大型商辦樓的空調(diào)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

上海復(fù)旦規(guī)劃建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司 上海 200433

1 工程概況

背景項(xiàng)目位于上海市黃浦區(qū)南端黃浦江畔，占地面積約8 681 m2，總建筑面積約41 595 m2，建筑高度約24 m，地下3層，功能為車庫、設(shè)備用房和輔助用房等，地上5層，其中1、2層為百貨商場，3層為預(yù)留餐飲層，4、5層為集團(tuán)總部辦公區(qū)域。建筑效果圖如圖1所示。

圖1 建筑效果圖

2 空調(diào)設(shè)計(jì)參數(shù)

本工程室內(nèi)外設(shè)計(jì)參數(shù)見表1、表2[1,2]。

表1 室外設(shè)計(jì)參數(shù)

3 空調(diào)冷熱源

本工程空調(diào)面積17 979 m2，中央空調(diào)部分總冷負(fù)荷為2 140 kW，總熱負(fù)荷為807 kW。采用2臺在額定工況下每臺制冷量為720 kW、制熱量758 kW的滿液式地源熱泵機(jī)組，地源熱泵機(jī)組的冷水供、回水溫度為7 ℃、13 ℃，熱水供、回水溫度為45 ℃、39 ℃。由于冷負(fù)荷大于熱負(fù)荷，另外采用1臺在額定工況下制冷量為704 kW的螺桿式冷水機(jī)組同時(shí)作為空調(diào)冷源，冷水機(jī)組的冷水供、回水溫度為7 ℃、13 ℃，夏季運(yùn)行冷水機(jī)組與地源熱泵，冬季只運(yùn)行2臺地源熱泵機(jī)組，地源熱泵機(jī)組和冷水機(jī)組設(shè)在地下1層的獨(dú)立冷熱源機(jī)房內(nèi)。

表2 室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)

4 地源熱泵

4.1 埋管換熱器選型

根據(jù)項(xiàng)目地區(qū)的地質(zhì)條件及當(dāng)?shù)仡愃乒こ探?jīng)驗(yàn)，考慮工程綜合造價(jià)和施工難度，本工程采用深度為90 m的單U形垂直并聯(lián)埋管方式[3]。

將測試數(shù)據(jù)及擬合的結(jié)果分別進(jìn)行分析計(jì)算，得到巖土體的熱物性參數(shù)見表3。

通過巖土熱響應(yīng)試驗(yàn)，得到巖土體綜合導(dǎo)熱系數(shù)為2.1 W/（m·K），巖土體初始平均溫度為19.0 ℃，與當(dāng)?shù)厝昶骄鶜鉁叵喈?dāng)，可代表項(xiàng)目所在地以及周圍區(qū)域的巖土溫度狀況。綜合地質(zhì)條件適宜采用地埋管地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)[4,5]。

表3 巖土體熱物性測試結(jié)果

根據(jù)《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》（2009版）中4.3.3條文解釋：

最大釋熱量=∑[空調(diào)分區(qū)冷負(fù)荷×（1+1/EER）]+∑輸送過程得熱量+∑水泵釋放熱量；

最大吸熱量=∑[空調(diào)分區(qū)熱負(fù)荷×（1-1/COP）]+ ∑輸送過程失熱量-∑水泵釋放熱量。

EEP、COP分別為空調(diào)的制冷能效比和制熱能效比。

根據(jù)前述冷熱負(fù)荷及冷熱源主機(jī)選型，忽略輸送過程得熱量及水泵釋放熱量，可得到地埋管換熱器的最大釋熱量為1 696 kW；最大吸熱量為647 kW。

根據(jù)熱響應(yīng)測得的單位延米加熱量、放熱量以及地埋管換熱器的最大釋放量、吸熱量，可以計(jì)算得出為滿足本工程夏季、冬季空調(diào)工況需要的豎井?dāng)?shù)量：N1=343口；N2=195口。N1、N2分別夏季、冬季設(shè)計(jì)工況下所需地埋管豎井?dāng)?shù)量。

所以本工程地下埋管換熱器共計(jì)打孔345個(gè)，深度為90 m，采用垂直埋管，鉆孔間距為4.5 m×4.5 m，孔徑為135 mm，孔內(nèi)采用φ32 mm的HDPE100管，單U形連接，地下埋管換熱器環(huán)路的水平管根據(jù)不同阻力接至窗井內(nèi)不同的集水器，每個(gè)集水器母管上加平衡閥，且每個(gè)環(huán)路供、回水上均安裝截止閥。

4.2 土壤熱平衡分析及措施

本工程地埋管夏季向土壤放熱量要比冬季取熱量大很多，系統(tǒng)長期運(yùn)行后，放熱量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于取熱量，土壤溫度將逐漸上升，制冷工況下的放熱功率會呈現(xiàn)衰減的趨勢。因此完全采用土壤熱泵系統(tǒng)供冷供熱不能滿足長期運(yùn)行的需要，需有其他輔助的的方式來進(jìn)行調(diào)節(jié)，本工程采用冷卻塔在夏季消除多余熱量，為此，利用軟件模擬了地埋管20年的取、放熱量特性，并以此作為冷卻塔選型依據(jù)。

根據(jù)地埋管模擬結(jié)果，模擬地埋管20年的年均取熱量為556 348 kW·h，而放熱量為1 272 269 kW·h，故設(shè)置1臺150 m3/h水流量的閉式橫流冷卻塔，以消除多余熱量，配以合理的運(yùn)行控制，地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行20年后的土壤溫度為19.9 ℃，比土壤初始溫度提高了0.9 K，能夠較好地保證整個(gè)地源熱泵系統(tǒng)長期高效、穩(wěn)定運(yùn)行。

地源及冷卻塔系統(tǒng)控制方式：

1）冬季：只采用地埋管為系統(tǒng)提供熱量；

2）過渡季：當(dāng)只運(yùn)行1臺地源熱泵機(jī)組供冷時(shí)，采用地埋管支路進(jìn)行冷卻；當(dāng)需要運(yùn)行第2臺地源熱泵供冷時(shí)，則同時(shí)打開閉式冷卻塔支路，共同作為主機(jī)冷卻用；

3）夏季：當(dāng)運(yùn)行冷水機(jī)組時(shí)，需同時(shí)啟動(dòng)1臺冷卻塔；當(dāng)只運(yùn)行地源熱泵機(jī)組時(shí)，監(jiān)測地埋管的供水溫度，使之不高于30 ℃，當(dāng)達(dá)到30 ℃時(shí)啟動(dòng)閉式冷卻塔；當(dāng)系統(tǒng)滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，冷卻塔與地埋管同時(shí)運(yùn)行。

5 水系統(tǒng)

本工程空調(diào)冷熱水系統(tǒng)采用單式泵變流量系統(tǒng)，一泵對一機(jī)，通過變頻水泵來適應(yīng)流量變化，但是單機(jī)的最小流量不得低于機(jī)組額定流量的65%，根據(jù)負(fù)荷量增減投入制冷機(jī)組。空調(diào)水系統(tǒng)采用兩管和四管混合的形式，其中兩管制管道夏季為冷水，冬季為熱水，四管制夏季只使用2根冷水管道，冬季2根冷水管道、2根熱水管道同時(shí)使用，實(shí)現(xiàn)冬季同時(shí)供冷及供熱。大樓空調(diào)機(jī)房內(nèi)的空氣處理機(jī)組、新風(fēng)機(jī)組均采用兩管制，夏季供冷，冬季供熱，吊頂式空調(diào)機(jī)組采用四管制。空調(diào)冷熱水系統(tǒng)采用異程式系統(tǒng)，采用平衡閥平衡系統(tǒng)水量，通過設(shè)在冷熱源機(jī)房內(nèi)的真空脫氣定壓機(jī)組來補(bǔ)水、定壓。

6 風(fēng)系統(tǒng)

6.1 空調(diào)形式

1）地下夾層主要為活動(dòng)室、檔案室等小房間，采用風(fēng)機(jī)盤管加新風(fēng)系統(tǒng)。

2）1、2層百貨商場各分為南北2個(gè)空調(diào)分區(qū)，采用全空氣系統(tǒng)結(jié)合吊頂式空調(diào)機(jī)組的形式，夏季空調(diào)機(jī)房內(nèi)的空氣處理機(jī)組承擔(dān)新風(fēng)負(fù)荷與一半室內(nèi)負(fù)荷，吊頂式空調(diào)機(jī)組承擔(dān)另一半室內(nèi)負(fù)荷；吊頂式空調(diào)機(jī)組根據(jù)回風(fēng)溫度傳感器信號，通過調(diào)節(jié)器比例調(diào)節(jié)水路電動(dòng)閥進(jìn)行加熱或冷卻，使室溫趨近設(shè)定溫度。冬季空調(diào)機(jī)房內(nèi)空氣處理機(jī)組承擔(dān)新風(fēng)負(fù)荷與大部分供冷負(fù)荷，吊頂式空調(diào)機(jī)組根據(jù)其位置（外區(qū)或內(nèi)區(qū)）進(jìn)行加熱或冷卻。空調(diào)機(jī)房內(nèi)的空氣處理機(jī)組冬、夏季新風(fēng)比約40%，過渡季節(jié)新風(fēng)比100%，通過電動(dòng)調(diào)節(jié)閥自動(dòng)調(diào)節(jié)。

3）3層餐飲區(qū)空調(diào)機(jī)房需經(jīng)協(xié)商后再進(jìn)行設(shè)計(jì)。

4）4、5層為辦公區(qū)，采用變風(fēng)量地板送風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)，其中4層分為11個(gè)空調(diào)分區(qū)，5層分為18個(gè)空調(diào)分區(qū)。新風(fēng)處理機(jī)組把處理好的新風(fēng)送至各空調(diào)分區(qū)，各空調(diào)分區(qū)內(nèi)均設(shè)有1臺地臺送風(fēng)空氣處理機(jī)（CAM），變風(fēng)量末端采用壓力無關(guān)風(fēng)機(jī)動(dòng)力型地臺終端機(jī)。

6.2 地板送風(fēng)

舒適性與室內(nèi)空氣品質(zhì)是空調(diào)系統(tǒng)成功與否的關(guān)鍵因素，地板送風(fēng)的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1）布置靈活，可根據(jù)實(shí)際需要增減末端裝置，也可以根據(jù)裝修隔斷調(diào)整末端布置。

2）可改善室內(nèi)空氣品質(zhì)和舒適度。

3）送風(fēng)溫度的提高有利于空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能運(yùn)行，過渡季節(jié)可更大程度地利用全新風(fēng)系統(tǒng)，且地板送風(fēng)可以降低部分負(fù)荷下的能耗。

4）末端清洗方便，有利于系統(tǒng)的清潔運(yùn)行，提高空氣質(zhì)量。

本工程4、5層辦公區(qū)末端采用變風(fēng)量地板送風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)，各層分為若干個(gè)空調(diào)分區(qū)，這些分區(qū)通過架空地板下的防火墻來分隔。地板送風(fēng)設(shè)計(jì)思路如下：

1）分區(qū)域設(shè)置新風(fēng)機(jī)組，新風(fēng)經(jīng)過新風(fēng)處理機(jī)后送至各空調(diào)分區(qū)，可滿足人員新風(fēng)的要求，改善了室內(nèi)空氣品質(zhì)，新風(fēng)機(jī)組承擔(dān)新風(fēng)負(fù)荷，減小室內(nèi)末端機(jī)組的負(fù)荷。

2）各空調(diào)分區(qū)均設(shè)有1臺地臺送風(fēng)空氣處理機(jī)組（CAM），合理布置在辦公區(qū)域，處理后的空氣利用架空地板下的靜壓空間來進(jìn)行空氣分布，有效利用了混凝土地板的蓄能特性，從而達(dá)到節(jié)能的目的。

3）變風(fēng)量末端采用壓力無關(guān)風(fēng)機(jī)動(dòng)力型地臺終端機(jī)，外區(qū)末端帶加熱盤管。終端機(jī)的運(yùn)作根據(jù)終端機(jī)閥門開/關(guān)的數(shù)量來調(diào)節(jié)CAM的風(fēng)量。送風(fēng)量根據(jù)風(fēng)扇電流輸出而改變，通過終端機(jī)控制器（開/關(guān)閥門）與空調(diào)機(jī)組控制器的數(shù)據(jù)交換，完成控制操作。

4）送風(fēng)半徑和架空地板尺寸：架空地板的高度不僅影響空氣循環(huán)的摩擦損失，也會影響空氣處理機(jī)的送風(fēng)情況。從安全角度來說，200 mm是最小值，本工程采用的架高為300 mm，以獲得最佳的空調(diào)效果。架高與送風(fēng)半徑的關(guān)系如表4所示。

表4 地板架高與送風(fēng)半徑的關(guān)系

7 綠色設(shè)計(jì)

根據(jù)業(yè)主要求，本工程需申報(bào)國家三星級和LEED-CS金級認(rèn)證。暖通專業(yè)按照GB/T 50378—2006《綠色建筑評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》及LEED-CS認(rèn)證，為配合其他專業(yè)，主要采取了以下節(jié)能措施[6,7]：

1）提高建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫隔熱性能，減少空調(diào)采暖運(yùn)行時(shí)的冷熱損失。

2）冷水機(jī)組和地源熱泵機(jī)組的性能系數(shù)分別為5.33、5.63，均符合國家節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定值。

3）空調(diào)處理機(jī)組設(shè)置新、排風(fēng)熱交換器，回收部分排風(fēng)能量。額定熱回收率＞60%。

4）商場、餐飲、會議室空調(diào)系統(tǒng)的新風(fēng)補(bǔ)風(fēng)量采用室內(nèi)二氧化碳濃度控制方法，空氣處理機(jī)組新風(fēng)比可調(diào)，避免人數(shù)較少時(shí)的新風(fēng)能耗浪費(fèi)。

5）4、5層辦公區(qū)末端采用變風(fēng)量地臺送回風(fēng)系統(tǒng)，減少部分負(fù)荷時(shí)的能源浪費(fèi)。

6）空調(diào)冷凍水和熱水循環(huán)系統(tǒng)采用大溫差（6 K）供、回水，水系統(tǒng)設(shè)置一次泵變頻循環(huán)，減少水泵能耗。冷熱水系統(tǒng)的最大輸送能效比小于規(guī)范規(guī)定值。

7）利用天然冷源，利用制冷系統(tǒng)冷卻塔或地埋管，冬季免費(fèi)供冷系統(tǒng)。

8）對空調(diào)系統(tǒng)中各耗能環(huán)節(jié)如冷熱源、輸送系統(tǒng)、空調(diào)末端等實(shí)現(xiàn)獨(dú)立分項(xiàng)計(jì)量。

9）空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)采用了自動(dòng)控制，既提高了使用的舒適性，又防止了因超溫和不合理運(yùn)行造成的浪費(fèi)。

8 結(jié)語

1）對于夏季冷負(fù)荷遠(yuǎn)比冬季熱負(fù)荷大得多的工程，為了保持地埋管換熱器的全年釋熱量和吸熱量的平衡及盡量降低初投資，可采用冷水機(jī)組（冷卻塔散熱）及地源熱泵的冷熱源方式；

2）對于向土壤放熱量比向土壤取熱量大得多的地源熱泵系統(tǒng)，根據(jù)軟件模擬結(jié)果確定輔助散熱的冷卻塔選型，并通過合理的控制方式，保證地源熱泵長期、高效、穩(wěn)定的運(yùn)行；

3）只有通過對變風(fēng)量地板送風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)新風(fēng)機(jī)組、CAM、地臺終端機(jī)等的合理設(shè)計(jì)才能保證空調(diào)舒適性和室內(nèi)空氣品質(zhì)；

4）對于綠色建筑的設(shè)計(jì)，需比對標(biāo)準(zhǔn)的控制項(xiàng)和一般項(xiàng)，配合其他專業(yè)，精心設(shè)計(jì)，采取合理的技術(shù)措施，才能設(shè)計(jì)出真正的綠色建筑。