上海北外滩某项目办公楼变风量空调系统设计

万 阳

上海建筑设计研究院有限公司 上海 200041

1 前言及项目概述

1.1 变风量空调系统简述

在全空气空调系统中，变风量空调系统是一种重要的形式。该系统具有优良的部分负荷节能性能、良好的室内空气品质和灵活的空调区域控制，已被广泛应用于各种国际主流的办公和商业建筑。我国在1980年代初，通过境外建筑师和机电顾问主持的项目引进了变风量空调系统，但由于当时对变风量系统性能认识不足，控制和调试技术相对落后，导致系统无法按设计要求运行。这导致当时变风量系统的应用出现过暂时的停滞。但现在随着末端设备性能的提高及自控技术的进步，变风量空调系统得到了更进一步的推广和应用[1]。

由于常规的风机盘管系统和定风量系统暴露出一些无法回避的缺点：风机盘管系统因冷凝水造成的霉菌和污染问题难以解决；定风量系统因统一的送风参数而难以满足不同房间的差异化要求；风机盘管系统和定风量系统在平面空间改扩建时适应性较差。同时，由于部分负荷运行占据了空调系统运行的大部分时间，所有减少风量，降低风机的能耗也是变风量系统的优势所在。因此作为一名暖通工程师，对变风量空调系统的设计应该了解认识并能够在实际工程中灵活应用。本文就以笔者亲身参与的工程得到的经验体会，简单介绍下变风量空调系统的设计。

1.2 项目概述

北外滩某项目西地块是一体规划建设的北外滩项目三个相邻地块中的西地块，本项工程项目位于北外滩虹口地区，基地南依黄浦江，北靠东大名路及杨树浦路，西近公平路，东侧为秦皇岛路，总用地面积为41345m2。

作为整个北外滩某项目的一部分，在西地块内共5栋商办建筑呈前后两排布置，分别为项目的13-17号楼，地上部分的总建筑面积为102713m2，5栋大楼均为办公用房，最高建筑高度约97.3m；3层地下室的总建筑面积为101083m2。其中地下二、三层为汽车停车库、冷冻机房、变配电间等设备用房；部分设置平战结合人防区域。地下一层为商业、报告厅等公共设施。

2 空调系统方案选择

针对于大、中型办公建筑中的应用，目前国内常见的空调系统有以下几种形式：

1) 全空气定风量空调系统

2) 风机盘管加新风空调系统

3) 全空气变风量空调系统

以上几种空调系统各有其应用优势及不足之处。就本项目来说，地上大楼除16号楼外均为大空间办公，中心为核心筒体，建筑体量大、平面面积大且进深深。外围护全部采用玻璃幕墙，无可开启外窗，过度季节无法开窗通风，空调系统须全年运行。业主定位为高级办公写字楼，对室内空气品质和热舒适性要求较高，也考虑到将来对大空间办公进行二次分隔，可实现区域温度可控制，故采用全空气变风量空调系统。

3 变风量空调末端的选择以及系统的确定

3.1 变风量末端设备形式

目前最常用的变风量系统末端设备有单风道型和风机动力型两种。

3.1.1 单风道型变风量末端设备

单风道型变风量末端是通过调节送风截面积来调节送入室内风量，也是最基本的变风量末端设备，其他变风量末端都是在此基础上变化发展起来的。此类末端可使用于单冷型、单冷再热型、冷热型系统。其中单冷型系统采用不带再热盘管的单风道末端，该系统全年供冷。而单冷再热型系统中，需全年供冷的内区采用不带再热盘管的末端，夏季供冷和冬季供暖的外区或其他需要“过冷再热”的区域采用带再热盘管的末端[2]。

3.1.2 风机动力型变风量末端设备

根据一次风与风机的关系，风机动力型变风量末端可分为风机并联型与风机串联型，一次风风阀与内置风机串联设置的为风机串联型，一次风与回风混合后经风机送入室内，通过调节一次风风阀控制室内环境温度；一次风风阀与内置风机并联设置的为风机并联型，一次风与经风机的回风混合后送入室内，风机仅承担回风风量，冬季运行时，一次风以小风量运行，仅满足新风需求，通过调整一次风风阀和间隙运行风机控制室内环境温度。

风机串联型变风量末端可运用于只需全年提供冷负荷的内区，或配置再热器运用于需要夏季供热和冬季供热的外区和其他需要“过冷再热”的区域；风机并联型变风量末端通常与单风道型变风量末端配合运用，带再热器的风机并联型末端应用于需要夏季供冷和冬季供的外区和其他需要“过冷再热”的区域，单风道末端应用于全年需要供冷的内区。此外在小风量和最小风量供冷且需要考虑室内气流组织的场所，也需要选用无再热器的风机并联型变风量末端。

3.2 变风量系统及末端设备的选择

对于本项目情况，建筑平面体量中等，核心筒体内设备机房面积有限，无法安装两台空调箱，并且业主对室内吊顶要求较高，无足够吊顶空间安装过多管路，因此无法使用双风道型变风量空调系统。同时，该项目外围护均为双层中空low-e玻璃幕墙，受结构条件的限制，外围护区域无法安装风机盘管来处理外围护结构引起的冷、热负荷，也无法使用组合式单风道变风量系统。

在末端设备形式的选择上，本项目建筑平面空调区域分内、外区，内区常年制冷、外区夏季制冷冬季制热。因此可选择单风道型或风机动力型。

内区由于只有制冷工况，无需承担冬季热负荷，所以选择单冷型单风道末端设备，其优势在于构造简单、体积小、无内置风机、运行噪声低。

外区夏季要求制冷，冬季要求制热，需选用具有再热功能的变风量末端设备。单风道末端设备会受到末端最小新风量及热空气分层现象的制约，加热能力有限，如果要求增大加热能力会导致系统冷、热混合损失严重，无法达到节能效果。

因此本项目选用带加热盘管的风机动力性变风量末端设备。如前所述，风机动力型末端设备分为风机串联型和风机并联型。串联型末端设备内的风机需连续运行，而且风机风量约为最大风量的1.0-1.3倍，虽然串联型末端设备可以提高室内空气分布性能，但带来的不利是造成风机能耗的增加。而并联型末端设备内的风机无需连续运行，且风机风量为最大风量的0.6倍，风机仅在小风量和供热时运行。因此本项目选择带加热盘管的并联型末端设备，既满足了冬季外区再热的要求，又避免了过多的风机能耗，同时提高了室内换气次数，有利于室内气流组织[3]。

综上所述，本项目选择采用并联型风机动力型末端和单风道末端相结合的变风量空调系统，外区采用带加热盘管的并联式末端设备；内区采用无加热设备的单风道末端设备，“过冷再热”区域采用带加热盘管的并联式末端设备。

4 变风量空调系统的负荷计算及设备选型

4.1 变风量空调系统的负荷计算

对于变风量空调系统的空调负荷计算首先需要对建筑平面进行空调内外分区划分，并根据外围护朝向、房间用途、室内温度、及温度控制区面积等因素再分为若干温度控制区。根据该项目的围护结构热工参数，选择外区进深3m。使用负荷计算软件计算划定好的各控制区的各项室内负荷量，经过各项负荷的累加计算得出各控制区的冷、热负荷，再对变风量末端进行选型计算。

图1 空调分区平面图

4.2 变风量末端设备的选型计算

在送风温度恒定的基础上，通过调节变化送风量来控制室内温度，是变风量空调系统调节室内负荷变化的主要原理。对于各控制区负荷来说热湿比不尽相同，但作为舒适性空调设计，可选择固定的送风温差，通过各控制区内的显热负荷量及送风温差得出末端设备的一次风最大风量。本项目选择送风温差为9℃，由此计算得出各控制区变风量末端设备的最大一次风量[4]。变风量末端设备的一次风最小风量可反映出设备对负荷变化的调节能力，对于无再热单风道末端设备通常一次风最小风量按最大风量的30%-40%选取。对于本项目，内区区域最小负荷送风量为最大送风量的35.4%，内区采用的单风道末端设备取一次风最大风量的35%为设备最小风量；外区区域最小负荷送风量为最大送风量的41.2%，外区采用的风机并联型末端设备取一次风最大风量的40%为设备最小风量，60%为内置风机风量。

在变风量末端设备选型时还需注意不可将计算所得最大风量再附加设备余量来进行选型，这样会使变风量末端设备长期处于部分负荷状态下运行，一次风阀开度过小引起噪声，也会使末端的调节范围减小、再热量增大等不利结果[5]。

4.3 变风量空调系统气流组织

通常采用定截面作为空调系统的送风口的形状，也很少改变导叶的角度，因此在减少风量时会影响室内气流组织。 但随着室内负荷的变化，处理风量发生变化，这就必须考虑其对室内空气流量的影响，而条缝形散流器的诱导作用很强，且贴附性能也好，基本可以保证空气分布特性指标在80%以上。根据这些优点并结合本项目装修效果，最终采用条缝型散流器风口，并区分内外区，内区风口选择单个风量小、射程长的风口，来实现室内良好的气流组织。

表1 空调区域负荷计算及末端选型表

图2 变风量末端设备平面布置图

5 变风量空调系统设计中需注意的问题及体会

5.1 变风量空调系统设计中需注意的问题

变风量空调系统在设计中所涉及的计算及设备选型相比其他空调系统形式要复杂繁琐的多，设计过程中需对系统中所涉及到的各个部分了解熟悉。

变风量终端作为一个小的噪音源，容易对室内环境产生影响。 因此，变风量末端应在校核各末端装置在最小和最大风量下产生的噪音后进行选择。 在对噪声要求较高的场合，应慎用变风量系统。

变风量空调系统能否正常运行，很大程度上取决于其控制系统。我国前期在变风量空调系统应用实例中，很多失败的案例也是由于自控技术上的因素[6]。

5.2 设计体会

变风量空调系统虽已有40多年的发展历史，并随着配套技术的进步，该系统形式在国内大空间办公建筑中的应用变得越来越广泛。但其涉及的内容范围较多，需要设计人员对变风量空调系统有相当熟悉的认识之后才能更好的做好系统设计。通过该项目的实际应用，进一步加深了对系统的认识，并需要不断的总结经验教训，不断的精确设计计算方法，使变风量空调系统的设计更为合理。