兼顾空气品质及灵活使用的办公空调系统设计

崔大梁,杨宝军,王 震

(1.浙江绿城建筑设计有限公司,浙江 杭州 310007;2.湖州市新湾公司，浙江 湖州 313000)

目前,国内不少地区秋冬季雾霾天数明显增加,对人们的健康造成一定影响。高品质写字楼人员集中,工作强度较大,去除雾霾,提高室内空气品质显得尤为重要。此外,浙江地区的写字楼晚上及节假日加班较多,提高写字楼空调系统使用灵活性也成了衡量写字楼品质高低的一项重要指标。

1 设计背景

雾霾天气对人体健康危害很大,去除PM2.5及病菌最好的办法是采用全空气变风量空调系统,简称VAV空调系统[1]。室内回风及室外新风在空气处理机组内经初效、中效过滤器除尘,利用水-空气热交换器冷热处理后,通过风管、VAV-box送到室内。室内空气经过了不断地循环净化处理,即使室外空气的PM2.5值较高,室内空气品质仍可达到优良水平。

然而,常规的VAV空调系统有明显不足之处,即灵活性较差。当晚上或节假日加班时,集中中央空调系统需开启大型冷热源机组及加班层的全空气空调处理机组,即使采用变频技术,总体能耗仍会很高。这不符合写字楼空调系统灵活使用及节能要求。

变制冷媒流量一拖多中央空调系统,简称VRF空调系统,空调系统较小,可按功能区域设计该空调系统。当仅局部区域投入使用时,可开启对应区域的空调系统外机,空调的使用灵活性很高,并且该空调系统在部分负荷使用时能耗很低,非常适合晚上或节假日加班较多的场所。但VRF空调系统由于空调室内机空气处理能力有限,不能较好地去除雾霾等颗粒物及病菌,仅能满足最常规的冷暖要求。

笔者通过具体项目案例,重点介绍在高档写字楼内如何把常规的VAV空调系统与VRF空调系统有效结合,既能利用VAV空调系统有效提高室内空气品质的优点,又能利用VRF空调系统使用灵活的优点。既能实现写字楼室内空气高品质,又能实现部分时段加班时节省运行能耗的目的。

某高档写字楼项目位于杭州上城区滨江四号C2地块,婺江路与之江路交叉口北侧,距地铁一号线近江站直线距离约300 m,基地位置优越,环境优美。项目为一栋13层总部办公大楼及其附属配套用房,建筑高度62 m,总建筑面积55 096 m2,地上建筑面积31 822 m2。

2 空调系统设计

2.1 空调冷热源系统

经计算,该项目夏季外区总冷负荷为850 kW,外区新风冷负荷250 kW,内区总冷负荷2 050 kW,冬季空调总热负荷2 047 kW。

根据计算的空调负荷,分内外区设置空调系统：内区采用2台螺杆式冷水机组用于常年供冷,单台额定制冷量1 160 kW(330RT),冷水供回水温度7/12℃,同时设有3台变频冷冻水泵,水泵对应主机采用并联形式,两用一备。外区采用VRF空调系统,用于夏季供冷、冬季供热,VRF空调室外机设于每层设备平台。项目采用2台700 kW天然气型真空热水锅炉,承担冬季空调新风热负荷,同时可作为室内热负荷备用热源。

2.2 标准层办公区空调系统

选择典型层(6层)作为空调系统方案设计示例：6层建筑面积2 812 m2,空调系统按内外分区设置,距外围护结构3.5 m以内为外区,并将外区按东南西北四角分6个区域,外区空调面积共664 m2,内区空调面积共1 778 m2。

2.2.1 办公内区空调系统

典型层办公内区采用单风道型VAV空调系统,内区设两台全空气处理机组(KT-6F-1、2),末端设置VAV-box,每台空气处理机组新风设有两路接口：一路为平时新风,由每层独立设置的带有冷热盘管的新风机组(X-6F-1、2)提供,新风接入空调机组混合段,新风管设有电动双位阀；另一路为过渡季新风,支管直接接至室外百叶,供过渡季全新风运行使用,支管上设置电动调节阀,区域温度由VAV-box控制。空调机组及新风机组均设于两端的专用空调机房内,空调系统平面布置见图1。

由于VAV空调机组主要承担内区冷负荷(仅设有制冷水环路),系统中平时用新风机组主要承担夏季与冬季新风负荷,尤其冬季,当冬季新风热负荷大于内区冷负荷时,可避免出现内区温度偏低情况。空调季节,根据室内CO2浓度联动控制新风机组变频器,调节室内新风量,节能运行；过渡季节,根据室外新风焓值与室内焓值的比较,可切换至全新风支管系统,通过运行全新风或部分新风来承担室内内区冷负荷。内区空调系统原理见图2。

图1 标准层办公区空调系统平面图

图2 内区空调系统原理示意图

2.2.2 办公外区空调系统

为提高办公空调系统使用灵活性,满足部分时段加班时节省运行能耗的目的。办公外区采用VRF变制冷媒流量空调系统,用于夏季供冷、冬季供热以及加班时段的空调应用。该项目每层按外区分区分别设置VRF空调系统(VRF-6F-1～5),空调室外机设于每层设备平台。外区新风独立设置,每层设两台新风机组(X-6F-3、4),机组设于每层的空调机房内。工作时段,内外区空调机组均需运行；加班时段,运行外区VRF空调系统,达到节能运行的目的。为避免过渡季节新风与VRF系统能耗出现混合损失,过渡季需将外区新风冷热盘管全关,新风负荷由室内机承担。VRF空调系统平面布置见图1,外区空调系统原理见图3。

图3 外区空调系统原理示意图

2.3 办公空调水系统

办公主楼空调冷(热)水系统根据功能分两个环路,办公内区VAV用组合式空调机组为第一独立环路,常年供冷；办公新风机组及公共区域空调机组作为第二独立环路,夏季供冷、冬季供热。

3 标准层办公区空调系统全季节运行模式

办公楼周一至周五工作日的每天上午8∶00至下午18∶00为常规工作时段,除常规工作时段外,均为加班时段。笔者结合该项目案例,详细阐述标准层办公区各时段空调系统全季节运行模式。

3.1 常规工作时段空调系统运行模式

3.1.1 夏季工况

内区VAV空调机组、外区VRF空调机组以及内外区新风机组均在制冷模式下运行。

内区VAV空调机组(KT-6F-1、2)系统风量采用变静压法控制[2],并根据送风温度比例积分调节冷冻水电动调节阀。内区新风机组(X-6F-1、2)根据室内CO2浓度联动控制其变频器,调节室内新风量,节能运行。新风机组与空调机组联动控制。

外区各VRF空调系统运行时,室内机根据温度传感器监测到的室内温度调节电子膨胀阀的开度,室外机根据室内机的实际工况自动运行节能控制及启停控制模块。并采用集中控制管理系统,可在控制室对末端各组VRF空调系统进行监控管理。外区新风机组(X-6F-3、4)在常规工作时段内定频运行,送风温度控制冷热水管电动调节阀。

3.1.2 冬季工况

内区VAV空调机组在冬季切换至可变新风量模式下运行,冷冻水阀关闭,通过室外新风承担室内冷负荷,最大可能地利用自然冷源,节能运行。内区新风机组只有在冬季新风热负荷大于内区冷负荷时,为避免出现内区温度偏低情况,开启新风机组制热模式运行,提升新风温度。具体见图2。

外区VRF空调机组及外区新风机组均在制热模式下运行。外区各VRF空调系统及外区新风机组运行控制模式同夏季工况。

3.1.3 过渡季工况

在过渡季,通过室内外温度及焓值对比,当室外焓值小于室内焓值时,内区VAV空调机组可切换至可变新风量模式下运行[3],通过送风温度比例积分调节冷冻水电动调节阀,当室外温度低于夏季设定送风温度值时,冷冻水阀可关闭。最大可能地利用室外新风承担室内内区冷负荷,充分利用自然冷源,节能运行。内区新风机组只有在过渡季新风热负荷大于内区冷负荷时,为避免出现内区温度偏低情况,切换至可变新风量运行模式,具体见图2。

在过渡季,外区VRF空调机组可根据室内外温度情况确定运行模式。为避免过渡季节新风与VRF系统能耗出现混合损失,过渡季需将外区新风冷热盘管全关,新风负荷由室内机承担。

3.2 加班时段空调系统运行模式

加班时段一般是指在节假日或者正常工作日下班后时段,鉴于一般情况下加班人员少、室内空调冷热负荷具有热惰性(室内延迟过冷或过热)等特点,该时段空调系统拟采用如下运行模式。

1)冬夏季工况：关闭集中中央空调冷水主机系统、集中空调热水系统、内区VAV空调机组及内外区新风机组,仅开启加班区域所在的外区VRF空调系统及室内机。

2)过渡季工况：关闭集中中央空调冷水主机系统、集中空调热水系统、内区VAV空调机组及内外区新风机组,可根据室内外温度情况确定是否需开启加班区域所在的外区VRF空调系统及室内机。

4 结 语

通过对实际项目的设计分析总结,笔者有以下心得：

1)高档写字楼采用外区VRF空调系统与内区VAV空调系统结合应用,既能实现写字楼室内空气高品质,又能实现部分时段加班时灵活使用空调,节省运行费用的目的。

2)空调能耗在办公建筑中占比较大,要实现绿色智慧办公建筑,应切实做好空调系统的自控设计及系统的运行调试。

3)设有内外区空调系统的项目中,应设置零能耗带,以避免内区混合损失,总结可采取以下措施：

①外区设定温度尽可能比内区低1℃～2℃；

②适当降低内区空调系统送风温度,控制内区换气次数；

③防止冷、热末端选型过大；

④适当采用前馈控制。温度传感器设置时,避免内区传感器设在外区热风侵入处；外区温度传感器设在内区冷风侵入处或窗边冷空气下沉处。

笔者通过实际项目的设计分享,希望能起到抛砖引玉的作用,引起业内同行共同讨论。