超高层建筑物供暖及空调余热利用理论探讨

赵中强

（济南二建集团工程有限公司，济南 250021）

1 引言

在当前科学技术水平不断提高的背景下，有关超高层建筑物供暖及空调余热利用的研究也随之增多。尤其是在能源利用形势越发严峻的情况下，能源利用率的提高对于我国绿色发展理念的实施具有积极意义。随着建筑高度的增加，在超高层建筑物后期使用过程中，无论是夏日空调系统还是冬日供暖系统的运行，建筑物上下两端的温差都会逐渐增大。为解决这一问题，可以借助太阳能热利用领域中的太阳能热气流电站，在超高层建筑物中设计下部敞口的通天风井。在夏日空调系统工作期间，余热向该天井排热，冬日，热泵从天井中吸热。夏日空气向上运动，冬日空气向下运动，若超高层建筑物高度足够，那么当空气垂直向上运动时能够促使涡轮或者风机运转做功，对能源进行回收，进而起到建筑节能的作用。

2 超高层建筑供暖及空调系统余热利用原则

要利用超高层建筑供暖及空调系统余热，需要结合建筑物实际情况采取科学合理手段，在保障供暖及空调系统稳定运行的同时，提高超高层建筑供暖及空调系统的设计水平。

2.1 可行性

要有效利用超高层建筑供暖及空调系统余热，相关人员在设计通天风井的过程中要始终遵循可行性原则，只有这样才能保障后期系统余热利用效果。在此过程中需要注意的是，不仅要对建筑物供暖及空调余热进行利用，还需要对温度做到随机调节，并且不能对周边环境造成影响，保障建筑物内部的温度和湿度[1]。

2.2 经济性

在当前我国空调及供暖行业持续发展背景下，各种规格、型号的空调系统不断出现，系统所具备的功能也越来越多，各个款式的空调价格参差不齐。工作人员在针对超高层建筑供暖及空调系统余热利用问题上，需要对空调及供热系统选择科学合理的设计方案，遵循经济性原则，保障系统运行的经济效益。

2.3 可调节性

在超高层建筑供暖及空调系统余热利用中，除了要考虑方案的可行性与经济性，还需要考虑方案的可调节性。只有这样才能满足不同季节建筑物的温度需求。此外，在方案应用过程中，还需要充分考虑影响供暖及空调系统余热的其他因素，以便保障设备持续、稳定的运行。

3 超高层建筑物供暖及空调余热利用原理

夏日，在超高层建筑中央空调系统的制冷过程中，需要通过系统的冷凝效应降低室内温度，将热量直接排放到外界。要对此部分热量进行利用，可以应用上述提出的通风天井，通过气体运动过程中产生的能量推动天井内的风机或涡轮，最终实现能源回收利用。冬日供暖系统与夏日系统能量回收相似，不同的是，冬日因天井内气体下沉的关系，需要利用天井底部的涡轮或风机，而夏日是利用顶部的涡轮或风机。

4 超高层建筑物供暖及空调余热利用

4.1 超高层建筑物供暖及空调余热利用模型

某超高层建筑物高为x，在其建筑物中心位置合理设置通风天井，在天井内部设置涡轮及风机，安装部位需要结合建筑运行情况而定，通常在上下端安装，必要情况下在天井中部也会安装。在炎热天气，建筑物内部空调系统会有序运转，此时空调外机会排出室内一部分热空气，当热空气在天井中聚集到一定程度后，温度会逐渐超过周边环境温度，气体呈现向上运动的趋势，进而促使涡轮或者风机运转做功[2]。在冬季供暖系统运行时，热泵会向外排出冷气，当通风天井中的气体温度低于环境温度时，气体会逐渐下沉，进而推动下部风机旋转运行。室内温度、环境温度、空调冷凝温度、热泵蒸发温度与建筑高度的关系如图1、图2所示。

图1 夏日室内温度、环境温度、空调冷凝温度与建筑高度的关系

图2 冬日室内温度、环境温度、热泵蒸发温度与建筑高度的关系

4.2 夏日空调模式

要利用夏日空调系统余热，若需将超高层建筑物室内温度始终维持在T，设地面温度为T1，那么，在通风天井内沿着建筑物高度方向x的大气温度Tx可以用式（1）表示：

由于通风天井内的温度高于周边环境空气温度，到达一定程度后气体会向上运动，在此过程中，假设空气在高度为x处运动到x+Δx处时，空气会在膨胀过程中产生吸热现象，其吸收的热量Qx由式（2）计算[3]：

式中，Cv为空气定容比热；k为空气绝热指数；nx为高度为x时空气多变指数；Px为高度为x处的空气压力；Px+Δx为高度为x+Δx处的空气压力。

对于天井内的空气，单位质量空气上升过程中吸收的总热量为q=∑Qx，若在此过程中吸热量q要由空调放热进行补充，假设忽略空调与空气的换热温差，此时空调做功量可以用表示。若考虑单位质量气体从温度T1上升到T2，那么空调总排热为此时，空调总耗电量为其中，C为空气定容比热；P为空气压力。

天井内，气体向上运行时做的总功W=∑Wx（Wx为气体上升到高度x时的空调耗电量）。因为气体向上运动速度较为缓慢，假设忽略掉气体上升过程中的阻力以及天井出口流动的空气动能，那么，气体在整个上升过程中需要克服的重力便是理论上涡轮或者风机能够回收的功（W回收=W-gh，g为重力加速度、h为气体上升高度）[4]。

4.3 冬日供暖模式

假设冬日建筑物内的温度为T，周边环境温度T2，通风天井地面上气体温度为Tn（Tn=T2-0.0065x）。当冬日供暖系统运行后，天井内的温度逐渐降低，空气下沉，那么，从高度x到x+Δx时，会因为被压缩的缘故产生放热现象，产生的热量为:

天井内部，气体会在顶部有个降温的过程，热泵总吸热量Qhp=Q+CP（T0h-T1h）（T0h、T1h分别为天井进出口外气体温度）[5]。热泵总耗电量为高度x处的热泵总耗电量）。忽略天井两端出口处空气动能，气体在下降过程中的驱动力主要为动力，天井颞部的涡轮以及风机回收能量Wt可以表示为Wt=gh-W[6]（h为空气下降高度）。

5 结果分析

工作人员在对文中上述算式开展计算时，通常取重力加速度g为9.81 m/s2，夏日取环境温度为36℃，冬日取地面温度为0℃。此外，还需要假设夏日建筑物内温度为27℃，冬日室内温度为17℃。

在夏日，建筑物不同高度与地面温度下的能量回收率会发生变化，具体表现为高度越高能量回收率越大。此外，通风天井在运行过程中，随着地面温度的升高，能量回收最终会呈现最大值，这是因为在温度逐渐升高的过程中，天井内部气体的做功能力不断提高，但是由于空调的温度升高，空调消耗能量会更快，所以会导致能量回收率降低，进而促使回收率产生一个最大值。

在冬日，采用热泵供暖也存在最大值，与夏日相同，在冬日，建筑物的高度越高能量回收率越大。此外，在供暖系统运行过程中，温度降低时能量回收率也会出现最大值，但在高度不断增加时，回收率最大值会逐渐降低。

在此过程中需要注意的是，当天井内的空气与周边环境温差逐渐增加时，虽然能量回收率有一个最大值，但是建筑物总能耗会随着温差的增大而增大。尽管会采取能量回收手段，但仍无法有效应对该情况。这一现象说明，无论是在冬日还是夏日，空调系统与供暖系统的工作温差越小越好。但是根据当前我国超高层建筑物实际运行情况来看，温差越小，在一定程度上意味着换热面积越大，那么在建筑物建设初期成本会增加。基于此，有关人员可以通过开展技术经济评估工作，选择合适的温差。但是无论温差多少，采用能量回收装置利用供暖系统及空调系统余热都会降低建筑物能耗，并且对于建筑物结构强度也有很大好处。

6 结语

综上所述，对于高层建筑，在其底部合理设置通风天井，夏日空调系统运行过程中会不断向井中排热，而冬日供暖系统吸热，因此，会导致天井内部的空气在冬日下沉，在夏日上升。若建筑物的高度足够高，那么空气在下沉与上升过程中都会获得一定能量，进而通过天井内设置的风机与涡轮进行回收。从理论上来看这一想法是可以实现的。