疫情期间超高层建筑暖通运行研究

2022-01-25上海中心大厦世邦魏理仕物业管理有限公司上海200121

建筑科技 2021年6期

孙建（上海中心大厦世邦魏理仕物业管理有限公司，上海 200121）

2020 年 1 月，新冠疫情爆发，全国各地很快纷纷宣布启动重大突发公共卫生事件一级响应机制，各项最严的联防联控措施立即展开，很快专家即宣布新冠病毒和 SARS 病毒一样能通过气溶胶传播，这意味着作为人员密集性场所的写字楼、购物中心、酒店等场所的中央空调系统面临着防疫的最大风险和挑战，一旦控制不当会存在交叉感染，疫情扩散的风险。

超高层建筑由于其自身空调设计的原因更是首当其冲，其在设计中会考虑到高度产生的风速影响、烟囱效应以及安全等原因，较少地采用可开启窗的设计，这使得整个大楼的玻璃幕墙基本处于完全封闭的状态，为满足 GB/T 18883—2002《室内空气质量标准》规定人均新风换气量≥30 m³/h，通常会采用设备层增设新风和排风的方式为室内补充新鲜空气，减少各种苯、甲醛等有害物质对健康的损害，并且通过有组织的气流运动，从而实现改善室内空气质量的目的，也就是说疫情期间一般的超高层建筑无法满足关闭空调，仅开窗通风的要求，这样超高层建筑中的暖通设计以及疫情期的运行策略将很大程度上决定了该大楼是否能安然度过疫情。

1 疫情下超高层建筑中暖通系统的基本现状及隐患

超高层建筑中空调系统比较常用的有 2 种：风机盘管加新风系统和全空气系统。而全空气空调系统作为目前高层建筑办公采用最多的空调形式已基本取代了传统的风机盘管加新风的设计，大部分采用了热回收新风机组为新风来源，楼层采用空气处理机组（Air Handling Unit，以下简称 AHU）加末端空气变风量空调(Variable Volume Terminal Unit，以下简称 VAV) 的系统运行形式，上海中心大厦办公也遵循此设计。此类集中式全空气空调系统完全能满足办公楼的空调需求，并在节能以及空气质量的保证方面表现突出。

全空气中央空调系统的好处还在于末端不会有水系统的跑冒滴漏及冷凝水产生从而影响客户，也可以有效处理回风的污染，但是正是全空气系统的回风会导致空气中的病菌通过循环造成交叉感染的风险。一旦建筑物内有疫情发生，中央空调系统的不当使用将会造成非常严重且不可挽回的损失。

2 暖通系统在疫情期的运行策略及可能遇到的问题

疫情发生后，上海市疾病预防控制中心第一时间发布《关于下发上海市新型冠状病毒感染的肺炎疫情防控集中空调通风系统使用要求的通知》，明确为有效预防和控制感染的发生，避免人员集中场所的新冠病毒通过集中空调通风系统传播，对各种场所的集中空调提出了使用原则，其中对办公场所中采用全空气空调通风系统的空调区域，要求原则上暂停使用，如需继续使用必须加大新风量，并关闭回风，同时开启相应的排风系统，并适当开启外窗加大通风有效性，使系统处于全新风运行模式，这其实就是为采用集中式全空气空调系统规定了疫情期的运行策略--全新风模式运行。

但由于设计原因全新风模式并不适用于大部分的全空气空调系统，通常会产生以下一些问题：

（1）新风量不够，通常为了节能，楼层的设计新风量通常以最小新风量 30 m³/h·人取值，而高档办公一般以 8 m2/人为标准设计参考，总设计量有限，实际办公室人员密度较大，一旦关闭回风，全新风的状态下无法保证房间内空调的舒适度。

（2）超高层建筑普遍缺乏可开启外窗，排风设计量按新风量总量的 75%～95% 系数设计，新风量小排风量也必然偏小，无法保证楼层换气次数。

（3）AHU在切断回风仅靠新风供应的情况下，风机的频率很难控制在低频率的状态下长期运行，需要把频率及出风量调整至与新风量相近，比较困难，处理不当易造成机房门缝漏风、啸叫情况等。

（4）同样必须保证新风机及AHU的消杀以及各空气处理装置的有效运行，高效的日常处置维护能力及 BA 操作人员素质要求极高。

（5）全空气系统回风管未设计回风箱直接接入 AHU 机组，而是回风管只连接至机房隔墙处，靠机房的密闭空腔原理回风至 AHU 机组，回风管手阀在租户区内操作难度大无法关闭，只能人为封堵机房内的回风口，工作量较大。

3 案例分享

3.1 防疫期间的全新风模式运行前的准备工作

（1）紧急成立疫情疾控处理小组。2020 年 1 月 20日，疫情开始初期，当上海市卫健委发布通报，上海中心大厦就开立即成立了暖通疾控小组专门负责在疫情期间的暖通专业的各项防控工作，并在第一时间制定为全面实行全新风运行模式的紧急计划及措施。

（2）紧急采购防疫物资。疫情期间各项防疫物资势必为炙手可热的采购对象，为了保证大厦空调设备的定期消毒，采购消毒剂、清洗剂和员工所需口罩为重中之重，没有相关物资的存贮，后期的疫情防控和空调箱过滤率网等重要部件的消毒也将是空谈。

（3）紧急制定空调设备维护消毒计划。完善可行的计划离不开详细的日常设备台账，根据上海中心办公租户的入住情况及设备运行情况进行排查，在 2 周内有针对性的对204 台 AHU 空调箱及 36 台 HRU 全热新风机的过滤网、中效电子净化器、纳米光子、蒸汽加湿器等设备分批进行维保消毒工作。

（4）人工关闭回风。全新风模式运行前，必须保证进入机房内的回风管完全封堵，空调箱回风口帆布封堵；打开所有新风手阀，保证新风阀门全开启用状态。

3.2 上海中心大厦全空气系统设计分析

上海中心大厦的 AHU 分别设置在各自楼层的机房或相邻的设备层中，新风经设置在各区设备层的热回收型新风处理机组集中处理后送至各自楼层，新风处理机组一般均为双风机热回收机组，内设转轮式全热回收器，可以有效回收排风的能量。新风处理机组内设置干蒸汽加湿器可以对空气进行加湿处理，在空气净化方面，AHU 通常会分别设置初效滤网、中效静电除尘装置以及纳米光子杀菌装置等空气处理段，新风机组的分级采用变频控制，可以根据房间内的 CO2浓度调节新风量，达到节能目的，但当新风量达到房间的最小新风量时，则需要维持在最小新风量，保证房间的最小换气次数。办公区空调系统通常划分为内外区，内区常年供冷，一般采用单风道式变风量末端装置，外区可以根据室外气候变化和负荷变化对供冷或供热模式进行调节和转换，通常采用带热水盘管加热的并联风机动力型末端装置。

上海中心大厦的办公楼层分 6 个区，因整体建筑结构的设计，每个区的建筑面积是由下往上逐渐递减的，故而每个区的新风量、排风量、空调箱 AHU 的设计风量包括数量也是各不相同，这对于全新风的运行策略计算和管理带来很大的难度。

通过以上设计分析为了更好说明上海中心大厦新风引入的路径，以 2 区办公楼层为例，做了一张全空气系统路由示意图作为全新风策略的参考，详见图 1。

图1 上海中心大厦全空气系统示意图

3.3 全新风运行策略说明

（1）原设计新风及排风与实际需求对比分析。以办公2 区为列，办公楼层为 12 F，竖向为 4 路新风和 2 路日常排风。原设计系统为每层设置 4 台 AHU 空调机组，除了 8 F AHU 二台设计风量为 20000 m³/h 和 33000 m³/h，其余楼层都为 25000 m³/h。设备层 7 F和 20 F 各设置 3 台 HRU 全热转轮热回收新风机组，共计 6 台，新风机和排风机单台设计风量分别为 27200 m³/h 和 25500 m³/h，总设计新风量为 163200 m³/h，排风量为 153000 m³/h，排风为新风量的 94% 取值，微正压。原设计院系统图设计风量为除了 8 楼每台 AHU 供应新风 3450 m³/h 外，其楼层都为3390 m³/h，而每层仅有的 2 个日常排风口风量除了 8 楼为4800 m³/h，其余为 4610 m³/h，整个区的设计排风量远远＜HRU 机组排风最大值，以上为设计参数，但往往设备实际选型上参数都会放余量，通过现场实际的设备选型参数对原设计参数进行调整也是必须要考虑的。

2 区的每层的租赁面积为 3500 m2左右，按照 8 m2/人的人员密度，一层的入驻人数大致为 438 人，按照所需新风量为 30 m³/h/人计算，一层所需新风量为 13140 m³/h，而设计新风量为 3390 m³×4=13560 m³/h，设计新风量可满足需求。但在实际入驻租户中存在一个楼面 800 多员工的情况，新风量按照原设计值供应是远远不够的。此时必须考虑根据每个楼层的实际入驻租户员工人数调整个楼层的新风量供给。

楼层新风量测算及新风机组运行策略。为了更好的分析每个楼层每台空调箱服务区域的新风量需求，需要对办公楼层的实际使用面积，租户人员数量进行相关统计，保证新风量供应的准确性和可操作性，详见表 1。除去未有租户的楼层关闭新风外，其余楼层需求新风量需要对比最低风机频率极限 20 HZ 情况下的实际风量（现场情况测定＞5000 m³/h）从而综合判定每台 AHU 的新风量共给，通过计算分析和总结最后决定以5000 m³/h为标准线进行分配新风，即新风需求＜20000 m³/h 的楼层以单台 AHU 供应 5000 m³/h 设置，新风需求＞20000 m³/h 的按照以单台AHU 供应 8000 m³/h设置。在 6 台新风机组全开的情况下满足全新风运行的策略。

表1 租户楼层所需新风量统计

（3）调整新风量的方法。开启所有 6 台新风机组送风机和排风机，频率强制 50 HZ 最大风量运行，关闭转轮热回收装置，防止疫情期间因排风漏风等问题污染新风。开启AHU 机组，根据实际新风量调整 AHU 频率，使 AHU 的系统实际风量最大可能的接近于进入机房 AHU 的新风量显示数值。

关闭空置单元 AHU 机组及新风阀，在满足设计标准最小新风量的基础上针对人员少的楼层的通过 CO2浓度设定值调节或者手动新风阀开度的方法降低新风量，将多余的新风最大限度的供给人员密集的办公租户楼层，此工作量相对于超高层建筑来说工作量巨大，但也是响应防疫指导文件要求，满足租户正常新风量供给保证和空调温度保证的必要工作。

待调试 HRU 新风机组风机频率、AHU 频率，AHU 送风压力，末端变风量 VAV 的实际风量满足全新风运行的基本条件，全新风运行模式就正式启动了。解决了新风问题，室内的温度也是需要尽快调整的，HRU 的新风的送风温度设定值也需要随季节的变化进行相应的调整，在日常的操作和观察中发现冬季新风温度设 22 ℃，过度季设 18 ℃ 为较理想的设定温度。由于办公区域分内外区，冬季外冷内热，过渡季和夏季内外都需要制冷，单靠新风负荷无法完全消除内区的室内过热量，还是需要靠 AHU 空调箱的冷水盘管将新风温度进一步降低冷却，才能满足室内温度要求，但由于AHU 回风封堵，传感器无法读取准确的回风温度，AHU 风阀和水阀都无法根据实际情况自动调节，只能将末端的 VAV风阀开度强制 90%，BA 操作人员时刻关注租户室内温度进行远程操控干预水阀开度的方法进行温度的保障，此人为干预的操作方法可行，但需要操作人员实时调整，无论冬季还是过渡季，基本温度都可保障在 24 ℃ 左右。

关于全新风运行策略下的 AHU 机组运行状态和楼层区域室内温度的反馈可详见表 2、表 3。

表2 AHU-Z2-016-04 状态运行实测数据表

表3 对应区域 VAV BOX 运行实测数据表

（4）新风机组和排风机组的运行时间。白天全新风状态运行时间为 6:00—18:00，夜间大厦办公区空气全面换气运行，针对办公区全封闭无外窗的实际情况，夜间由23:00—06:00 对大厦办公区新风、排风设备调整启用，楼层内空调箱及 VAV 末端设备启用，加大送排风空气流动，保证换气次数≥1次/h，改善室内空气品质，同时出于节能考虑关闭热水阀及冷冻水阀，降低能耗。

3.4 防疫期间办公室 PM 2.5 及 CO2 的检测

衡量室内空气品质最关键的两个因素，PM 2.5 和 CO2。与较粗的大气颗粒物相比，PM 2.5 粒径小，面积大，活性强，易附带有毒、有害物质（例如，重金属、微生物等），且在大气中的停留时间长、输送距离远，因而对人体健康和室内环境质量的影响更大。CO2的浓度指标则反应了室内新风是否充足的，办公室内一般≤1×10-3。为了更好的验证上海中心为了防疫期间所做的所有维保消毒工作的成果，同时了解本次全新风模式运行状态下各租户区域的整体环境情况反馈，疾控小组做了为期一个月以上的定点检测，选择室外 PM2.5 的较为明显变化的时间及天数进行测试。具体数值详见表 4 与表 5。