某高層辦公綠色建筑的暖通空調設計

孫婷婷

(廈門市瑞達置業有限公司福建廈門361000)

某高層辦公綠色建筑的暖通空調設計

孫婷婷

(廈門市瑞達置業有限公司福建廈門361000)

結合項目實際，分析和總結了綠色建筑的空調系統設計，重點從冷源的選擇如采用水冷式+直流變頻式空調系統、變頻調速技術的應用如采用冷凍一次變頻泵、新排風能量回收分析如采用此項技術的成本回收期分析、空調冷卻塔補水方式如采用回收雨水和冷凝水的非傳統冷源補水等角度詳述了空調技術在綠色建筑上的應用。

綠色建筑;空調設計;變頻調速技術;新排風的能量回收;冷卻塔補水方式

0 引言

隨著社會的進步、科技的發展，綠色建筑越來越被人們所重視，2014年新版《綠色建筑評價標準》的出版更推進了這一趨勢。

眾所周知在建筑整體能耗中，空調系統所占能耗是最大的(高達40％～50％)，因此加強建筑設計中空調設計的節能環保性就顯得十分必要。

某高層辦公項目，位于廈門市思明區觀音山片區，項目周邊配套豐富，交通便利。該項目要達到《綠色建筑評價標準》規定的二星要求，獲得綠色建筑二星級的標識。為此，在設計過程中，空調系統的設計起到了至關重要的作用。

本文擬就論述該高層綠色建筑的暖通空調設計。

1 工程概況

工程規模:該項目分南、北2棟樓，工程總建筑面積:93 658.82m2，地下建筑面積:24 504.63m2，地上建筑面積:70 421.95m2。南樓地上建筑24層，北樓地上建筑29層，地下建筑3層(局部4層)，建筑最大高度127.44m。

功能布局:地下室均為汽車庫、設備用房，地下三層局部戰時轉換為核6級常6級二等人員掩蔽所，地上一、二層為商業，三層以上均為辦公(其中北樓十層、二十層及屋面為避難層)。建筑效果圖如圖1所示。

圖1 建筑效果圖

2 空調設計在綠色建筑上的應用

為達到綠色建筑二星級標準，需要采取一系列空調技術措施，但有些措施對于該項目卻并不適用。本著經濟適用、實施性強的原則，確定了一系列必選的技術措施，并對其中一些技術措施進行反復的研究和技術比對。

2.1 空調冷源的選擇

2.1.1 各種冷源分析

(1)直燃機系統

直燃機系統可夏季制冷、冬季制熱、耗電量較小，運行時較平穩、噪音小、振動小，但使用有一定的安全隱患且維修費用高，使用壽命短，運行費用高，初投資費用高。該項目因不需要冬季制熱且考慮直燃機系統初投資費用和運行維護費用都比較高，故空調冷源不采用直燃機系統。

(2)冰蓄冷系統

冰蓄冷系統可利用電網峰谷荷電力差價，降低空調運行費用且制冷主機容量減少，可減少空調系統電力增容費和供配電設施費。但初投資費用高，機房占地面積大，系統設計和控制調節也較為復雜。考慮到廈門峰谷電價的優勢并不是太大且系統控制調試復雜，以后項目運行中如系統控制不佳根本達不到節能效果，故該項目不采用。

(3)風冷熱泵系統

風冷熱泵系統可夏季制冷、冬季制熱，沒有冷卻水系統和冷卻塔、冷卻水泵，但機組需要在室外設置較大的室外機平臺，運行噪音較大，且夏季能效較低(相對冷水機組)，隨著室外溫度的降低效率衰減較大。該項目因不需要冬季制熱，屋頂需要做屋頂花園沒有足夠的空間放置風冷熱泵室外機，且風冷熱泵機組效率相對冷水機組低，即運行中費用相對高，故空調冷源不采用風冷熱泵系統。

(4)其他熱泵系統

其他熱泵系統包括地源熱泵、水源熱泵系統。地源熱泵、水源熱泵系統屬可再生能源，但使用都受相應條件限制，如地源熱泵系統受打井區域、場地限制;水源熱泵系統受可利用水源條件、水層地理結構限制。該工程相應條件均不具備，故無法采用地源熱泵、水源熱泵系統。

(5)水冷式系統

水冷式系統運行可靠，運行費用低，維護簡單方便且主機效率高，不受氣溫影響，使用壽命長，但需要占用一定的室內機房面積(相比直燃機系統、冰蓄冷系統機房占用面積小)，只能用于夏季制冷。該項目因不需要冬季制熱且水冷式系統相對于其他系統有著運行費用較低、維護簡單、主機效率高的特點，占用室內機房面積也比直燃機系統和冰蓄冷系統小，故適合該項目使用。

2.1.2 冷源選擇

該項目北樓為總部大樓(部分出租)，南樓為整體辦公出售，項目位于廈門市，屬夏熱冬暖地區，空調只考慮夏季制冷。根據項目特點和各種冷源分析，最終與設計院確定北樓主機采用水冷冷水機組，為北樓及南樓新風機組供冷，并對冷水機組組合形式在夜間負荷與總負荷比例關系(總部為金融公司，夜間需要經常加班)、運行費用、主機運行效率等方面進行分析論證，確定冷水機組采用二大一小的組合形式(二臺離心機，一臺螺桿機，螺桿機負荷約為總負荷的20％);南樓因出售性質，為了更好地計費，采用直流變頻多聯式空調系統，空調室外機置于同層外墻空調板處。

2.1.3 冷源機組能效要求

為了達到綠色建筑二星級標準，空調系統冷源機組能效要求均優于現行國家標準《公共建筑節能設計標準》GB50189－2015的規定(以下簡稱節能規范)——冷水機組的制冷性能系數(COP)比節能規范要求提高6％，多聯式空調機組的制冷綜合性能系數(IPLV(C))比節能規范要求提高8％。2015版節能規范要求夏熱冬暖地區水冷螺桿式機組在制冷量大于528kW、小于1163kW時COP值不低于5.3，水冷離心式機組在制冷量大于2 110kW時COP值不低于5.9，多聯式空調機組在制冷量大于28kW大小于84kW時IPLV(C)值不低于3.95，而該項目選用的兩臺2 500kW離心冷水機組的COP值達到6.25，一臺1 094kW螺桿冷水機組的COP值達到5.62，多聯式空調機組的制冷綜合性能系數IPLV(C)值達到6.3，均滿足福建省綠色建筑評價標準的要求。

2.2 空調系統的設計

2.2.1 變頻調速技術的應用

考慮到空調系統長期處于部分負荷的運行狀態，系統中采用變頻技術就具有顯著節能的效果。不管是空調冷凍泵、送風量大的空氣處理機組、通風機還是空調冷卻塔風機都應考慮采用變頻技術。

以空調冷凍泵為例，泵的流量與轉速成正比，揚程與轉速的平方成正比，軸功率與轉速的立方成正比。由此可見當降低轉速時，功率的減少遠比流量的減少量大得多，因此降低水泵轉速就能使單位供水量的電耗減少。對于空調冷凍泵來說，變頻調試供水，主要是通過壓力變送器檢測管網水壓，并將水壓信號轉化為電流性號，反饋給變頻器內單片機;單片機根據水壓情況調整水泵電機輸入頻率，從而使水泵轉速改變。

除此之外，變頻器采用微機控制，具有16種電壓－頻率特征曲線可供選擇，因而拖動各種不同性質的負荷均能進入最佳運行狀態，電機的加速和減速時間能根據負荷的要求來調整，在啟動運行過程中做到了軟啟動，避免了泵的抽空現象。

空調冷凍泵采用變頻技術不僅可以在運行過程中起到顯著的節能效果還能降低啟動電流，提高功率因數，對電機起到保護功能［1］。

2.2.2 新排風的能量回收

新排風的能量回收即熱回收機組充分回收利用排風中的冷/熱量，對新風進行預冷(預熱)，從而減小新風負荷以達到節能的目的。《福建省綠色建筑設計規范》(DBJ/T 13－197－2014)9.3.8條規定:“經技術經濟比較合理時，新風宜經排風熱回收裝置進行預冷或預熱處理”［2］。由此可見，是否做排風熱回收，首先要進行經濟性分析。

該項目室外空調設計溫度為33.5℃，室內設計溫度26℃，以北樓為例，每層新風量3 500m3/h～4 000m3/h，總新風量96 490m3/h，如采用全熱轉輪熱回收裝置，全熱回收效率為62％，由此計算出夏季新風送風溫度為:t=33.5－(33.5－26)×62％= 28.85℃，h(焓)=87.93－(87.93－53.31)×62％= 66.47KJ/Kg。計算結果如表1所示。

表1 全熱回收前后送風溫度和焓值

回收能量=單位時間空氣流量x新風經轉輪式換熱器前后的焓差=96 490×1.293×(87.93－66.47)/3600=743.7kW。

空調冷水機組能效比平均按6計算，處理743.7kW負荷所消耗的電功率為:743.7/6=124kW，但由于增加了轉輪熱回收，機組的送/排風阻力有所增加，這部分增加的阻力所消耗的功率為:96 490× 250/62％/3 600/1 000=10.8kW。

選擇3臺轉輪熱回收機組，2臺處理風量為34 200m3/h，1臺處理風量為28 090m3/h，3臺轉輪機組耗電:28×2+24=80kW，熱回收轉輪的凈節能功率為:124－10.8×2－80+34.35=56.75kW。以夏季運行5個月，每月按25d、每天運行10h、電價按1.0元/kWh計算，增加轉輪熱回收機組一個夏季所能節省的電費為:56.75×10×25×6/10 000=7.09萬元。根據廠家報價，3臺轉輪機組的總報價為38.7萬元，靜態回收期為38.7/7.09=5.46年。考慮到靜態回收期較長且南樓為出售性質，故該項目不采用新排風能量回收技術。

2.2.3 空調冷卻塔補水方式

《福建省綠色建筑設計規范》(DBJ/T 13－197－2014)9.3.14條規定:“暖通空調系統冷卻水補水鼓勵采用非傳統水源”［2］。該項目結合給排水專業，在地下三層設置了1個100m3混凝土雨水收集箱和1個20m3清水箱，收集屋面、路面雨水及空調冷凝水。收集后的雨水及冷凝水進入雨水收集箱，經過濾消毒處理后用于車庫沖洗、綠化澆灌、道路澆灑及冷卻塔補水。根據《福建省綠色評價標準》(DBJ/T 13－118－2014) 6.2.11條規定:“冷卻水補水使用非傳統水源占其總用水量的比例不低于50％時，可得滿分8分”［3］。

該項目冷卻水系統循環水量為:1 500m3/h，補水量按冷卻循環水量的1.5％計算，冷卻塔日均補水量Wtd=0.6×500×1.5％×10=135m3/d(公式參照《民用建筑節水設計標準》GB50555－2010［4］)，全年冷卻塔使用天數為125d，則全年空調冷卻水補水量Wta= 135×125=16 875m3/a。

根據《全國民用建筑工程設計技術措施－暖通空調·動力》2009版第5.10.6條規定:“1kW冷負荷每小時約產生0.4kg～0.8kg的冷凝水”［5］，該項目按0.6Kg/h計算，項目總冷負荷約為12 298kW，其冷凝水產量為7.379m3/h，冷凝水5月～9月每月產生量為7.379×10×25=1 844.75m3/月，考慮到出租率、用戶使用習慣以及不可預計水量損失等因素，實際冷凝水收集量按0.8計算，即空調冷凝水每月產生量為: 1 844.75×0.8=1 475.8m3/月。雨水和冷凝水收集量減去綠化、道路澆灑和車庫沖洗用水后即為冷卻塔補水量，具體如表2所示。

表2 雨水利用水量平衡計算表

從表2可知，冷卻塔補水量為8 489.7m3/a，則冷卻水補水使用非傳統水源的比例為:8 489.7/16 875× 100％=50.3％＞50％，故該項目在空調冷卻塔水補水方面可得滿分8分。

2.3 空調自動控制系統設計

除常規控制外，根據該工程暖通設計特點，設置了一些特殊的控制。如人員密度變化相對較大的房間(多功能廳)設置二氧化碳監測裝置，聯動控制室內新風量和空調系統的運行;地下汽車庫設計一氧化碳濃度監測裝置，根據車庫內一氧化碳濃度監測裝置對風機采用變頻調速控制或啟停控制，以降低風機的運行能耗;冷卻水系統自動控制:冷水機組運行時冷卻水最低回水溫度控制，冷卻塔風機運行臺數及風機調速控制。

3 結語

以上為該項目空調設計在綠色建筑上采取的一些措施，通過這些措施暖通專業在綠色建筑評審中得到38分(其中節能與能源利用上得到20分，節水與水資源利用上得到3分，室內環境質量上得到15分)，也正是因為空調諸多節能技術的設計，使得該項目最終綠色建筑總得分達到65.78分，順利通過綠色建設二星審查。

［1］楊銳，趙樸夫．變頻調速技術在中央空調系統中的應用［J］．山西建筑，2005(07):148－150．

［2］DBJ/T 13－197－2014福建省綠色建筑設計規范［S］．福建省住房和城鄉建設廳，2014．

［3］DBJ/T 13－118－2014福建省綠色建筑評價標準［S］．福建省住房和城鄉建設廳，2014．

［4］GB50555－2010民用建筑節水設計標準［S］．北京:中國建筑工業出版社，2010．

［5］中國建筑標準設計研究院．全國民用建筑工程設計技術措施暖通空調·動力(2009版)［M］．北京:中國計劃出版社，2009．

圖8 配電箱、柜效果圖

3．5其他重點部位的創優

(1)吊頂內管線布設除了按天棚布局要求外，支吊架布設位置與吊頂裝飾的工序配合是至關重要的。在安裝管線時就應考慮到燈具、噴淋頭、煙溫感器、喇叭、攝像頭等器具的布設，以便在做吊頂時做到居中安裝。走廊內超長燈具采用熱鍍鋅管通長加固在兩側增加吊點做到安全可靠，注意天棚內接線盒引出的導線必須套金屬軟管，不允許有導線明露。

(2)防雷裝置測試卡應根據要求設置，不能突出建筑物過多，有利于測試方便。要與外墻面整體協調，觀感良好、接地標識清楚。

4 結語

本工程于2015年獲得“魯班獎”。“魯班獎”工程是以滿足國家法規、規范的工程質量為基礎，優中選優，綜合優勢強的工程，所以施工企業必須始終堅決貫徹“人無我有、人有我優、人優我精、人精我特”的創優質思路，弘揚大國工匠精神的信念才能達到創優目的，實現創建目標。該文希望能為施工企業電氣分部工程的創優提供一些思路和做法，達到提高施工質量的目的。

參考文獻

［1］GB50303－2015建筑電氣工程施工質量驗收規范［S］．北京:中國計劃出版社，2015．

HVAC Design of a High－rise office Green Building

SUN Tingting
(Xiamen City Ruida Property Co．，Ltd．，Xiamen 361000)

Combined with the actual project，the paper analyzes and summarizes the design of air conditionging system for green building.Focus from the choice of cold source:such as water－cooled and DC frequency conversion air conditioning system、Application of frequency control technique:such as the application of variable－frequency primary pump technology、Energy recovery analysis of fresh air and exhaust air: such as analysis of cost Pay－Back period based on using this technology、Water supply mode of air conditioning cooling tower:such as using reclaimed rainwater and condensate water.From the above aspects described the application of air conditioning technology in the green building.

Green building;Air conditioning design;Frequency control technology;Energy recovery of fresh air and exhaust air;Water supply mode of air conditioning cooling tower

TU831．3+5

:A

:1004－6135(2017)01－0085－04

孫婷婷(1983．7－)，女，工程師。

E-mail:343882776@qq．com

2016－10－20