深圳建科大樓復合式節能空調系統設計

周俊杰 吳大農

深圳市建筑科學研究院股份有限公司

深圳建科大樓是深圳建科院融合了“本土化、 低成本、 低資源消耗、 可復制” 的綠色建筑理念自行研究策劃、 自主設計的綠色辦公建筑。是首批國家財政部、建設部可再生能源示范項目。是深圳市第一批建筑節能和綠色建筑示范項目以及深圳市可再生能源利用城市級示范工程項目。是國家第一批可再生能源建筑應用示范項目、 全國首個 “百項綠色建筑與百項低能耗建筑示范工程” ，通過國家綠色建筑設計三星級標識、 國家綠色建筑運行評價三星級標識評審。

1 項目概況

本工程總建筑面積 18169m2， 地下 2 層， 地上 12層， 總建筑高度57.9m， 是集實驗、 研發、 辦公、 學術交流等于一體的多功能綜合建筑。大樓空調總面積9300m2， 夏季冷負荷為 1100 kW， 采用分散+集中， 多種節能技術融合的復合式空調系統。

2 空調系統

2.1 冷源系統

建科大樓冷源主要采用了水環式空調系統， 風冷多聯式空調系統以及利用雨水池換熱的水源熱泵系統。 其中地下1層至地上1層實驗室， 采用水源熱泵式空調系統， 夏季冷負荷為25 kW， 通過在雨水回收池中設置盤管， 利用景觀及人工濕地循環系統進行換熱 （見圖 1）， 提供溫度較低的循環冷卻水， 從而提高末端機組的能效比， 達到節能效果。

圖1 景觀水池為水環式空調冷卻水降溫

地上 9 層南區，11 層南區分別為院部和專家公寓，采 用風冷變頻多聯空調系統，夏 季冷負荷為72 kW。風冷式變頻多聯空調的綜合部分性能系數較高，適 應該區域經常處于低負荷工況下的特點。

地上 2 層至 12 層的其他區域采用分散集中式水冷中央空調系統，夏 季冷負荷為 1003 kW，冷 卻塔采用閉式，置 于屋頂，各 層采用高效高溫水冷冷水機組，提供16℃冷凍水。

2.2 節能技術應用

建科大樓復合式空調系統應用了多種節能空調技術， 包括全熱回收新風系統、 高溫風機盤管、 熱泵驅動溶液除濕凈化新風系統、 輻射冷卻吊頂系統、 冷梁系統、 置換通風系統等。

全熱回收新風系統利用對排風進行全熱回收后的冷量預冷新風。熱泵溶液除濕新風系統， 除對排風進行熱回收， 控制室內環境的濕度外， 熱泵溶液除濕機組制冷工況能效比為4.5 W/W，可大幅降低新風處理系統的能耗。高溫風機盤管、 輻射冷吊頂 （見圖 2）、冷梁系統等末端設備均在干工況下運行， 在改善室內衛生環境的同時，可以提高制冷機組的蒸發溫度， 從而提高制冷機組的能效比。置換通風系統 （見圖 3） 在提高室內空氣品質前提下， 提高了送風溫度， 同時通過變風量控制， 減少了風機能耗。

圖2 冷輻射毛細管席

圖3 報告廳置換通風地板送風口

3 自動控制設計

建科大樓空調系統配備了完善的自動控制系統，對通風與空調系統 （包括冷水機組、 冷卻塔、 冷卻水泵、冷凍水泵、 風機盤管、 全熱交換器、 空氣處理機組、 溶液新風機組等） 進行全自動控制。在控制邏輯的設計中，除了常規的冷卻塔、 主機等設備的運行監測、 啟停控制外， 還設計了各種節能運行方式， 比如冷卻水系統的節能運行模式， 可根據冷卻水供水溫度控制冷卻塔的運行頻率， 通過監測冷卻水供、 回水溫差值， 自動控制冷卻水泵變頻運行。集中新風系統變頻控制，可根據大樓平時上班、 加班等不同模式， 以及室內的 CO2濃度水平， 控制各新風機組風機變頻運行， 在保證足夠的新風量節能的同時減少新風系統的輸配能耗和新風負荷。其他如地板送風系統變風量控制、全新風自動控制等等。另外，建科大樓設計有室內空氣質量和熱舒適自動控制系統， 能耗分項計量實時監測系統， 保證空調自動控制系統的有效運行。

4 難點與創新

1） 系統合理劃分。建科大樓的建筑功能多， 使用情況復雜， 不同時段空調冷負荷變化大， 空調系統的劃分應適應不同建筑區域的使用特點。通過對多種系統方案的對比分析， 設計最終采用了上述復合式空調系統， 不同功能區域采用了不同的空調方式， 使得建科大樓的中央空調系統接近于分散式空調系統， 比一般中央空調系統更靈活、 節能。

2） 建筑空間利用。建筑空間的有效利用可以大幅降低土建成本， 建科大樓除首層和五層外其他建筑層高為3.6m。 設計采取了多種空間利用的措施， 例如， 風機盤管等末端設備利用梁與梁間的空間， 與土建配合預留樓板管線槽， 管線穿梁位置預留套管， 風管布置簡化， 進行綜合管線排布等， 通過采取上述措施， 保證了建筑空間高效的利用。

3） 桌面工位送風系統。桌面工位送風是一種新穎的空調送風方式， 即將清潔、 低焓值的空氣直接送入室內工作人員人員的呼吸區， 工作人員可以控制送風量、 送風方向等參數， 來調節工作區域內污染物濃度，使人感覺空氣新鮮通透。但是這項技術目前國內應用很少， 存在不少應用問題， 例如， 目前可實現風向控制的桌面送風口，壓力損失在220～400 Pa，風口阻力過大， 會導致選擇末端小風機的電耗、 噪聲偏大。經過研發工程師的反復研究， 改為采用“萬向鋼骨塑料伸縮管” 直接替代高阻力的轉向送風口， 大大降低風口的阻力并解決了隔震問題。通過采用隔聲箱送風模塊（內含直流小風機） 的方式， 安裝在桌面下線槽內主風管的兩側， 解決了末端送風風機噪聲問題。

4） 系統調試。建科大樓空調系統除了驗收階段進行的調試和節能驗收外， 通過大樓的監測系統， 在運行階段對各空調系統運行情況進行監測， 及時發現系統運行問題， 并采取運維措施。例如， 在試運行階段，發現部分區域室內濕度偏高， 經過測試排查發現溶液除濕新風系統送風量不足， 診斷后發現存在新風機送風出口電動閥、 管道井內防火閥未完全開啟， 風量調節閥開關與控制信號開關相反， 溫濕度傳感器數據異常等問題， 通過調試使得系統正常運行。另外， 通過分析歷史監測數據， 運維小組可不斷優化不同工況下的運行控制策略， 真正實現運行階段節能。

5 運行情況

1）運 行能耗

建科大樓于2009年竣工，2010年投入正式運營，全年空調總能耗為 2.95 萬 kWh，約占建筑總能耗的21%，低 于同類非政府辦公建筑的35～60%，2010 年耗電量指標為33.3 kWh/(m2· a )，2011年空調系統能耗更降低為17.2 kWh/(m2· a )，僅 為當地同類建筑的40.6%，見圖 4。

圖4 2011年建科大樓與當地同類建筑平均能耗水平比較

2） 舒適性評價

業主對室內人員每天對室內環境的投票進行統計， 得出空調季節 （2010年4 月～10 月） 的室內人員對室內熱舒適性、 噪聲、 空氣清新度的評價結果如下圖 5所示， 可以明顯看出， 室內人員對室內環境的總體評價良好。

圖5 2010年4月～10月室內環境評價投票統計

6 結論

深圳建科大樓空調系統將多種空調領域的節能技術和建筑進行有機地結合， 對夏熱冬暖地區辦公建筑的綠色空調系統設計進行了有益的探索和實踐。建科大樓空調系統經過實際運行的檢驗， 系統的運行情況良好， 運行能耗水平低， 則室內人員對環境質量評價較高。

截止目前， 深圳建科大樓獲得的標識和獎項累計達到30項。主要標識和獎項及節能減排效果如下。

1）國家綠色建筑設計評價標識三星級（最高等級）項 目。

2）國家級第一批民用建筑能效測評標識（三星級）項 目。

3）2011年全國綠色建筑創新獎。

4）2011 年度全國優秀工程勘察設計行業獎建筑工程一等獎。

5）2013 年獲綠色設計國際大獎——— 綠色建筑類金獎。

6）年 度用電量為 44.4 kWh/m2， 與 深圳市其他辦公樓相比節能60%，相 當于每年節能412.7噸標煤。

7）每 年減少CO2排放1097.85噸。

參考文獻

[1] 袁小宜,葉青,劉宗源,等.實踐平民化的綠色建筑——— 深圳建科大樓設計[J].建筑學報,2010,(1):14-19.

[2] 羅春燕,田智華,夏春海,等.第一批民用建筑能效測評標識項目(三星)——— 深圳建科大樓能效測評分析[J]. 建設科技,2009,(12):30-31.

[3] 郭永聰,劉雄偉,張歡深.深圳建科大樓室內環境滿意度影響因素的顯著性研究[J].建設科技,2014,(13):58-60.