上海办公建筑内区免费供冷系统的适用性分析

杨振晓

宜昌市城市规划设计研究院

随着近年来大型办公建筑的快速发展，具有较大进深的办公建筑内区冬季对供冷的需求也越来越大。这些内区的冷负荷具有比较稳定且负荷较小的特点。如何利用较为节能的技术进行建筑内区供冷已经成为降低此类建筑能耗的重要方法。新风免费供冷技术和冷却塔免费供冷技术在该类型建筑利用的概念由来已久[1]。将自然冷源与实际建筑结合起来，可提高室内的热舒适性，改善室内空气品质，降低建筑能耗。

1 常用免费供冷形式介绍

1.1 冷却塔免费供冷系统

冷却塔供冷系统主要包括闭式冷却塔直接供冷系统和开式冷却塔+板式换热器间接供冷系统两种形式。开式冷却塔直接供冷系统由于存在着较大的水质问题而不建议推广。而闭式冷却塔直接供冷系统由于冷却水与空气不直接接触，冷却水在盘管内部流动，盘管外部进行水喷淋，空气流动使盘管上面的水蒸发冷却，将热量带走，不存在上述问题[2]。但与开式冷却塔相比较，冷却效率较低。开式冷却塔+板式换热器间接供冷系统的冷却水环路和冷冻水环路由板式换热器隔开，由于增加了板式换热器，从而降低了换热效率，且系统形式较为复杂。但该系统供水稳定可靠，并可利用夏季与冷冻机配套的冷却塔兼做免费供冷。冷却塔供冷时，系统中的水泵继续运行。

1.2 新风直接供冷系统

新风直接供冷系统是指在过渡季节或者冬季，由于室外新风的焓值低于室内空气焓值，利用新风作为冷源直接送入室内消除冷负荷的系统[3]。该系统具有以下特点：1）全新风或者新风风量的增加，可以提高室内空气品质。2）初投资增加较小，仅需要校核送、排风管管径大小和空调机组容量。3）室外新风焓值不断变化，对控制系统要求较高。（4）冬季新风温度较低，不宜直接送入室内，宜与回风混合后送入室内。5）利用免费供冷，没有增加额外用电设备，运行费用较低[2-3]。

2 上海地区办公建筑内区免费供冷适用性分析

2.1 上海地区办公建筑内区负荷特性分析

以上海地区某超高层办公建筑标准层为载体进行计算分析，该项目由2 幢超高层办公楼和4 幢商业楼组成，取其中一栋办公塔楼进行分析，办公塔楼共21 层，1-2 层为挑空门厅，3-21 层为办公层，本项目冷热源由能源中心供应，夏季仅供冷水，冬季仅供热水，区域集中供冷、热采用两管制输送方式。办公层平面玻璃幕墙至核心筒距离为11 m，每层办公内区面积约为800 m2，存在较大的内区。该办公区域内外分区，采用VAV 空调系统，根据室内负荷调节风量。由于内区不受室外气温及太阳辐射的影响，主要负荷由照明负荷，办公设备负荷和人员负荷构成，冷负荷较为稳定。考虑该办公建筑自动化程度较高及人体对于热舒适性的要求，其主要设计参数如表1：

表1 主要设计参数表

根据ISO7730 标准对从事轻的主要是坐着的活动（如办公室工作）给出的热舒适性范围和ASHRAE Standard 中关于穿着典型夏季和冬季服装进行轻体力活动或者处于静坐状态的人可接受的作用温度和湿度的范围。选取冬季室内舒适性的温度范围为20°C～26°C。舒适性空调室内舒适性湿度范围为40%～60%。

经过焓湿图计算，办公内区空调箱送风量为13200 m3/h，最小新风量为4000 m3/h。冬季时，室内外温差较大，由于夜间气温较低，早上日照较少，故冬季内区存在蓄冷负荷，上海地区室内蓄冷负荷为53 W/m2，刚上班时内区需要空调加热来保证人体的舒适性，随着内区热负荷全部消除，照明，人员和设备发热量产生冷负荷时，开启免费供冷系统。此次计算考虑一般上班时间为9:00，运行管理人员在上班前一段时间内开启空调，消除蓄冷，考虑最不利情况，免费供冷开启时间为9:00-18:00。考虑冬季供暖时间为11 月15 日-3 月15 日，周一至周五。办公建筑内区冬季供冷时间共计860 h，标记为0～860 h。

2.2 冷却塔间接供冷系统适用性分析

在空气与水接触的时间无限长，冷却塔尺寸无限大的理想情况下,冷却塔出口水温可以降到空气湿球温度。实验表明：冷却塔出口冷却水设计温度一般比空气湿球温度高3～5°C。一般板式换热器温差（冷却水入口端与冷冻水出口端的温差）约为2～3°C，有的是1°C多。

采用冷却塔供冷在本工程中的焓湿图如图1，在焓湿图上标出冬季室内空气状态点N，室外空气状态点W，室内回风和最小新风在空调箱内混合到M 点，经过冷却水在换热盘管中降温至送风状态点O，沿热湿比线ε 送入室内。

图1 冷却塔免费供冷焓湿图

内区负荷由冷却塔和新风共同承担，新风量为满足室内空气品质要求的最小新风量，新风消除部分内区负荷，剩余负荷由冷却塔免费供冷系统承担。由于受到冷却水温和所需送风温度的限制，当冷却水温小于所需送风温度时，冷却塔免费冷却装置开启运行。根据中国气象局信息中心和清华大学联合编写的《中国建筑热环境分析专用气象数据集》可以得到上海地区办公建筑供暖时段的860 h 的室外空气湿球温度统计如表2 所示：

表2 室外空气湿球温度统计表

经计算，利用冷却塔供冷却水来处理空气达到消除内区负荷的小时比例为64.2%，送风温度范围为12.45～22.55°C。即当湿球温度小于7.4°C时，在最小新风量的情况下，开启免费冷却装置达到消除内区负荷的目的。其逐时温度参数如图2：

图2 冷却塔供冷逐时温度

2.3 新风直接供冷系统

该办公建筑采用内外分区的空调系统，且内区采用VAV 系统。这为在冬季，利用室外新风消除内区冷负荷提供了便利。

由于送风管管道规格按照新风量+回风量的总风量进行设计，在冬季免费供冷时，通过引入室外新风即加大新风量的方式消除内区冷负荷，可相应的减少回风量，保持总风量不变，不需要重新设计管道。同时，新风量的增加还可以提高室内空气品质。但是，高层或者超高层建筑新风井一般位于核心筒内，故采用新风直接供冷时需考虑加大新风井和排风井所需要的建筑面积，在评估新风消除办公内区冷负荷所带来的经济效°C与建筑面积减少所带来的经济损失后，方可决定是否采用加大新风的方法进行冬季内区免费供冷。

考虑到室内气流组织状况和人体热舒适性的需求，送风温度不能太低，当送风温度逸12°C时，可直接送入室内[4]。为了增强室内的舒适度，可以对送风进行加湿。新风免费冷却的焓湿图如图3 所示，在焓湿图上标出冬季室内空气状态点N，室外空气状态点W，室内回风和最小新风在空调箱内混合到M 点，经过常用的湿膜加湿至送风状态点O，沿热湿比线ε 则送入室内。

图3 新风免费供冷焓湿图

所需要新风量：

式中：Q 为室内内区显热，包括灯光照明，设备发热，和人员显热负荷，kW；VX为新风送风量，m3/h；ρ 为空气密度，1.2 kg/m3；c 为空气比热，1.01 kJ/(kg·°C)；驻h 为室内外空气焓差，kJ/kg。

回风量为空调箱总风量减去消除内区负荷所需要的新风量VX，得到室内回风量为Vh。送风温度可以有式（2）得到：

式中ts为空调送风温度，°C；VX为新风送风量，m3/h；tX为新风送风温度，°C；Vh为新风送风量，m3/h；th为新风送风温度，°C。

假如送风温度小于12°C，或所需新风量大于空调箱的总风量时，标记送风温度和新风送风量均为零，表示此条件下新风直接送入室内不满足人体热舒适性的要求或者是空调箱总风量小于所需新风量要求，经过计算，可得出逐时送风温度和逐时新风送风量如图4 和图5：

图4 送风温度

图5 新风送风量

根据中国气象局信息中心和清华大学联合编写的《中国建筑热环境分析专用气象数据集》可以得到上海地区办公建筑供暖时段的860 h 的室外空气焓值统计如表3 所示：

表3 室外空气焓值统计

在冬季内区供冷时段（860 h），空调箱定频运行，新风送风总量小于空调箱总送风量，且新风与回风混合后送入室内时，送风温度大于12°C的小时比例为89.8%，送风温度范围为12～19.1°C，新风送风量为5.5 m3/(h·m2)～16.4 m3/(h·m2)。当 室 外 焓 值 小 于30 kJ/kg 时，可以直接利用室外新风送入室内，消除内区负荷。按照人员密度计算办公建筑的新风量一般为3.75～10 m3/(h·m2)。一般办公建筑的内区的换气次数为15～24 m3/(h·m2)，所需新风量小于空调箱总风量。假如室内设计状态点为26°C，50%时，小时满足比例可达100%。故上海地区应用新风直接消除内区冷负荷的方案是可行的。采用空调箱消除室内负荷，只需增加新、排风管井面积就可以满足冬季内区冷负荷需求，本项目中采用最小新风量的新、排风管井面积分别为0.2 m2和0.16 m2，满足整个供暖季所需最大新风量时的新、排风管井面积分别为0.5 m2和0.4 m2，总增加面积为0.54 m2。规范《上海市工程建设规范公共建筑节能设计标准》DGJ108-107-2012 中4.3.4 规定：服务于人员密集的大空间和全年具有供冷需求的区域的全空气定风量或变风量空调系统，可达到的最大总新风比宜不低于70%。取最大新风量为总风量70%时，在冬季内区供冷时段（860 小时），小时满足比例为66.3%。利用新风进行直接供冷需要进行加湿，所需加湿量比最小新风量运行时大，考虑新风加湿为湿膜加湿，估仅需增加填料面积和循环水泵流量，能耗增加不大。

3 上海地区办公楼内区免费供冷的经济性分析

冷却塔间接供冷系统需要增加一台板式换热器，假设冷却塔、冷却水泵和冷冻水泵为与夏季冷冻机合用的设备，不属于增加的初投资，则增加的设备及控制系统初投资为50 万元。考虑冷冻机COP 为5，上海地区9：00-18：00 平均电价为1.08 元/kWh，该办公塔楼供暖季可节约运行费用145，000 元，投资回收期约为3.45 年，投资回收期较长。新风直接供冷系统仍然利用原用空调箱进行新风送入内区供冷，初投资几乎不用增加，但是会增加送风管道和排风管道的面积，考虑核心筒范围内空调机房面积，假如对空调机房进行有效利用，可以满足新、排风风量所需要的管井面积。与常规制冷相比较，该办公塔楼每个供暖季可节约运行费用241，300 元；与冷却塔免费供冷系统比较，该办公塔楼每个供暖季可节约运行费用96，300 元。

4 结论

对于办公建筑，冬季内区负荷采用新风进行消除，小时满足率可以达到89.8%，且节能效果显著，在有条件加大新、排风管井或者空调机房靠外墙的项目建议使用。在建筑采用了两管制，且冬季无法供冷水的项目中，此方法为消除内区负荷有效方法，且可以提高室内空气品质。冷却塔免费供冷技术由于上海地区白天湿球温度较高，导致冷却水水温较高，对于内区负荷需要的送风温度不能满足，小时满足率仅有64.2%。建议可以作为此类建筑的辅助供冷，在冬季内区可以与冷水供水装置并联，优先采用冷却塔供冷，达到节能的目的，但此系统需要增加初投资，投资回收期较长，故可以根据具体项目进行分析其适用性。