办公建筑空调水系统形式分析

董文霄

奥雅纳工程咨询（上海）有限公司

0 概述

两管制空调水系统与四管制空调水系统均为办公建筑常用系统形式。四管制空调水系统设置冷水回路和热水回路，两管制空调水系统则是冷、热水合用回路。

两种水系统的区别主要体现在冬季用途。四管制空调水系统可在冬季为存在空调冷负荷的室内区域供冷（包括为内区供冷及为冬季出现冷负荷的外区供冷，具体详见文献[1]）。两管制空调水系统在冬季仅能供热。其余季节两者区别不大。四管制空调水系统能够获得更好热舒适性的主要原因也在于此。

四管制空调水系统与两管制空调水系统相比，增加了水管道、空调箱及末端设备热水盘管，从而增加了空调系统的初投资。

此外，空调系统运行过程中，如果室内末端采用变风量空调系统和常用的内外区合用空调箱方案，则送入室内的一次风为经过冷却处理的冷风，冬季需要供暖的外区末端设备要利用再热盘管对冷风进行加热，因此产生一部分再热能耗。再者，两管制空调水系统不需考虑冬季制冷，而四管制空调水系统需在冬季提供冷冻水至室内，从初投资和运行费用，四管制空调水系统投入更大。

就具体项目而言，选取空调水系统即是对室内热舒适性、系统造价和运行费用之间的取舍。

本文以南京市一幢超高层办公建筑为例，主要分析以下几方面内容：

（1）冬季外区空调冷负荷大小及分布时间

（2）空调系统初投资增加情况

（3）空调系统运行能耗增加情况

1 项目概况

本项目为南京市一幢超高层办公建筑，高190m，共40层。裙房1-4层为办公大堂、商业、多功能厅等，其余各层均为办公标准层，标准层面积约2 000m2。办公层外围护结构为全玻璃幕墙。

标准层夏季空调冷负荷为210kW，热负荷为118kW。

项目采用区域能源站作为空调冷热源，供冷及供热单价均为0.65元/kWh。

办公标准层采用变风量空调系统、内外区合用空调箱的方案，每层设置两台空调箱。

标准层室内进深为10～11m，选取距离外墙4m的范围为空调外区，并按朝向将外区进一步分为四个独立区域。电梯厅及卫生间均采用风机盘管设备，见图1。

图1 标准层空调区域分区图

2 冬季空调负荷分析

2.1 室内外参数

2.1.1 室外气象参数（见表1）

表1 室外气象参数（南京市）

2.1.2 室内设计参数（见表2）

表2 办公区域室内设计参数

2.2 分析方法

本文采用IESVE 2018分析办公标准层空调负荷，玻璃幕墙传热系数为1.8W/m2·K，SHGC值为0.30。

办公内区全年空调负荷稳定，且均为冷负荷。本文只计算各个不同朝向办公外区的空调负荷，且仅当太阳辐射得热量大于外围护结构散热量时室内照明及设备得热造成的空调冷负荷。

2.3 冬季外区空调负荷分析

图2反映了各个朝向的外区空调负荷全年分布情况。

图2 外区空调负荷全年分布图

从图2可发现，即使在冬季，外区仍存在一定量的空调冷负荷，空调冷负荷分布情况是决定冬季是否需要供冷的重要指标。

11月到次年3月为传统意义上的供热季，图3反映了这五个月各个朝向的外区空调冷负荷存在的时间比例。

图3 冬季各朝向房间供冷时间比例

通过图3可发现，11月及3月供冷负荷与供热负荷交错出现，即使在深冬时节（12月～次年2月），东南及西南朝向的外区仍存在冷负荷，冷负荷出现的时间比例为5%～15%。

同时，冬季外区表现出各朝向不同时发生空调冷负荷的特点。以12月25日为例，见图4。

从图4可发现，各个朝向的外区不同时发生空调冷负荷。同一时刻，只有一个朝向的外区有供冷需求，其他外区仅有供热需求。可以想象一下，如果此时空调箱供热，即使外区的VAV（变风量）末端设备送风量已调整为满足新风量要求的最小风量，仍将有大量的热空气送入室内，增加需要供冷外区的空调冷负荷，造成室内温度升高。

因此，从冬季空调负荷分布情况看，外区需要同时具备供冷及供热的功能方能满足室内负荷需求，即需采用四管制空调水系统以满足冬季室内热舒适需求。

图4 12月25日外区各朝向负荷情况

3 系统造价及运行费用增加情况

3.1 系统造价

与两管制空调水系统相比，四管制增加以下造价：

（1）水系统管路造价：增加空调热水立管及每层热水环管。

（2）末端造价：两管制空调水系统外区末端可采用单风道设备，四管制空调水系统采用带再热盘管的风机动力型末端，同样风量下，风机动力型末端价格约为单风道型末端价格的两倍。

（3）空调箱造价：空调箱需加装热水盘管。

两种水系统造价及运行费用见表3。

表3 两种水系统造价及运行费用

3.2 运行费用分析

3.2.1 能耗分析

两管制空调水系统冬季时仅需提供满足室内热负荷的热量即可。但四管制空调水系统在外区末端设置再热盘管，冬季时，冷热源系统首先将室内空气冷却至一次风送风温度，当外区某朝向需要热负荷时，该朝向的再热盘管再将一次风加热至室内设定的送风温度。这一过程增加了以下两个方面的能量投入：

（1）将室内空气冷却至一次风送风温度所消耗的冷量。

（2）将一次风加热到室内设定的温度时所消耗的再热量。

3.2.2 能耗简化计算

为方便两种水系统能耗分析，计算过程简化如下：

（1）冬、夏季内区空调冷负荷近似，仅室内人员散热的微小差别，故取相同的空调箱送风温差。

（2）当任一朝向外区出现空调热负荷时，则此区域所有末端的一次风均设定为最小送风风量，同时启动末端风机。当外区为空调冷负荷时，停运末端风机，由一次风负担室内全部冷负荷。

（3）冬季外区最小送风量按满足新风量要求设定。

（4）冬季空调新风由避难层新风热回收机组统一处理至室内等焓点后送入空调箱。

（5）空调箱提供的冷量为“室内空调冷负荷+再热量”。

3.2.3 结果分析

经计算，本项目冬季（11月～次年3月）办公标准层累计空调热负荷为56 898kWh，累计总再热量为44 060kWh；外区累计空调冷负荷为13 816 kWh；内区累计空调冷负荷为91 080 kWh。与两管制相比，整个冬季标准层采用四管制空调水系统所增加的运行费用约为9.7万元，包括内区供冷和外区供冷，其中外区供冷增加的能量为57 876 kWh，费用约为3.8万元。

4 结论

从上述分析和冬季空调冷负荷分布情况看，办公建筑在冬季确存在供冷需求，与高层、超高层办公建筑使用经验相符。因此，从保证办公建筑室内热舒适性考虑，确需采用四管制空调水系统。因此，目前采用四管制空调水系统的办公建筑日益增多。

但需注意，四管制空调水系统初投资和运行费用较高。对具体项目而言，需结合项目定位及当地空调系统发展趋势等综合考虑并确定最终系统形式。