大型變風(fēng)量系統(tǒng)在超高層建筑應(yīng)用

季汪艇

同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院（ 集團(tuán)）有 限公司

0 引言

北美國家和日本在變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng) （Variable Air Volume,VAV） 的技術(shù)路線截然不同， 系統(tǒng)規(guī)模是其中最大的差別， 即大型多層集中式系統(tǒng)在北美國家應(yīng)用較多， 中型和小型系統(tǒng)在日本和國內(nèi)更為常見[1]， 綜合文獻(xiàn)[2]列舉的國內(nèi)外超高層建筑 VAV 系統(tǒng)案例， 兩者主要差異如表1所示。

國內(nèi)設(shè)計(jì)人員對于大型系統(tǒng)， 鑒于其單位風(fēng)量輸送能耗大， 未使用樓面漏風(fēng)量大等原因， 則一般不推薦使用 [1] 。基于這些設(shè)計(jì)理念和國情背景，大型 VAV系統(tǒng)在國內(nèi)應(yīng)用較少， 在超高層建筑的應(yīng)用未見于出版物。本文通過一個(gè)大型 VAV 系統(tǒng)在上海某超高層辦公樓的實(shí)例分析， 探討該系統(tǒng)形式在國內(nèi)應(yīng)用的可行性。

表1 超高層建筑VAV系統(tǒng)不同規(guī)模的特點(diǎn)比較

1 系統(tǒng)概況

該超高層辦公樓位于上海市靜安區(qū)， 坐落于蘇州河和南京東路之間， 高 249.85m共 54 層， 塔樓建筑面積為12.3萬m2。建筑采用框架 - 核心筒結(jié)構(gòu)體系， 共設(shè)置3個(gè)避難/設(shè)備層，分 別位于 8層，24層和38層。定位甲級寫字樓，塔 樓標(biāo)準(zhǔn)層最大面積 2410m2， 辦 公部分建筑面積約 1700m2， 層 高 4.38m，控 制凈高3.0m。建筑效果圖如圖1所示。

圖1 項(xiàng)目建筑效果圖

本項(xiàng)目室外及室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)則分別如表 2 表 3所示。

表2 室外設(shè)計(jì)參數(shù)表

表3 室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)表

該項(xiàng)目冷源采用冰蓄冷系統(tǒng)， 辦公塔樓空調(diào)有條件采用低溫送風(fēng) （9 ℃） 空調(diào)系統(tǒng)。風(fēng)管系統(tǒng)按照低速風(fēng)管系統(tǒng)（最高風(fēng)速控制在 13m/s 以下，比摩阻在0.8～1.5 Pa/m 之間[1]）設(shè)計(jì)， 一般主風(fēng)管風(fēng)速在 8～10m/s， 支風(fēng)管風(fēng)速在4～6m/s。

圖2 塔樓空調(diào)系統(tǒng)原理示意圖

如圖2所示，辦公區(qū)域空氣處理機(jī)組集中設(shè)置于8層，24層，38層及54層屋頂?shù)脑O(shè)備機(jī)房/平臺內(nèi)，緊挨核心筒的南北兩組送 / 回風(fēng)井道服務(wù)于上 / 下 5～8個(gè)樓層。每組井道對應(yīng)一臺或兩臺并聯(lián)機(jī)組，單 臺空調(diào)機(jī)組風(fēng)量從56000～90000/h不等。經(jīng) 統(tǒng)計(jì)，塔 樓辦公變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備的機(jī)房井道面積約3510m（2占據(jù)設(shè)備層約 2200m2， 占 據(jù)屋頂平面約 310m2， 標(biāo) 準(zhǔn)層井道總面積約1000m2） ，占 塔樓總建筑面積約3.0%。

標(biāo)準(zhǔn)層采用吊頂靜壓箱回風(fēng)，南 北管井出來的送風(fēng)管道連成環(huán)狀，內(nèi) 外區(qū)均采用帶熱水再熱盤管的串聯(lián)式風(fēng)機(jī)動力末端 （Fan Powered Terminal Unit,FPTU），如 圖3所示。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)層風(fēng)系統(tǒng)平面示意圖

2 風(fēng)機(jī)單位風(fēng)量耗功率Ws 的討論

風(fēng)機(jī)單位風(fēng)量耗功率風(fēng)機(jī)單位風(fēng)量耗功率Ws按式 （1） 計(jì)算 [3-4] ：

式中：Ws為單位風(fēng)量耗功率， W/(m3/h)；P為風(fēng)機(jī)全壓值， Pa；ηt為包含風(fēng)機(jī)，電機(jī)及傳動效率在內(nèi)的總效率， %。

大型多層集中式系統(tǒng)由于服務(wù)樓層多， 井道風(fēng)速大， 因此Ws比常規(guī)系統(tǒng)大， 須滿足國家及地方節(jié)能規(guī)范 [3-4] 的要求， 本項(xiàng)目系統(tǒng)屬于辦公建筑中冷熱盤管分用、 帶粗中效過濾 （G4+F7） 的變風(fēng)量系統(tǒng)， 根據(jù)規(guī)范[3-4]其限值為0.69。 選擇塔樓系統(tǒng)靜壓最大的空調(diào)箱 （設(shè)計(jì)風(fēng)量80000m3/h） 阻力進(jìn)行分析， 如表4所示。

表4 塔樓典型空調(diào)系統(tǒng)全壓計(jì)算

可選用常規(guī)離心風(fēng)機(jī)（風(fēng)量 80000m3/h，全壓1420 Pa），經(jīng)選型，風(fēng)機(jī)全壓效率為 0.79，電機(jī)效率0.95， 傳動效率0.92。 計(jì)算Ws值為0.57， 低于規(guī)范限值0.69。

可選用無蝸殼風(fēng)機(jī)墻 （風(fēng)量 10000× 8m3/h， 全壓1420 Pa），經(jīng)選型，風(fēng)機(jī)全壓效率為 0.64，電機(jī)效率0.95， 傳動效率1.0 （直驅(qū)）。計(jì)算Ws值為 0.65， 低于規(guī)范限值0.69。

從規(guī)范限定Ws值要求來看，常規(guī)離心風(fēng)機(jī)和無蝸殼風(fēng)機(jī)墻選型均能滿足。由于無蝸殼風(fēng)機(jī)相比常規(guī)有蝸殼離心風(fēng)機(jī)， 運(yùn)行噪聲更低（特別是 63 Hz，125 Hz和250 Hz的低頻噪聲），聲學(xué)顧問建議采用無蝸殼離心風(fēng)機(jī)墻。

3 全新風(fēng)運(yùn)行的討論

一般來說，塔樓空調(diào)系統(tǒng)由于土建條件的限制，很難布置出很大的新風(fēng)井道， 實(shí)現(xiàn)可變新風(fēng)比的難度較高。本項(xiàng)目塔樓由于采用集中式變風(fēng)量系統(tǒng)， 在過渡季節(jié)和冬季能夠?qū)崿F(xiàn)最大 100%全新風(fēng)運(yùn)行，有效改善空調(diào)區(qū)內(nèi)的空氣品質(zhì)， 同時(shí)充分利用室外低溫低焓的空氣進(jìn)行免費(fèi)冷卻。根據(jù)李魁山等[5]關(guān)于新風(fēng)冷卻時(shí)間的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，上海地區(qū)辦公建筑在 8:00-18:00營業(yè)時(shí)段內(nèi)全年新風(fēng)冷卻 （室外溫度 0～21 ℃） 可用小時(shí)數(shù)為1540 h， 占總營業(yè)時(shí)間的 42%。全新風(fēng)運(yùn)行為空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能運(yùn)行提供很大的便利。

超高層辦公空調(diào)房間無可開啟外窗或外門， 且外幕墻氣密性較好， 相對封閉， 因此系統(tǒng)新風(fēng)量的變化無法利用壓差通過門縫或窗縫壓出。本項(xiàng)目每臺空調(diào)箱對應(yīng)設(shè)置一臺排風(fēng)風(fēng)機(jī)， 自控系統(tǒng)根據(jù)回風(fēng)立管靜壓設(shè)置值， 啟停風(fēng)機(jī)或變頻控制排風(fēng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速。

不同工況下的運(yùn)行控制策略如表5所示。

表5 變風(fēng)量系統(tǒng)運(yùn)行策略

所有工況下，系統(tǒng)送風(fēng)量根據(jù)送風(fēng)主管 2/3處的測壓數(shù)據(jù)調(diào)整空調(diào)箱風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制， 外區(qū)加熱盤管根據(jù)相應(yīng)區(qū)域溫度調(diào)節(jié)開度。標(biāo)準(zhǔn)層回風(fēng)風(fēng)閥根據(jù)本層空間靜壓監(jiān)測值與設(shè)定值的偏差調(diào)節(jié)開度。自控系統(tǒng)關(guān)閉非使用空間對應(yīng)的一次風(fēng)風(fēng)閥或該樓層的送回風(fēng)主干管風(fēng)閥。

4 結(jié)論

通過上述討論， 大型多層集中式變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)用于該超高層辦公， 在機(jī)房維護(hù)、 故障備用性方面有其本身優(yōu)勢， 同時(shí)通過仔細(xì)設(shè)計(jì)， 利用低溫送風(fēng)的優(yōu)勢， 降低空調(diào)送風(fēng)量， 控制系統(tǒng)阻力損失， 保證系統(tǒng)單位風(fēng)量耗功率能滿足國家和地方的節(jié)能要求。系統(tǒng)最大引入100%新風(fēng)運(yùn)行，有效改善空調(diào)區(qū)內(nèi)的空氣品質(zhì)， 降低制冷機(jī)組開啟時(shí)間， 成為系統(tǒng)節(jié)能運(yùn)行的有效手段。因此，多層集中合設(shè)變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)結(jié)合低溫送風(fēng)作為是超高層建筑暖通系統(tǒng)的一個(gè)方案選擇。

參考文獻(xiàn)

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[5] 李魁山,馬曉瓊,王小芝.不同類型建筑新風(fēng)免費(fèi)冷卻時(shí)間的研究[J].暖通空調(diào),2012,42(3):70-75