辦公大樓空調系統節能設計

深圳市城建工程設計有限公司

摘要：隨著我國經濟的快速發展，辦公建筑數量也與日俱增，節約耗能已成為我國的基本國策之一。而辦公建筑空調節能設計是節約耗能的重要組成部分。本文結合辦公大樓實例，對其空調系統節能設計進行探析。

關鍵詞：辦公大樓；空調系統；節能設計

1 工程概況

本工程總建筑面積為126015m2，建筑物的總高為206m，大樓分為北塔樓（9層）及南塔樓（37層）。本工程空調面積為58880m2，夏季空調計算冷負荷為8056 kW。大樓內專用設備需要24h不間斷供應冷水，該部分負荷由業主確定為1758kW（500rt）。故整體夏季設計最大冷負荷為9700kW（2760rt）。本工程冬季空調計算熱負荷3360 kW。

2 節能技術和措施

2.1冰蓄冷

冷源采用單級泵閉式蓄冷的冰蓄冷系統，為主機上游的串聯流程，機房位于南塔樓地下4層。冷源系統共設有4臺1758kW（500 rt）的電動螺桿式冷水機組，其中3臺為雙工況機組，另外1臺為基載單工況機組。同時還設有1臺703kW（200rt）的電動螺桿式地源熱泵機組。總裝機制冷量為7735kW（2200rt）。冷源系統還設有箱體式不完全凍結式盤管蓄冰裝置，總蓄冰量為26897 kWh（7650 rt·h）。

冰蓄冷系統可以減少冷水機組的裝機總容量，相應減少配電總容量，同時利用夜間低谷電價降低整體運行費用。

2.2水蓄熱

采用常壓型電熱水鍋爐生產的蓄熱水作為空調熱源，機房位于南塔樓地下1層。熱源系統共設有2臺1 800 kW的常壓型電熱水鍋爐，同時還設有2個有效容積為300 m3的蓄熱水箱。電熱水鍋爐在夜間電價谷時段（22：00至次日6：00）運行，可將熱水加熱至90℃，并儲存熱量于蓄熱水箱內供次日白天使用。設計采用全量蓄熱的形式，可保證設計日白天正常供熱時不開電鍋爐。由于電鍋爐夜間運行（類似于夏季夜間蓄冰），本身并不占用配電的總容量。

相對于常規的燃氣鍋爐，電鍋爐水蓄熱系統為常壓系統，沒有防爆、泄壓、專用疏散通道等要求，也無需設置煙囪和煙囪井道。雖然電鍋爐水蓄熱系統需要占用水箱空間，但整體對建筑空間的占用反而小于燃氣鍋爐系統，同時其具體的布置位置也不受安全要求的限定，自由度較高。

對于常規燃氣熱水鍋爐，目前的燃氣價格為3.99元/m3，其熱值為35 564 kJ/ m3（8500kcal/m3），鍋爐效率按0.9考慮，則其單位熱量的價格為0.449元/（（kW·h）。對于電鍋爐水蓄熱系統，鍋爐效率幾乎可以認為是10000，系統效率按0.95考慮（主要考慮蓄熱裝置熱損失）。就運行費用而言，其單位熱量的價格為0.344元/（kW·h）。電鍋爐蓄熱相對于燃氣鍋爐有較大的優勢。

2.3地源熱泵

該機組可在夏季與冰蓄冷系統并聯對大樓供冷，冬季也可參與蓄熱和供熱。該機組參與蓄熱工況時的設計額定供回水溫度為60℃/52℃，其與板式換熱器換熱后的溫度仍高于水箱的蓄熱起始溫度，可與電熱水鍋爐串聯運行。水箱的出水先通過板式換熱器提升溫度后再經電鍋爐進一步加熱至90℃，這樣就可以減少電鍋爐的運行負荷，從而減少整體蓄熱耗電量。冷熱源系統原理示意圖詳見圖1，2。

圖1 冷源系統原理圖

注：冰蓄冷、電蓄熱、地源熱泵、冷加塔等內部閥門為常規設置、V4見圖2

與地源熱泵機組配套的地下換熱埋管采用樁基敷設的形式，考慮到埋管的安全承壓因素，在地下埋管和地上管道之間設有隔離壓力的板式換熱器。

受地源熱泵運行所需水流量的限定，供熱時該機組的設計選型額定供回水溫度為50℃/42℃，無法與系統的52℃/39℃匹配并聯運行，故采用在回水總管上串接旁路的形式。實際運行時，在回水總管上游端抽出部分水量供機組運行，由機組加熱后再與回水總管下游端混合，如此可提升回水的整體溫度（理論值約為42℃），之后再通過蓄熱水箱板式換熱器進一步將水溫提升至系統供水所需溫度。由于該地源熱泵機組的裝機容量占比很小，故其夜間蓄熱或日間供熱運行時都無需控制其對水溫的提升量，只需滿載運行即可。

2.4冷卻塔免費冷源

冷源機房內同時設置了2臺板式換熱器，布置于冷卻水系統和冷水系統之間。在冬季，當室外氣溫較低時（實際運行時可調整介入條件），冷水機組停止運行，該板式換熱器投入運行，利用冷卻塔的冷卻能力產生較低溫度的冷水供系統使用，從而降低運行能耗。

圖2 熱源系統原理圖

注：冰蓄冷、電蓄熱、地源熱泵、冷加塔等內部閥門為常規設置、V3見圖1

2.5冷卻塔風機可調

本工程的冷卻塔控制采用總量控制的方式，當部分冷水機組開啟時也運行所有冷卻塔。此時，由于部分水量流經了所有的冷卻塔，其實際換熱效果好于額定工況，這樣有可能在降低風機轉速減少強制通風時也能滿足塔體的出水溫度，從而減少風機能耗。當負荷過小，冷卻塔所有風機停運但出塔水溫仍然過低時，關閉部分冷卻塔的水流通道。本工程設有4臺冷卻塔，采用雙速風機也能達到較精細的級差控制，可避免采用高成本的變頻控制。

2.6大溫差供回水

空調冷水系統采用7℃的大溫差供回水，其設計溫度為5℃/12℃。相對于一般的5℃溫差，系統水流量減少，其管路上的水流輸送能耗理論上減少28.5700。與冷水機組配套的冷卻水系統同樣采用7℃的大溫差供回水，其設計溫度為32℃/39℃。

空調熱水系統采用13℃的大溫差供回水，其設計溫度為52℃/39℃。相對于一般的10℃溫差，同樣減少了系統水流量。為進一步降低管道流速、減少摩擦阻力損失，在設計管道時適當增加管徑（具體計算時按照10℃溫差的流量配管）。這樣，管路上輸送能耗理論上減少[1÷ 10-1÷13×（10/13）2）]一（1/10）=54.48%。

雖然該水系統龐大復雜，但通過上述措施還是能夠滿足節能規范中對輸送能效比的限定要求。

2.7水系統分區

該大樓地下4層地板標高為-18.75 m，地上37層樓面標高為182.50 m，其中5，20，36層分別為避難層及設備用房，其標高分別為19.50，96.30，179.20m。

該空調水系統的總使用高差約為200 m，如采用“一泵到底”的做法，其設備和管道承壓級別要達到2.5MPa，這勢必會帶來管道及其連接上的安全可靠性問題，同時也會大大增加機組、水泵、板式換熱器和管道配件等的造價。根據該大樓的實際情況，空調系統分成高低兩個區，其換熱設備位于20層，低區系統的凈高為124.1m，設計確定其定點壓力為1.4MPa；高區系統凈高為86.2m，其定點壓力為1.1 MPa。

低區直接采用冷熱源系統供水，其冷熱水的供回水溫度分別為5℃/12℃和52 ℃/39℃。考慮板式換熱器的實際運行狀態，設計采用冷水1.5℃和熱水2℃的換熱溫差，故高區的供回水溫度分別為6.5℃/13.5℃和50℃/37℃。

2.8水系統變流量調節

空調冷水采用二級泵供水系統，同時在高區換熱后再設二次泵。其中低區一級泵對應冷水機組和冰蓄冷板式換熱器，為保證冷水機組穩定運行，水泵為定流量運行，僅作臺數啟停控制。針對普通空調的高低區系統和24 h專用供冷系統，共設置3套二級泵，其中普通空調所用的2套各設3臺水泵（兩用一備），24 h專用供冷所用的1套設2臺水泵（一用一備）。普通空調的高區換熱采用2臺板式換熱器，設置3臺高區二次泵，兩用一備。24 h專用供冷的采用1套供回水管路，其低區用戶在使用的同時供應高區系統的換熱，高區換熱采用2臺板式換熱器（一用一備），配置2臺高區二次泵，一用一備。對于低區二級泵和高區二次泵，分別在系統最不利端設置壓差傳感器，在負荷變化改變水量需求時通過變頻調節水泵來保證最不利端資用壓差的恒定，從而達到節能的效果。

由于空調熱源由蓄熱水箱通過板式換熱器換熱而得，故熱水采用一級泵變流量系統，同時在高區換熱后再設二次泵，其變頻調節控制同冷水的低區二級泵和高區二次泵。

2.9變風量全空氣空調

大樓中的聯廊、銀行家俱樂部和標準層辦公區均采用變風量（VAV）全空氣空調系統，其VAVBOX均采用無風機單風道的形式，并采用變靜壓控制方式。

對于聯廊和銀行家俱樂部采用統一不分內外區的共用VAV系統，該系統夏季供冷、冬季供熱。對于標準層辦公，則采用了內外分區、分設2個VAV系統的形式，內區常年供冷，外區夏季供冷、冬季供熱，從而進一步提高舒適性。

由于標準層機房的空間非常狹小，實際設計時將2個系統合并在1臺空調箱內。該空調箱采用無蝸殼風機，并設置在空調箱前端，之后再分設2個處理風道，其間分別設置冷熱盤管和加濕器，從而達到一機兩用的功能。這樣就避免了常規1臺空調箱處理到內區狀態、外區再由VAV BOX二次加熱的做法，達到節能的效果。標準層空調箱構造圖詳見圖3。

圖3 標準層空調箱構造圖

2.10排風熱回收

對于標準層辦公區，其2臺集中處理的新排風空調箱設置在20層設備間內，分別對應上下兩段。

該空調箱實際上是新風空調箱和排風風機箱的組合，其內部除設有新風預熱盤管之外，還設置了1個全熱回收轉輪，通過它可回收部分排風能量，降低空調負荷，減少能耗。新排風通道在轉輪旁側各設置了1個風閥，平時空調季節關閉該閥，保證轉輪的熱回收功能；過渡季節則開啟該閥，減少轉輪的流通阻力，降低風機的運行能耗。

2.11可變新風量

對于標準層新排風系統，在每層均設有電動可調的定風量控制風閥（CAV），同時集中新排風空調箱內的風機采用了定靜壓控制，變頻調速，降低運行能耗。

設計還采用了可變新風量的措施，避免不必要的空調負荷，減少能耗。考慮到實際控制時為避免系統振蕩失控和新排風量不易平衡，故設計采用了CAV高低兩擋的控制方式，其值可根據新排風量的差值需要預先設定好。室內CO2探測也采用上下值設定，當其達到上限并維持一段時間后，開啟CAV高擋運行；當其達到下限并維持一段時間后，則開啟CAV低擋運行。

3 結語

在空調系統設計中，有多種節能技術與措施，應根據每個項目的特點選擇應用，忌盲目堆積。本工程先期進行了可行性和經濟性分析比較，并在具體實施前與業主和相關顧問單位允分協商，最后根據項目的實際情況采用了以上的節能手段。