辦公建筑的暖通空調(diào)系統(tǒng)案例診斷分析

程 烜 張文宇 卜 震

上海市建筑科學(xué)研究院

1 引言

既有建筑的暖通系統(tǒng)運(yùn)行與效果診斷需要從建筑環(huán)境、圍護(hù)結(jié)構(gòu)、暖通系統(tǒng)和自動(dòng)控制系統(tǒng)等多個(gè)方面進(jìn)行。診斷基于通過“現(xiàn)象”找“原因”、通過“個(gè)別性原因”找“系統(tǒng)性原因”相結(jié)合的診斷方法，從建筑已有的現(xiàn)象出發(fā)，檢查檢測(cè)關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)設(shè)備，查找產(chǎn)生現(xiàn)象的原因，由表入里進(jìn)行診斷排查，以確定現(xiàn)象產(chǎn)生的原因。同時(shí)采用科學(xué)的抽樣方法，對(duì)于同類別的現(xiàn)象進(jìn)行分析診斷，從個(gè)別性原因出發(fā)歸類相似性現(xiàn)象，確定產(chǎn)生此類現(xiàn)象的系統(tǒng)性原因。

目前既有建筑的暖通系統(tǒng)運(yùn)行效果不佳，主要是因以下原因?qū)е拢海?）初步設(shè)計(jì)和二次深化設(shè)計(jì)不合理；（2）運(yùn)行維護(hù)不及時(shí)導(dǎo)致的硬件故障和性能衰減；（3）系統(tǒng)運(yùn)行正常，但未達(dá)到節(jié)能運(yùn)行的水平。本文以上海某既有辦公建筑為例，從建筑環(huán)境、圍護(hù)結(jié)構(gòu)、暖通系統(tǒng)和自動(dòng)控制系統(tǒng)著手，就運(yùn)行維護(hù)不及時(shí)導(dǎo)致的硬件故障和性能衰減導(dǎo)致暖通系統(tǒng)運(yùn)行效果不佳的問題進(jìn)行診斷分析，為解決相類似的工程問題提供參考。

2 建筑概況

本案例的既有辦公樓位于上海市徐匯區(qū)某開發(fā)區(qū)內(nèi)。總建筑面積為23 835.11m2，其中地上部分為 13 277.01m2，地下面積 10 558.1 m2，建筑總高度為44.95m（見圖1、圖2）。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)層平面示意圖

圖2 立面示意圖

空調(diào)系統(tǒng)的室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度見表1。建筑設(shè)計(jì)冷熱負(fù)荷分別為1 105kW和525kW，空調(diào)能耗冷熱指標(biāo)為0.108kW/m2和0.051 kW/m2。空調(diào)設(shè)計(jì)夏季供回水溫度為7℃/12℃，冬季供回水溫度為50℃/55℃。

表1 室內(nèi)溫濕度設(shè)計(jì)值

空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)中，2～8層及1層辦公區(qū)采用全空氣單風(fēng)道變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)，內(nèi)外區(qū)各設(shè)置一臺(tái)空調(diào)箱。辦公樓外區(qū)新風(fēng)機(jī)排風(fēng)經(jīng)屋頂熱回收集中處理后送入各層外區(qū)空調(diào)箱，內(nèi)區(qū)空調(diào)箱由新風(fēng)口直接吸入處理。氣流組織采用上送上回方式，單風(fēng)道變風(fēng)量末端送至房間，吊頂內(nèi)集中回風(fēng)。大堂層采用全空氣單風(fēng)道定風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)，氣流組織主要采用上送上回方式，由條形風(fēng)口下送，同時(shí)采用下送風(fēng)方式進(jìn)行冷熱量補(bǔ)充。空調(diào)水系統(tǒng)采用四管制同程式系統(tǒng)。

3 技術(shù)路線

針對(duì)建筑空調(diào)冷源系統(tǒng)、空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)、空調(diào)自控系統(tǒng)、空調(diào)VAV末端和圍護(hù)結(jié)構(gòu)等影響建筑內(nèi)部空間溫度分布不均勻、導(dǎo)致末端風(fēng)量控制、冷源系統(tǒng)運(yùn)行異常問題的系統(tǒng)和主要設(shè)備展開。

診斷工作分為4個(gè)階段：空調(diào)系統(tǒng)測(cè)試與診斷階段、圍護(hù)結(jié)構(gòu)測(cè)試與診斷階段、編制改造方案階段和改造單項(xiàng)復(fù)驗(yàn)階段。各階段的分項(xiàng)工作內(nèi)容如圖3所示。本文僅討論相關(guān)系統(tǒng)和設(shè)備的核查與診斷內(nèi)容，即空調(diào)系統(tǒng)測(cè)試與診斷階段、圍護(hù)結(jié)構(gòu)測(cè)試與診斷階段。

圖3 技術(shù)路線圖

4 測(cè)試與診斷

4.1 室內(nèi)環(huán)境測(cè)試與診斷

（1）冬季室內(nèi)溫度測(cè)試

測(cè)試當(dāng)日，室外溫度：8.1℃，室外相對(duì)濕度：17.2%；抽檢5樓，平均溫度：24.6℃，平均相對(duì)濕度：48.6%，室內(nèi)人員體感舒適。

經(jīng)過對(duì)主要功能區(qū)室內(nèi)環(huán)境測(cè)試，1F主要功能區(qū)室內(nèi)溫度實(shí)測(cè)值均不滿足設(shè)計(jì)值（20℃）要求；2F、8F主要功能區(qū)室內(nèi)溫度實(shí)測(cè)值滿足設(shè)計(jì)值（20℃）要求（見圖4、圖5）。

圖4 1F功能區(qū)室內(nèi)環(huán)境溫度

圖5 2F功能區(qū)室內(nèi)環(huán)境溫度

（2）夏季室內(nèi)溫度測(cè)試

測(cè)試當(dāng)日，室外溫度：36.7℃，室外相對(duì)濕度：39.6%；抽檢5樓，平均溫度：22.1℃，平均相對(duì)濕度：49.6%，室內(nèi)人員體感舒適。

經(jīng)過對(duì)主要功能區(qū)室內(nèi)環(huán)境測(cè)試，8F部分辦公室溫度實(shí)測(cè)值不滿足設(shè)計(jì)值（25℃）要求，室內(nèi)人員體感偏熱（見圖6）。

圖6 8F功能區(qū)室內(nèi)環(huán)境溫度

（3）室內(nèi)PM2.5測(cè)試

室外PM2.5濃度為148 mg/m3時(shí)，經(jīng)過空調(diào)系統(tǒng)粗效、中效過濾系統(tǒng)過濾，室內(nèi)PM2.5平均濃度為102 mg/m3，過濾效率僅為31%（見表2）。

表2 室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測(cè)

4.2 空調(diào)系統(tǒng)檢測(cè)與診斷

4.2.1 組合式空調(diào)機(jī)組測(cè)試與診斷

本項(xiàng)目空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)中，1～8層及1層辦公區(qū)采用全空氣單風(fēng)道變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)，內(nèi)外區(qū)各設(shè)置一臺(tái)空調(diào)箱。辦公樓外區(qū)新風(fēng)機(jī)排風(fēng)經(jīng)屋頂熱回收集中處理后送入各層外區(qū)空調(diào)箱，內(nèi)區(qū)空調(diào)箱由新風(fēng)口直接吸入處理。氣流組織采用上送上回方式，單風(fēng)道變風(fēng)量末端送至房間，吊頂內(nèi)集中回風(fēng)。1層大堂采用全空氣單風(fēng)道定風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)，氣流組織主要采用上送上回方式，由條形風(fēng)口下送，同時(shí)采用下送風(fēng)方式進(jìn)行冷熱量補(bǔ)充。

（1）通過對(duì)空調(diào)箱總送風(fēng)量的檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，空調(diào)箱普遍存在送風(fēng)能力不足的情況。抽檢的5個(gè)樓層共9臺(tái)空調(diào)箱中，送風(fēng)能力衰減最嚴(yán)重的B1層空調(diào)箱總風(fēng)量實(shí)測(cè)值僅為空調(diào)箱額定總風(fēng)量的37%（見圖7）。

（2）通過對(duì)風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)口風(fēng)量的檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，風(fēng)管普遍存在較大漏風(fēng)現(xiàn)象。抽檢的5個(gè)樓層共9套風(fēng)管中，漏風(fēng)情況最嚴(yán)重的1層內(nèi)區(qū)風(fēng)管的漏風(fēng)率達(dá)到了59%（見圖8）。

圖7 AHU總風(fēng)量實(shí)測(cè)值與額定值之比

圖8 風(fēng)管漏風(fēng)率

4.2.2 風(fēng)管系統(tǒng)檢查

根據(jù)對(duì)空調(diào)箱單機(jī)檢測(cè)及各風(fēng)口風(fēng)量檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，被測(cè)系統(tǒng)存在較嚴(yán)重的風(fēng)管漏風(fēng)情況，通過排查發(fā)現(xiàn)問題主要集中在以下方面：

●VAVbox無風(fēng)管風(fēng)口存在閥門關(guān)閉不嚴(yán)，密封膠老化脫落。

●風(fēng)管連接部分松動(dòng)且保溫老化脫落。

●風(fēng)管以風(fēng)口連接處脫落，風(fēng)管送風(fēng)無法送入室內(nèi)。風(fēng)管送風(fēng)未完全送出風(fēng)口，部分送風(fēng)直吹內(nèi)部導(dǎo)致天花板內(nèi)部溫度升高。

●VAVbox二級(jí)風(fēng)管過長(zhǎng)導(dǎo)致此段阻力增加。

上述問題均會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)供冷熱量無法有效地送達(dá)空調(diào)區(qū)域的問題，導(dǎo)致冷熱量輸配損耗增加、室內(nèi)空調(diào)區(qū)域供冷熱量不足、室內(nèi)熱舒適性不佳。

4.2.3 風(fēng)系統(tǒng)末端檢查

室內(nèi)氣流組織異常。冬季送風(fēng)溫度較室內(nèi)空氣溫度高，存在熱流上升的現(xiàn)象，而通過風(fēng)口以一定風(fēng)速下送，可促進(jìn)室內(nèi)空氣循環(huán)，有助于房間下部空間溫度提升。而本項(xiàng)目部分風(fēng)口透明導(dǎo)流板阻礙熱風(fēng)下送，影響氣流組織，加劇室內(nèi)垂直溫度分布差異（見表3）。

表3 部分功能區(qū)室內(nèi)溫度垂直分布

大堂送風(fēng)異常。該項(xiàng)目大堂高度約12m，空調(diào)風(fēng)口采用爪式條形風(fēng)口。區(qū)域總送風(fēng)量為3 008 m3/h，風(fēng)口風(fēng)速不足3m/s，氣流無法送達(dá)人員活動(dòng)高度。室內(nèi)垂直溫度分布為20.5℃、16.1℃和13.1℃。人員活動(dòng)區(qū)域溫度為13.1℃，人員的熱舒適性不佳。

4.2.4 自控系統(tǒng)檢查

（1）VAVbox最大開啟（風(fēng)量）限值異常。

本系統(tǒng)房間溫度由各區(qū)域室內(nèi)人員通過末端空調(diào)溫度控制面板獨(dú)立控制。在冬季實(shí)際使用過程中，室內(nèi)人員普遍會(huì)因房間溫度不足而將末端空調(diào)溫度設(shè)置在35℃。此行為導(dǎo)致樓層VAVbox風(fēng)閥均100%開啟，區(qū)域風(fēng)口風(fēng)量失衡。如2F外區(qū)空調(diào)在此情況下，西南側(cè)會(huì)議室（VIP會(huì)議室）面積為129m2，實(shí)測(cè)室內(nèi)平均溫度為25.1℃，風(fēng)量1 763 m3/h，北區(qū)公共辦公區(qū)面積為1 289 m2，實(shí)測(cè)室內(nèi)平均溫度為20.6℃，風(fēng)量2 883 m3/h（見表4）。

表4 2F部分功能區(qū)室內(nèi)環(huán)境與風(fēng)口風(fēng)量檢測(cè)

（2）風(fēng)系統(tǒng)壓力控制異常

本項(xiàng)目VAR系統(tǒng)為定靜壓風(fēng)量控制型系統(tǒng)，空調(diào)箱風(fēng)量由總風(fēng)管設(shè)定靜壓反饋至風(fēng)機(jī)而決定。該項(xiàng)目存在風(fēng)系統(tǒng)壓力控制異常問題。例如8F內(nèi)區(qū)室內(nèi)平均溫度均可達(dá)到25℃，而大部分末端溫控面板設(shè)定溫度僅為15℃，此時(shí)各VAVbox風(fēng)閥開啟度正常，風(fēng)管靜壓為294Pa，遠(yuǎn)高于風(fēng)管靜壓設(shè)定值的205Pa，而此時(shí)空調(diào)箱運(yùn)行頻率依然為50Hz。

（3）VAVbox控制異常

該項(xiàng)目VAVbox根據(jù)房間末端溫控器檢測(cè)到的實(shí)際溫度與設(shè)定溫度，根據(jù)差值輸出信號(hào)作為風(fēng)量設(shè)定值，以此設(shè)定調(diào)節(jié)風(fēng)閥改變風(fēng)量，從而使室內(nèi)溫度保持在設(shè)定范圍內(nèi)。

通過對(duì)VAVbox及其控制器排查，發(fā)現(xiàn)部分VAVbox風(fēng)閥存在失控的情況，部分末端溫度傳感器存在大幅漂移的情況。例如8F南區(qū)獨(dú)立辦公室風(fēng)閥控制開啟度為74.4%，而實(shí)際開啟度僅為32.8%。另外，W14號(hào)溫控區(qū)域設(shè)定溫度為12.4℃，末端溫控器監(jiān)測(cè)溫度為30.88℃，按照系統(tǒng)控制邏輯，風(fēng)閥開啟度應(yīng)僅為設(shè)定的最小開啟度，而此時(shí)風(fēng)閥實(shí)際開啟度卻為100%。

4.3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)檢測(cè)與診斷

4.3.1 內(nèi)圍護(hù)結(jié)構(gòu)檢查

（1）非空調(diào)區(qū)域滲透風(fēng)異常

各樓層存在設(shè)備間等于非空調(diào)區(qū)域連接的常閉門，該類型門滲透風(fēng)較大，冷風(fēng)侵襲嚴(yán)重。以2F空調(diào)機(jī)房門為例，該門的滲透風(fēng)速最大可達(dá)到1.9m/s，由熱成像照片可以清楚地看出由于滲透風(fēng)導(dǎo)致的熱量損失。

（2）非空調(diào)區(qū)域通風(fēng)異常

1F北側(cè)辦公區(qū)與相鄰的西側(cè)茶水間（非空調(diào)區(qū)域）存在一扇常開門，而茶水間的北側(cè)為樓棟入戶門（東北門）、南側(cè)為公共走廊與大堂相連。因此1F北側(cè)辦公區(qū)受到北側(cè)入戶門及南側(cè)大堂的冷風(fēng)侵襲，室內(nèi)實(shí)測(cè)溫度僅為15.6℃。此外，諸如更衣室及衛(wèi)生間均存在因人員流動(dòng)性大而大門常開，影響室內(nèi)溫度。

1F與2F間的旋轉(zhuǎn)樓梯連接區(qū)域，采用電動(dòng)感應(yīng)門分隔。現(xiàn)況為電動(dòng)門處于常開狀態(tài)，開啟時(shí)面積為3.8 m2，風(fēng)速達(dá)到2m/s，通風(fēng)溫度為19.8℃，風(fēng)量達(dá)到27 360 m3/h，接近2F區(qū)域2臺(tái)空調(diào)箱的送風(fēng)量。電動(dòng)門正對(duì)2F走廊區(qū)域風(fēng)速達(dá)1m/s，風(fēng)感強(qiáng)烈。

該建筑中部為中庭結(jié)構(gòu)，自2樓通至8樓屋頂。由于熱壓作用產(chǎn)生煙囪效應(yīng)使室內(nèi)熱空氣上升，在中庭內(nèi)形成較大的垂直溫度梯度，造成上熱下冷的問題。而本項(xiàng)目中庭底部與2樓辦公區(qū)域相連，無任何內(nèi)圍護(hù)結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致冬季辦公區(qū)熱量因煙囪效應(yīng)進(jìn)入中庭上部，導(dǎo)致室內(nèi)負(fù)荷增加，人員熱舒適度差。

4.3.2 外圍護(hù)結(jié)構(gòu)檢查

1樓大廳入戶門有拉門（雙重）及旋轉(zhuǎn)門，現(xiàn)況為使用外拉門，內(nèi)門常開，熱損失較大。其他入戶門氣密性不足，同時(shí)存在常開現(xiàn)象。

部分辦公室存在氣窗長(zhǎng)時(shí)間開啟狀態(tài)，且現(xiàn)場(chǎng)人員反映房間空氣不佳。

5 結(jié)論

既有建筑的暖通系統(tǒng)運(yùn)行與效果診斷涉及建筑環(huán)境、圍護(hù)結(jié)構(gòu)、暖通系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)等多個(gè)方面，需要通過“現(xiàn)象”找“原因”、通過“個(gè)別性原因”找“系統(tǒng)性原因”相結(jié)合的診斷方法高效的解決暖通空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行效果不佳的問題。

其中，運(yùn)行維護(hù)不及時(shí)導(dǎo)致的硬件故障和性能衰減是暖通空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行效果的主要問題。需要從建筑內(nèi)外部圍護(hù)結(jié)構(gòu)、空調(diào)冷熱輸配風(fēng)機(jī)組、空調(diào)冷熱輸配風(fēng)管、氣流組織形式等多方面進(jìn)行檢查檢測(cè)，查找個(gè)別性原因找到系統(tǒng)性原因，以解決暖通空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行效果不佳的各類“現(xiàn)象”。