办公楼项目空调通风系统的精细化设计

2020-12-24蒋小易华建集团华东建筑设计研究总院上海200002

建筑科技 2020年3期

蒋小易（华建集团华东建筑设计研究总院，上海 200002）

1 办公楼项目空调通风系统精细化设计探讨

1.1 办公楼项目对空调通风系统精细化设计的需求

当前，随着办公楼项目越来越成熟，开发商已经从单纯的商业开发到对如何为入驻办公人员提供更舒适安全的办公环境、个性化需求和节能等方面提出了更高要求。办公楼的空调通风系统设计虽然已经比较成熟，但对于在运营中经常会出现的问题，希望设计阶段就能先行思考，从而提供精细化设计。

1.2 办公楼项目的空调通风系统精细化设计

目前，办公楼项目主要有两种形式：纯办公大楼和带商业裙楼的办公建筑。笔者较多地参与了这两类办公楼项目的暖通空调设计，根据对这些办公楼项目建成运营后的实地考察和反馈，特别是项目物业公司集中反映的情况来看，合理的冷热源选择、简洁有效的节能措施是当下办公楼项目最需要关注的。另外，当下的办公楼项目需要满足越来越多使用者诸如使用时间和空调通风形式等个性化需求，个性化的空调和通风系统末端也越来越受物业公司和使用者青睐。

在办公楼项目设计过程中，诸如大堂空调效果、内外区冷热舒适性不佳等老生常谈问题，需要通过具体项目的精细化设计来解决。实用有效的空调通风节能措施一直是建造方和运营方关注的问题，他们现在更关注这方面的投资效益。今年初爆发的新冠肺炎疫情，让越来越多使用者更加关注办公环境的健康安全，也对当下办公楼项目空调通风系统的精细化设计提出了更高要求。

2 应用实例

2.1 项目概况

某办公楼项目位于上海新天地附近，为 1 栋 135 m 高的甲级办公楼，地上共 27 层。其中， 1～3 层为配套商业、4 层为商务中心及设备用房，5～27 层为办公层（16 层为设备及避难层），总建筑面积 105 710 m2。其中，地上办公建筑面积 51 685 m2，地上裙房 1～3 层和地下 1、2 层商业建筑面积共 24 141 m2，地下 3、4 层车库及设备用房建筑面积 29 884 m2。

该项目虽然是一个普通的办公楼项目，但经过精细化设计，建成投入使用后，在楼内的办公人员、投资建设方以及物业管理方等都反响很好。这项目取得了较好的社会效益和经济效益，并获得了 LEED 金奖和绿色三星设计认证。

2.2 对冷热源及输配方式精细化设计的思考

(1) 根据计算，该项目峰值冷负荷为 12 950 kW（3 700 USRT），峰值热负荷为 7 100 kW。通过分析该项目使用时间的具体情况，特别是部分办公楼层加班或配套商业营业时间的特殊性，对项目的最小负荷特别是最小冷负荷做了精细分析，结果如表 1 所示。按夏季办公楼层合计 1 层加班、配套商业部分营运或者两者同时进行考虑，则项目最小冷负荷分别为 90 USRT、170 USRT 或 260 USRT。根据项目最小冷负荷需求，通过分析多家生产商提供的冷水机组在不同部分负荷时的 COP 值（表 2、表 3 为 A、B 两家生产商参数），结合经济性和节能综合考量，为满足最小冷负荷需求，选择制冷量为 300 USRT 机组，因其性能最优。最终，该项目冷源选用 4 台 900 USRT 变频离心冷水机组和 1 台小负荷时运行的 300 USRT 的螺杆机组，使冷源系统能满足项目负荷变化并做到整体能效最优化。

根据计算，该项目峰值热负荷为 7 100 kW，由 3 台 2.3 MW 燃气真空热水炉提供。

表1 某办公楼最小冷负荷

表2 A 制冷机组在不同负荷下的制冷量（USRT）和 COP 值

表3 B 制冷机组在不同负荷下的制冷量（USRT）和 COP 值

(2) 在设计方案初期阶段，确定办公区域的空调水系统均为 4 管制，后来通过对办公内区负荷的分析及对该楼物业管理公司的调研，调整方案为：办公内区变风量空调机组常年供冷，空调机组从 4 管制改为只设冷冻水管的 2 管制，详见图 1。这样既减少了投资，也方便了运营维护。冬季内区制冷的冷源采用了冷却塔免费制冷方式，即由冷却塔通过板式换热器提供，冷却塔进出水温设定为 8～13℃，板式换热器二次侧供回水温度为 9.5～16.5℃。

图1 空调末端水系统原理图

2.3 空调通风末端系统的适宜性考虑

(1) 本项目采用变风量空调系统，内外分区，每层设置 2 台变风量变频空调机组。内区设置单风道变风量末端，外区采用串联风机动力型变风量末端 FPB（热水盘管），空调机组在非峰值时风机变频节能运行。冬季室内由外区 FPB 供热，在过渡季节，针对外区的南北面可能有不同的制冷、制热要求，由外区带热水盘管的 FPB 进行加热调节，以满足在过渡季节时不同区域的办公人员的个性化负荷要求。

(2) 入口大堂空调效果的分析研究与实践。当下，办公楼入口大堂普遍都是高大空间，受经常开启外门和连通电梯厅等因素影响，空调冷热负荷变化大且内部气流组织与温度分布难以控制，特别是在竖直方向上，容易受到烟囱效应和温室效应的双重作用。同时，有大面积玻璃幕墙的入口大堂其室内热环境还存在两方面的问题：①夏季，大堂上部温度容易过高，从而影响与大堂相邻房间的热舒适性；②冬季，从大堂下部送入的热气流会很快上升，使得下部人员活动区的热环境难以得到保证。所以，对气流组织的精细化设计是十分重要的。

本项目入口大堂面积约 600.0 m2，高约 11.0 m，大堂吊顶净高约 9.5 m，相连电梯厅吊顶净高约 6.0 m。由于种种原因，大堂未设门斗，在西侧设置了旋转门，两边为平开门，因此，必须考虑到冬季频繁开启外门时室外风环境对室内温度的影响。通过 CFD 模拟，研究冬季时办公大堂在门开关过程中室内环境受室外气流的影响，通过数值模拟得出开门时（0～120 s）室内的温度场与速度场分布情况。经过多次模拟，并结合室内装修，入口大堂在吊顶下设送风喷口和在电梯厅设侧送喷口基础上，还在靠近外幕墙地板上设置了贯流式地板散热器（风口及散热器布置和气流组织情况如图 2 所示），使室内温度场趋于均衡。实际运行下来，虽然没设外门门斗，冬季主要开启旋转门时， 1.5 m 高度人员活动区域温度基本都在 20～21℃，没有出现让人感觉寒冷的区域，与 CFD 模拟结果（图 3）基本吻合。通过精细化设计，解决了大多数办公楼入口大堂使用时实际参数特别是冬季温度低于设计值的问题。

图2 大堂冬季气流组织

图3 离地面 1.5 m 处温度场（外门开启 25 s）

2.4 实用有效的绿色和节能措施

2.4.1 大温差空调冷冻水/热水系统

空调低区冷冻水供回水温度为 6～13℃，热水供回水温度为 45～60℃，冷热水均在 16 层设备层通过板式换热器进行换热，高区冷冻水供回水温度为 7～14℃，热水供回水温度为 43～58℃。冷冻水供回水温差为 7℃，热水供回水温差为 15℃。相比常规空调冷热水供回水温差分别加大了 2 K和 5 K，空调冷热水量分别减少 29% 和 33%，降低了水泵运行功率，相应地节省了管径和所占用的建筑空间。

2.4.2 空调热回收系统

办公层新风先由设在设备层（16 层）和屋面的新风机组内的新排风热回收设备进行热回收，再由新风机组的冷热水盘管处理到室内设定温度（夏季为室内等焓点，冬季先预热，再加湿到室内状态的等湿点）后，再通过每层空调机房内的变风量末端送到变风量空调机组。

2.4.3 免费供冷系统

(1) 水系统方面，采用 2 台和冷冻机相同冷量的免费冷却板式换热器，通过冷却塔免费制冷，冷却塔进出水温设定为 8～13℃，板式换热器二次侧供回水温度为 9.5～15.5℃。板式换热器一次侧和二次侧循环水泵均可利用原冷却水泵和冷冻水泵，对于冬季内区较大的商业和办公来说，既经济，运行管理也简单，仅增设 2 台板式换热器就可省去冷冻机组的运行。

(2) 风系统方面，裙房配套商业区域在过渡季节时，因商业内区较大，当采用 AHU 全空气系统时，过渡季节加大新风量（保证 ≥70% 总风机风量），加大新风管径，使过渡季节新风风速为 8～9 m/s；当采用集中新风机组 PAU 系统时，在部分新风机组旁并联专用送风机，过渡季节时，专用送风机与新风机组联合运行加大新风供应量，经复核立管风速，可加大新风 150%，这样可以充分利用室外新风提供冷源，减少内区的供冷量。在运营后的回访中，物业部门对于过渡季节加大新风运行非常认可，并建议在做好消声前提下还可以适当再提高风速，增加新风供应。

2.4.4 室内空气品质的提升措施

(1) 高压微雾加湿系统：设置在 16 层和塔楼屋面的为办公层提供新风的集中新风机组采用高压微雾加湿系统，每台新风机组对应 1 套加湿系统并纳入机组 BA 控制范围，含软水箱和高压微雾加湿主机，并采用高效喷嘴，使加湿效率达到 70%；同时由于高压微雾加湿系统不采用循环水，降低了细菌滋生的可能，所以可以达到既节省水耗量，又保证室内的空气品质的目的。

(2) 在办公层每台变风量空调机组的回风管里安装 CO2浓度传感器，空调季节时探测室内 CO2浓度以便调节区域内新风供应量。当 CO2浓度低于设定的下限值时，关闭其中 1 个办公层排风 CAV（每层 2 个），并将新风 VAV 阀门关小，以减小新风量；如果 CO2浓度继续低于设定下限值时，关闭剩余的办公层的排风 CAV，并将新风末端 VAV 阀门继续关小，以减小新风量，但是保证室内总新风量大于总排风量，在保证室内空气品质和室内微正压的前提下，最大限度地减少新风能耗；过渡季节时，不再根据 CO2浓度传感器控制新风量，而是全开新风阀。

(3) 为提高办公环境的空气品质，空调箱或新风空调箱除采用 G 4 初效和 F 7 袋式中效过滤外，还设置了自带空气质量传感器、相对湿度传感器和臭氧浓度传感器的电极离子空气净化装置。公共卫生间设独立空气净化除臭装置的同时，在垃圾间、污泵间和隔油池间设置空气净化除臭装置及独立排风系统，且均在塔楼屋面排放，室内控制为负压，避免异味通过通风系统交叉传递。