超高層辦公樓溫濕度獨(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)探討

深圳市華筑工程設(shè)計(jì)有限公司 廣東深圳 518048

摘要：隨著我國能源的大量消耗，建筑的空調(diào)系統(tǒng)的能源損耗最大。如何節(jié)約能源損耗，享受同樣的舒適度，是暖通設(shè)計(jì)人員較為關(guān)注的重要問題之一。溫濕度獨(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng)作為新型空調(diào)系統(tǒng)，是利用高溫冷源控制室內(nèi)溫度及濕度，可以避免常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)中熱濕聯(lián)合處理造成的能耗損失，達(dá)到良好的節(jié)能效果。本文根據(jù)工程案例，對超高層建筑的溫濕度獨(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行探討，供同行借鑒參考。

關(guān)鍵詞：超高層建筑；溫濕度獨(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng)

1.工程概況

某超高層建筑35層，地下3層，制冷機(jī)房位于地下一層，地下三層為機(jī)動車庫、非機(jī)動車庫及設(shè)備用房，地上首層為商業(yè)及大堂配套設(shè)施，二層至六層為餐飲功能，七層、二十二層為設(shè)備層兼避難層，其余均為純寫字樓功能，建筑總面積約13萬m2，總高度159.8m。

其中，F(xiàn)8～F35層的辦公區(qū)域采用了溫濕度獨(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng)，該區(qū)域總空調(diào)面積約為65000m2，本文主要針對該部分空調(diào)區(qū)域的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行闡述。

2.空調(diào)設(shè)計(jì)參數(shù)與負(fù)荷計(jì)算

考慮到南方地區(qū)近期冬季頻繁出現(xiàn)低溫天氣，在空調(diào)設(shè)計(jì)時(shí)同時(shí)考慮夏季供冷與冬季供暖工況。空調(diào)區(qū)域冬夏季室內(nèi)參數(shù)要求見表1，夏季室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)取260C，55%。

表1 室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)要求

夏季冬季

干球溫度（0C）相對溫度（%）干球溫度（0C）相對溫度（%）

25～2740～60>2040～55

在溫濕度獨(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，需將室內(nèi)顯熱負(fù)荷與潛熱負(fù)荷分開計(jì)算。系統(tǒng)冷熱負(fù)荷計(jì)算結(jié)果如表2。

表2 系統(tǒng)冷熱負(fù)荷（單位：kW）

夏季

室內(nèi)顯熱負(fù)荷室內(nèi)潛熱負(fù)荷新風(fēng)冷負(fù)荷

70347855100

冬季

室內(nèi)熱負(fù)荷新風(fēng)熱負(fù)荷

2672 850

3.暖通新規(guī)范中關(guān)于溫濕度獨(dú)立控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求

《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范GB50736 -2012》增加了溫濕度獨(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng)的內(nèi)容，并對該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法給出了指導(dǎo)意見。

1）條文7.3.14指出：空調(diào)區(qū)散濕量較小且技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理時(shí)，宜采用溫濕度獨(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng)。該條文說明指出：空調(diào)區(qū)散濕量較小的情況，一般指空調(diào)區(qū)單位面積的散濕量不超過30g/（。

該項(xiàng)目人員密度約為0.16人/m2，室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度為260C，人均產(chǎn)濕量取109g（h人），則單位面積產(chǎn)濕量為0.16x109=17.4g/（m2 h）<30g/（m2 h），滿足規(guī)范要求。

2）7.3.15（2）條文說明中指出：當(dāng)室外新風(fēng)濕球溫度對應(yīng)的絕對含濕量低于要求的新風(fēng)送風(fēng)含濕量時(shí)，宜采用直接蒸發(fā)冷卻方式處理新風(fēng)；當(dāng)室外新風(fēng)露點(diǎn)溫度低于要求的新風(fēng)送風(fēng)露點(diǎn)溫度時(shí)，宜采用間接蒸發(fā)冷卻方式處理新風(fēng)；當(dāng)室外新風(fēng)露點(diǎn)高于要求的新風(fēng)送風(fēng)露點(diǎn)時(shí)，宜采用冷凝除溫、轉(zhuǎn)輪除濕或溶液除濕等。

廣州地區(qū)的室外新風(fēng)露點(diǎn)高于要求的新風(fēng)送風(fēng)露點(diǎn)，因此在除濕方式選擇時(shí)主要考慮冷凝除溫、轉(zhuǎn)輪除濕或溶液除濕三種方式。

7.3.15（3）條文說明中提到：采用冷卻除濕方式時(shí)，由于除濕空氣需被冷卻到露點(diǎn)溫度以下，才能除去冷凝水。為滿足新風(fēng)的送風(fēng)要求，除濕后的新風(fēng)需進(jìn)行再熱處理后送到空調(diào)去，造成冷熱抵消現(xiàn)象，增加了系統(tǒng)能耗。轉(zhuǎn)輪除濕則需要依靠蒸汽或電再生，能耗相比冷卻除濕更大；溶液調(diào)濕的送風(fēng)相對濕度在55%～70%之間，送風(fēng)含濕量可做到4～8/g/kg，能夠滿足使用要求，送風(fēng)不需要再熱，溶液再生采用冷凝器排熱，不需要額外消耗蒸汽或電能，能耗較小。因此，筆者在本項(xiàng)目中，濕度控制系統(tǒng)選擇了溶液除濕方式。

3）條文8.5.1（3）指出：采用溫濕度獨(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng)時(shí)，負(fù)擔(dān)顯熱的冷水機(jī)組的空調(diào)供水溫度不宜低于160C；當(dāng)采用強(qiáng)制對流末端設(shè)備時(shí)，空調(diào)冷水供回水溫差不宜小于50C。

條文中要求冷機(jī)的供水溫度不低于160C，主要是為防止室內(nèi)末端結(jié)露。但是，當(dāng)室內(nèi)末端采用干式風(fēng)機(jī)盤管時(shí)，室內(nèi)末端是否結(jié)露不僅與供水溫度相關(guān)，也與室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)、盤管性能等因素相關(guān)。如果不考慮這些因素就將冷水供水溫度確定為160C，盤管單位風(fēng)量供冷量較低，會增加室內(nèi)盤管數(shù)量與風(fēng)量，盤管造價(jià)、室內(nèi)噪音也隨之增加。因此，冷水機(jī)組供水溫度宜根據(jù)項(xiàng)目具體情況確定。

本項(xiàng)目室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)為260C，55%，對應(yīng)露點(diǎn)溫度為16.30C，濕球溫度為19.50C，末端采用干式風(fēng)機(jī)盤管。盤管從由干工況到濕工況必然存在一個(gè)臨界工況，該臨界工況又稱作濕工況的等價(jià)干工況，該工況也是干、濕工況的判據(jù)。文獻(xiàn)基于該理論給出了干濕工況的判別方法，具體介紹如下。

在燴濕圖上，定義盤管進(jìn)出口參數(shù)連線與100%相對濕度線的交點(diǎn)的溫度為t3，其計(jì)算方法為：

（1）

其中：t1為盤管進(jìn)口空氣干球溫度，tL1為進(jìn)口空氣露點(diǎn)溫度，ts1為進(jìn)口空氣濕球溫度，tw11為冷凍水供水溫度， 1為盤管干球溫度效率，2為盤管接

觸系數(shù)。對于一定型號的風(fēng)機(jī)盤管機(jī)組，當(dāng)風(fēng)量、水量不變時(shí)，其干球溫度效率與接觸系數(shù)都是定值。

當(dāng)t3>tL1，時(shí)盤管為干工況：當(dāng)t3= tL1時(shí)，盤管為臨界工況；當(dāng)t3< tL1，時(shí)，盤管則為濕工況。那么當(dāng)盤管處于臨界工況時(shí)，有t3= tL1聯(lián)立式

（1）可得到臨界供水溫度tw1為：

（2）

表3 盤管臨界工況對應(yīng)的供水溫度

干球溫度效率接觸系數(shù)臨界供水溫度（0C）

0.600.9510.5

0.600.9011.3

0.600.8512.1

參考規(guī)范《風(fēng)機(jī)盤管機(jī)組》（草擬稿）中的盤管性能進(jìn)行計(jì)算，對應(yīng)高檔風(fēng)量條件下，保證本項(xiàng)目盤管不結(jié)露所需的冷凍水溫度見表3 保證盤管為干工況的臨界供水溫度為10.5～12.10C，考慮一定安全余量，本項(xiàng)目供水溫度取為13 0C。回水溫差取為50C，即冷機(jī)供回水溫度取13/180C，該供回水溫度能夠保證盤管在高檔風(fēng)量下不結(jié)露，同時(shí)提高了盤管的供冷能力。

4.空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

4.1冷熱源設(shè)計(jì)

冷源方面，系統(tǒng)采用2臺2814 kW（800RT）的高溫水冷離心機(jī)組和1臺1406 kW（400RT）水冷螺桿式機(jī)組供冷，冷凍水進(jìn)、出水溫度為13/180C，承擔(dān)室內(nèi)顯熱負(fù)荷。新風(fēng)負(fù)荷以及室內(nèi)的濕負(fù)荷共計(jì)5885 kW，由熱泵式溶液調(diào)濕新風(fēng)機(jī)組承擔(dān)。制冷機(jī)房位于地下一層，每臺主機(jī)對應(yīng)冷卻水泵與冷凍水泵各1臺（小螺桿冷機(jī)增設(shè)1臺備用泵），對應(yīng)5臺400m3/h的冷卻塔安裝于天面。

熱源方面，采用2臺1336 kW風(fēng)冷熱泵機(jī)組承擔(dān)室內(nèi)熱負(fù)荷，新風(fēng)加熱加濕負(fù)荷850kW由熱泵式溶液調(diào)濕新風(fēng)機(jī)組承擔(dān)。風(fēng)冷熱泵機(jī)組設(shè)置于屋頂。

4.2 新風(fēng)量取值

根據(jù)《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50736—2012）中的要求，公共建筑中辦公室內(nèi)每人所需最小新風(fēng)量取30m3/（h人）。采用溫濕度獨(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng)后，除滿足上述規(guī)范要求外，還需滿足除濕新風(fēng)量要求。滿足除濕要求的新風(fēng)量按下式計(jì)算：

（3）

式中，滿足除濕要求的新風(fēng)量，m3/h；W建筑室內(nèi)產(chǎn)濕負(fù)荷，g/h；為空氣密度，g/m3，設(shè)日參數(shù)空氣含濕量，g/kg；為溶液除濕后送風(fēng)含濕量，g/kg，本項(xiàng)目取為8.0g/kg。

本項(xiàng)目室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)為260C，55%，對應(yīng)室內(nèi)含濕量為11.6g/kg。室內(nèi)產(chǎn)濕量主要為人員產(chǎn)濕量，人均產(chǎn)濕量取109g/kg均所需除濕新風(fēng)量按上式計(jì)算，為109/1.2/（11.6—8.0）25.2m3/h。

新風(fēng)量取規(guī)范中要求與除濕新風(fēng)量中的較大值，即30m3/（h·人）。

4.3 風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)形式選用干式風(fēng)機(jī)盤管加新風(fēng)系統(tǒng)，8～21層熱泵式溶液調(diào)濕新風(fēng)機(jī)組設(shè)置于7層和22層避難層，通過豎井送至每一層空調(diào)機(jī)房，再由離心風(fēng)機(jī)送至每個(gè)房間；23～35層新風(fēng)機(jī)組設(shè)置于偶數(shù)層，通過風(fēng)道送至奇數(shù)層，再送至每個(gè)空調(diào)房間，每個(gè)房間支管設(shè)置電動蝶閥調(diào)節(jié)新風(fēng)量。干式風(fēng)機(jī)盤管均采用方形散流器上送方式。所選熱泵式溶液調(diào)濕新風(fēng)機(jī)組帶全熱回收，每層均設(shè)排風(fēng)，排風(fēng)量按新風(fēng)量的72%計(jì)算。辦公區(qū)域風(fēng)機(jī)盤管及新風(fēng)機(jī)送風(fēng)管上安裝PHT光氫離子空氣消毒凈化裝置。

圖1為建筑新風(fēng)、排風(fēng)系統(tǒng)示意圖。在該系統(tǒng)中，熱泵式溶液調(diào)濕新風(fēng)機(jī)組對新風(fēng)進(jìn)行集中處理，承擔(dān)所有新風(fēng)負(fù)荷和室內(nèi)潛熱負(fù)荷；室內(nèi)末端采用干式風(fēng)機(jī)盤管，通人高溫冷水機(jī)組提供的13/18℃冷水，承擔(dān)室內(nèi)顯熱負(fù)荷。

圖1 新風(fēng)、排風(fēng)系統(tǒng)圖

空調(diào)區(qū)域室內(nèi)分區(qū)域安裝CO2傳感器、露點(diǎn)溫度傳感器，控制系統(tǒng)檢測室內(nèi)CO2，濃度及露點(diǎn)溫度，任一條件不滿足設(shè)定要求，則新風(fēng)送風(fēng)管電動調(diào)節(jié)閥全開；露點(diǎn)溫度未達(dá)到設(shè)定要求時(shí)，干式風(fēng)機(jī)盤管冷凍水供水管電動閥關(guān)閉；當(dāng)露點(diǎn)溫度達(dá)到設(shè)定要求后，冷凍水供水管電動閥開啟，新風(fēng)送風(fēng)管電動閥開度隨室內(nèi)CO2，濃度調(diào)節(jié)。

新風(fēng)機(jī)組的新排風(fēng)機(jī)為變頻風(fēng)機(jī)，根據(jù)風(fēng)道壓力與壓力設(shè)定值，經(jīng)DDC控制器PID運(yùn)算輸出信號，控制變頻器頻率給定，使風(fēng)管靜壓保持在設(shè)定值；當(dāng)風(fēng)管靜壓高于設(shè)定值，調(diào)低風(fēng)機(jī)頻率，當(dāng)風(fēng)管靜壓低于設(shè)定值，調(diào)高風(fēng)機(jī)頻率。通過PI調(diào)節(jié)新/排風(fēng)閥，使回風(fēng)CO2濃度保持在設(shè)定值，當(dāng)巨風(fēng)CO2，濃度高于設(shè)定值，則增加新風(fēng)閥開度，反之則減少新風(fēng)閥開度；排風(fēng)閥開度隨新風(fēng)閥開度等比例變化。

4.4 水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于該建筑為超高層建筑，層數(shù)多，總高度大，冷凍水管道產(chǎn)生的靜水壓力也較大。該項(xiàng)目中，冷凍水系統(tǒng)靜水壓力在160m左右，工作壓力為2MPa。如果采用普通承壓設(shè)備，其承壓能力最大值在1MP。左右，那么水系統(tǒng)就需要在豎向做高低分區(qū)，利用板換將低區(qū)供水換熱后送往高區(qū)，這就造成了能量品位浪費(fèi)。具體到本項(xiàng)目，如果采用高低壓分區(qū)，高區(qū)冷凍水供水溫度為13/18℃，考慮到板換造成的1～2℃換熱溫差，低區(qū)冷機(jī)就需要提供11/16℃的冷水，這將導(dǎo)致冷水機(jī)組制冷效率下降。

該項(xiàng)目制冷機(jī)房內(nèi)冷卻水、冷凍水系統(tǒng)設(shè)備和閥門均采用耐壓2.5MPa。設(shè)備，相比普通承壓設(shè)備，該設(shè)備造價(jià)提高了15%，折合建筑單位面積多了6.5元/m2。但是，冷凍水系統(tǒng)取消了分區(qū)，冷機(jī)供水溫度可提高2℃左右，其制冷效率可提高6%～10%。

冷水機(jī)組的冷凍水泵采用一級泵變流量設(shè)計(jì)，泵與制冷機(jī)一對一布置，制冷機(jī)位于水泵吸人端，以降低制冷機(jī)組承壓；冷卻水泵也采用變頻流量調(diào)節(jié)措施。為防止冷機(jī)蒸發(fā)器與冷凝器出現(xiàn)運(yùn)行故障，冷凍水與冷卻水的流量變化范圍取50%～100%。

控制策略方面，冷凍水泵與冷卻水泵均按定壓變頻設(shè)計(jì)。根據(jù)運(yùn)行時(shí)間最短和設(shè)備無故障的情況排序，開啟相應(yīng)臺數(shù)的水泵，并優(yōu)先使用運(yùn)行時(shí)間少的設(shè)備；當(dāng)供水壓力高于設(shè)定壓力時(shí)，調(diào)小水泵頻率；當(dāng)供水壓力低于設(shè)定壓力時(shí)，調(diào)大水泵頻率，若水泵達(dá)頻率上限后則加開一臺水泵。

5.設(shè)計(jì)體會與總結(jié)

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)：

1）采用溫濕度獨(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng)，利用高溫冷水機(jī)組制取13/18℃冷水供給室內(nèi)干式風(fēng)機(jī)管以控制室內(nèi)溫度，利用溶液調(diào)濕新風(fēng)機(jī)組制取干燥新風(fēng)以控制室內(nèi)溫度。這種空調(diào)形式一方提高了冷機(jī)制冷效率，節(jié)省了系統(tǒng)能耗，另一方面消除了室內(nèi)盤管的潮濕表面，提高了室內(nèi)空氣品質(zhì)。

2）水系統(tǒng)采用高耐壓設(shè)備，制冷機(jī)房內(nèi)冷卻水、冷凍水系統(tǒng)設(shè)備和閥門均采用耐壓2.5MPa，取消了高低分區(qū)，避免了能量品位浪費(fèi)。

3）水泵與風(fēng)機(jī)均采用變頻運(yùn)行策略，可有效降低輸配系統(tǒng)能耗。

設(shè)計(jì)時(shí)需注意事項(xiàng)與系統(tǒng)不足：

1）在溫濕度獨(dú)立控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，高溫冷水機(jī)組的供回水溫度設(shè)定是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。選擇水溫過高，則末端盤管數(shù)量增加，系統(tǒng)初投資與室內(nèi)噪音均會隨之增加；選擇水溫過低，室內(nèi)末端則會出現(xiàn)冷凝水問題，影響系統(tǒng)運(yùn)行效果冷水機(jī)組供水溫度需根據(jù)項(xiàng)目具體情況進(jìn)行校核與調(diào)整。

2）在高層建筑設(shè)計(jì)時(shí)，水系統(tǒng)可采用高耐壓設(shè)備，可以避免高低分區(qū)，但是系統(tǒng)的初投資也隨之上升，在使用需采用耐壓范圍合理的設(shè)備，以避免初投資大幅度上升。

3）在計(jì)算室內(nèi)濕負(fù)荷時(shí)，本項(xiàng)目只考慮了室內(nèi)人員產(chǎn)濕，但當(dāng)用戶開窗時(shí)，會引入大量滲風(fēng)濕負(fù)荷，造成室內(nèi)濕度失控，因此建筑（尤其是夏季濕熱天氣時(shí)）需盡量減少開窗時(shí)間；室內(nèi)盤管也需要設(shè)置凝水管，以避免用戶開窗時(shí)盤管結(jié)露出現(xiàn)滴水。