某高层办公楼变风量空调系统设计

郭初

（广州方华国际设计集团有限公司，广州，510600）

变风量（VAV）空调系统属于全空气空调系统，原理是根据区域内显热负荷变化或室内温度控制自动调节区域送风量来控制空调区域温度（也可在最小送风量时调节送风温度）［1］。VAV空调系统的优点有：舒适度高，区域温度可控性强；可灵活增加或调整末端，有利于房间分隔调整；部分负荷时变频调节风机转速，过渡季节全（变）新风运行；空气过滤效率高品质高、相对湿度低、舒适性好；无水管进入空调区。缺点是投资大，末端装置和调节风阀有噪音，施工及调试要求高。VAV空调系统在高档办公场所均有应用案例［2-6］。本项目位于上海市，总建筑面积约12万m2，包括4栋塔楼，建筑高度52 m，裙楼商业，塔楼办公，属于甲类公共建筑，办公楼采用VAV空调系统。

1 空调通风系统

空调冷热源采用离心式冷水机组（供回水温度6/13 ℃）、真空热水锅炉（供回水温度60/50 ℃）。标准层（大空间办公）划分内外区，内区设置单风道型变风量末端装置常年供冷，外区设置带加热盘管的并联式风机动力型末端（FPB），夏季供冷、冬季供热，均为压力无关型。根据外区末端装置形式、围护结构热工性能优良条件确定标准层为中等进深（5-A型外区）［7］。外区进深定为3.5 m，其余定为内区。外区根据朝向分别划分温控区，平面布置及温控区划分如图1所示。

图1 标准层空调平面图及分区图

标准层为一个防火分区，设置一个空调系统，空调送风管采用环状布置方式，优点是：送风从两个方向送达末端装置，有利于压力平衡，可灵活增加或调整末端装置。回风通过吊顶均匀布置的回风口将吊顶空间作回风静压箱，再由回风管集中回风。由于上下层都有空调，吊顶回风不增加室内负荷，还可带走部分照明负荷，减少室内冷负荷和系统送风量，仅提高了空调器回风温度和处理温差，总体是节能的。回风箱应兼顾防火分区的布置，空调系统宜按防火分区设置。新风从管井引入空调箱与回风混合进行热湿处理，每层新排风管设置压力无关型定风量阀，以消除各楼层空调箱变风量运行时对本层新风量的影响，空调器送排风系统如图2所示。

图2 空调通风系统图

过渡季节系统全新风运行：关闭回风调节阀，开启新风调节阀和排风调节阀，开启屋面过渡季节排风机。系统冬季运行时，内区可采用变新风供冷运行：新、回风阀反比调节控制送风温度，外区采用最小风量再热供暖，排风定风量阀开启排风。楼层空调箱、屋顶集中排风机同步变频调速，通过定静压法控制系统风量。变风量末端装置一次风进口接管采用等径管连接，应有4倍直径长度的直管段，保证末端装置入口风速传感器的气流稳定及准确测定风量。送风口内区采用方形散流器，外区采用条缝型散流器。采用墙置式温感器，设置在温控区内通风、背阳处，避免设在附近有发热体的位置。

2 空调系统负荷计算及设计

2.1 冷负荷及送风量计算

室内设计参数如表1所示，冬季外区设计温度宜低于内区1～2 ℃，有利于减少外区热负荷及内外区之间冷热气流混合，防止混合损失。各温控区显热冷负荷QX（负荷计算软件得）、温控区计算最大风量GZ、变风量末端的设计数量、性能参数分别列入表2、表3。

表1 室内设计参数

表3 变风量末端装置性能参数表

温控区计算最大风量GZ为：

式中：QX为区域显热冷负荷（kW）。

过室内状态点N（25 ℃，50 %）作热湿比ɛ线交相对湿度85 %线，得送风温度tO=15 ℃，焓湿图查室内空气焓值、送风焓值，计算总送风量、各项温升列入表4中。根据表4各项温升绘制焓湿图如图3所示。

表4 夏季空气处理过程计算表

图3 夏季空气处理过程焓湿图

表4的计算过程如下：逐时冷负荷综合最大值QT、最大散湿量W由负荷计算软件得到；

风机温升［8］：，P为空调器风机全压，设计650 Pa，η为电动机安装位置修正系数，电动机在气流内，η=1；η1为风机的全压效率，设计为65 %；η2为电机效率，取90 %。

2.2 空调器处理冷负荷计算

根据标准层逐时冷负荷的综合最大值计算得总送风量G=8.32 kg/s=24,960 m3/h，空调器设计风量L=26,000 m3/h（满足换气次数6～7次/h［7］）；新风量根据人员密度计算得Gw=3,228 m3/h，设计3,500 m3/h。

回风得热量：

空调器承担冷负荷：

验算空调器处理冷负荷：QL=G×(hC-hL)=8.32×(57.3-37.9)=161.4 kW，与分项计算求和值相差不大。

空调器选型处理冷量为165 kW，处理后状态点L相对湿度为91 %，根据表6［7］选择冷却盘管为6排管。

表6 冷却盘管出风相对湿度

2.3 供热送风温度及供热量计算

FPB并联风机风量初步选型可取一次风最大风量的60 %左右，在满足送风温差的条件下尽量减少并联风机风量可节省风机电耗及降低噪声，设计值填入表3。

送风温度t2应满足不大于30 ℃（送风温差不大于10 ℃［9］），否则需加大末端装置并联风机的风量。送风温度过高会使热空气上浮聚集在吊顶处又被回风口吸入，无法送达工作区，所以送风温差不宜大于8 ℃［7］。

校核末端装置供热送风温度：

各温控区末端所需供热量：

式中：Qxr为温控区显热热负荷（kW），根据负荷计算软件得；GB为末端送风量（kg/s），等于一次风最小风量与并联风机风量之和；QR为末端计算供热量（kW）；t2为供热送风温度（℃）；tn=20 ℃；Gi为末端装置一次风最小风量（kg/s）；t0为一次风温度15 ℃。计算结果列入表7，计算得各区域送风温差最大为6 ℃，满足要求。

表7 供热送风温度计供热量计算表

标准层逐时热负荷计算结果16.8 kW，一次风总加热量9.7 kW，得标准层总供热量26.5 kW，根据各层总供热量及考虑同时使用系数后选择供热锅炉设备。

3 总结

本文介绍了变风量空调系统的设计方法及详细计算步骤，有以下总结与体会：

（1）合理划分温控区应考虑朝向、房间用途、使用情况、室内温度、负荷变化规律等因素。

（2）冬季外区设计温度宜低于内区1～2 ℃，有利于减少内外区之间冷热气流混合损失；温控区送风量是根据区域显热冷负荷计算，空调器的送风量是根据逐时冷负荷综合最大值确定，空调器处理冷负荷包括逐时冷负荷综合最大值、新风冷负荷、风机温升、风管得热、回风得热。外区供热需校核末端装置送风温差不超过8 ℃，末端供热量计算时一次风以最小风量运行。

（3）空调系统设计时尽量考虑过渡季节全（变）新风运行以节能。

（4）系统经济运行取决于空调系统合理设计，更取决于末端装置的性能，生产厂家需对变风量末端装置的各项参数进行整定测试，中标方完成设备安装及系统调试，纳入BAS系统。送风口宜采用扩散性较好的散流器、条缝型散流器等，吊顶回风口应与变风量末端对应均匀布置。