端装置全部由不带任何加热功能的单风道变风量末端装置构成。室内回风和室外新风混合后经空调机组集中制冷处理后，通过送风管道分别送至各个单风道变风量末端装置，末端装置根据室内房间温度变化自动调节风阀开度大小实现变风量送风，以适应房间空调负荷的变化。此系统只适用于南方需全年制冷地区。

2、无动力单冷再热型

无动力单冷再热型系统，是指系统末端根据房间内外分区设置，内区设置不带加热功能的单风道变风量末端装置，外区设置带加热功能的单风道变风量末端装置，其中带加热功能常用热水加热盘管、蒸汽加热盘管或电加热盘管。室内回风和室外新风混合后经空调机组集中制冷处理后，通过送风管道分别送至房间内外区各单风道变风量末端装置，冬季外区末端装置需开启加热功能，集中处理后的冷空气通过加热装置“再热”后送出。此系统适合于夏热冬冷地区。

3、冷热型

对于冷热型系统而言，其末端装置与无动力单冷型系统一样，均采用不带加热功能的单风道变风量末端装置，其末端装置根据房间温度变化自动调节送风的原理也与单冷型系统一样。不同的是两者的末端控制方式，单冷型末端控制方式只有制冷一种工况，冷热型系统末端控制方式有供冷和供热两种工况。系统根据房间负荷的需要，系统集中送冷风或者集中送热风。此系统适用于夏热冬冷地区，且不分内外分区的小型办公场所。

4、串联式风机动力型

串联式风机动力型变风量系统的外区设置带加热功能的串联式风机动力型末端装置，内区设置不带加热功能的串联式风机动力型末端装置。此系统是无动力单冷热再热型系统的升级，因其末端设置动力风机，利用风机抽取房间内的二次回风再热，减少了一次冷风的再热耗能。

5、并联式风机动力型

并联式风机动力型变风量系统的外区设置带加热功能的并联式风机动力型末端装置，内区可以采用无动力的单风道末端装置，也可以采用不带加热功能的并联式风机动力型末端装置。此系统也是无动力单冷热再热型系统的升级，因其末端设置动力风机，利用风机抽取房间内的二次回风再热，减少了一次冷风的再热耗能。此系统与串联式风机动力型系统的区别在于末端装置的风机连接方式不同。我国目前南方需要夏季供热冬季供冷且内外分区的高端写字楼变风量空调系统中运用最多的是外区带加热功能的并联式风机动力型末端装置，内区无动力的单风道变风量末端装置。

6、单风道型组合式变风量空调系统

组合一：四周设置风机盘管机组加单冷型单风道变风量系统。此系统房间外区靠窗设置落地式风机盘管（带制冷、制热功能），承担外围护结构的冷、热负荷。房间吊顶内设置单冷型单风道变风量末端装置，且内外分区设置，承担内区除围护结构外的全年冷负荷及新风负荷。

组合二：四周散热器加单冷型单风道变风量系统。此系统房间外区靠窗设置落地式散热器（仅冬季供热），承担冬季外围护结构的热负荷。房间吊顶内设置单冷型单风道变风量末端装置，且内外分区设置，承担内外区全年冷负荷及新风负荷。此系统四周散热器亦可以用热辐射板、地板嵌入式对流器等设备代替。

三、VAV变风量系统优缺点对比分析

四、VAV变风量系统在北方某实际工程中的设计与应用

1、工程概况

本项目为青岛市某超高层甲级写字楼（双子楼），总建筑面积约168000平方米，其中地上部分总建筑的面积约108000平方米，地下总建筑面积约60000平方米。地上35层，地下2层（局部地下3层）；塔楼一建筑高度150米，塔楼二建筑消防高度85米。

2、空调冷热源系统

方案设计之初，业主对本项目提出了定位，本工程部分楼面作为业主方自己集团本部办公使用，其余部位主要出租给金融、IT等高端企业办公，要求项目建成时为片区的办公楼标杆，要求面向未来，保证10年后亦不落伍。结合这一定位，设计院就空调冷热源、末端空调系统等，向业主进行了多轮专题汇报与讨论。最终确定空调冷热源采用电动压缩式冷水机组+燃气热水锅炉。

夏季空调冷源选用3台离心式冷水机组，单台制冷量为4800KW（1400RT），供回水温度为6/12℃;冷水机组集中设置在地下室冷冻机房内，冷却塔设置在室外绿化处。主楼冷冻水系统以100米为界高低分区，低区冷冻水一次直供，低区设备承压1.6MPa；高区冷冻水经水-水板式换热器后二次供水，二次侧供回水温度为7/13℃，高区板换机组及干管、阀门等设备承压2.0MPa，末端设备承压1.0MPa。

冬季空调热源采用燃气热水真空锅炉，选用3台热水真空锅炉，单台制热量约4200KW,锅炉一次热水供回水温度为80/60℃，主楼空调热水系统以100米为界高低分区，低区空调一次热水经水-水板式换热器后供低区二次空调热水系统，低区设备承压1.6MPa；高区一次热水经水-水板式换热器后二次供水，二次侧空调供回水温度均为60/50℃，高区板换机组及干管、阀门等设备承压2.0MPa，末端设备承压1.0MPa。

考虑到后期运营的节能性、经济性，本项目设置一套冷却水板式换热器，并联冷冻水系统，利用开式冷却水系统，实现过渡季免费制冷。

金融类、IT类企业拥有小型数据机房，需24小时冷源降温。为满足租户需求，设置独立的租户冷却水系统供租户自带压缩机的空调机组使用，每层预留1组租户冷却水接口。租户冷却水冷源采用闭式冷却塔，低区冷却塔设置在一层室外绿化处，选用2台处理水量为125m3/h的闭式冷却塔；高区冷却塔设置在主楼屋面，选用2台处理水量为50m-/h的闭式冷却塔。

3、末端VAV变风量系统

在明确了业主对本项目的定位后，如何选用一套合理的空调末端系统，显得尤为重要。鉴于国内外大中城市高端甲级写字楼空调系统实际工程经验，设计院和甲方对本工程空调末端系统采用VAV变风量系统，持一致意见。但就VAV变风量系统如何结合本项目实际情况，进行方案优化，设计院和业主进行了深入的沟通和交流。最终确定空调末端方案为：单风道VAV变风量末端+外圈地板嵌入式对流器（只制热不制冷）。下面两张附图为此空调方案的冬夏季房间气流组织示意图。

此方案最大的优点：①因末端采用了无动力的单风道VAVBOX，在保证房间舒适性的同时，夏季房间内无风机噪音，静音效果好。②冬季外区利用地板对流器加热玻璃幕墙，热空气从下往上，加速空气对流循环，气流组织好，舒适性高。③相比较常规的外区风机动力型双风道系统可以减小“再热”影响，节能性更好。④非工作时间或夜间值班采暖时，只需要开启地板对流器系统进行采暖，整个空调采暖系统可以关闭。⑤过渡季节或初冬时，可以利用温度较低的室外新风直接送风供冷，不需要开启制冷设备。

4、末端系统控制

（1）房间室内温度控制

房间内墙上设置温度控制器。温度控制器通过与其自身连接的温度传感器，感知房间温度，与房间设定温度值进行比较，发出信号至末端控制器进行判断和处理，末端控制器发送指令分别控制内外区VAVBOX的风阀开度，从而控制房间的送风量，以实现房间室内温度控制。当冬季房间外区需要供冷，内区需要供热时，空调机组采用制冷模式运行。外区的VAVBOX以恒定的最小送风量运行，并保证最小新风量要求。外区的嵌入式地板对流器通过温控器对供热水管上的电动调节阀进行调节，以控制对流器的出风温度，对流器承担外区围护结构热负荷及外区最小新风“再热”负荷。当内外区VAVBOX均以最小送风量运行时，房间温度仍过冷或者过热。空调系统将通过空调机组冷热盘管上的空调水管阀门开度来实现机组出风温度的条件，以实现房间室内温度控制。

(2)空调机组的送风量及送风温度的控制

空调机组送风量控制采用定静压控制方式，在送风主管上某一点处装设静压传感器。当室内VAVBOX因负荷变化自动调节风阀开度导致整个空调系统管网出现压力波动。送风主管上的静压传感器感知压力变化，并输出信号，将信号传送至自控系统的DDC，自控系统DDC通过判断管网压力变化情况，来对空调机组风机的变频器进行调节，通过改变风机的电机转速实现送风量调节，保证管网压力恒定。同时系统也可以通过改变空调机组冷热表盘回水管的电动调节阀的开度来调节机组送风温度。

（3）系统新风量的控制

超高层往往因建筑立面及新风竖井等土建条件制约，无法实现全新风送风，本工程新风量最大取送风量30%。当夏季供冷室外空气的焓值是比夏季室内设计状态点的焓值要高时，系统按最小新风量运行。如果室外空气的焓值比室内设计状态点的焓值要低时，就要加大新风量运行。当取最大新风量运行时，送风温度还是大于设定温度，就要运行冷冻水系统进行供冷。在冬季，优先利用室外新风来带走室内冷负荷，当最小的新风量运行时，送风温度还是小于设定温度，就要运行热水系统进行供热。

五、结论

VAV变风量系统是目前比较先进的空调系统，主要体现在它相对于定风量系统更舒适和更节能。但其也有系统相对复杂，技术含量较高，后期调试困难等因素，要求设计师和业主在前期就必须确定一个合理的系统方案。本文对VAV变风量系统各种常见的方案组合进行了归类总结，并结合实际工程案例，阐述了VAV变风量系统在北方项目中的实际应用。