辦公建筑空調(diào)水系統(tǒng)形式分析

董文霄

奧雅納工程咨詢（上海）有限公司

0 概述

兩管制空調(diào)水系統(tǒng)與四管制空調(diào)水系統(tǒng)均為辦公建筑常用系統(tǒng)形式。四管制空調(diào)水系統(tǒng)設(shè)置冷水回路和熱水回路，兩管制空調(diào)水系統(tǒng)則是冷、熱水合用回路。

兩種水系統(tǒng)的區(qū)別主要體現(xiàn)在冬季用途。四管制空調(diào)水系統(tǒng)可在冬季為存在空調(diào)冷負荷的室內(nèi)區(qū)域供冷（包括為內(nèi)區(qū)供冷及為冬季出現(xiàn)冷負荷的外區(qū)供冷，具體詳見文獻[1]）。兩管制空調(diào)水系統(tǒng)在冬季僅能供熱。其余季節(jié)兩者區(qū)別不大。四管制空調(diào)水系統(tǒng)能夠獲得更好熱舒適性的主要原因也在于此。

四管制空調(diào)水系統(tǒng)與兩管制空調(diào)水系統(tǒng)相比，增加了水管道、空調(diào)箱及末端設(shè)備熱水盤管，從而增加了空調(diào)系統(tǒng)的初投資。

此外，空調(diào)系統(tǒng)運行過程中，如果室內(nèi)末端采用變風量空調(diào)系統(tǒng)和常用的內(nèi)外區(qū)合用空調(diào)箱方案，則送入室內(nèi)的一次風為經(jīng)過冷卻處理的冷風，冬季需要供暖的外區(qū)末端設(shè)備要利用再熱盤管對冷風進行加熱，因此產(chǎn)生一部分再熱能耗。再者，兩管制空調(diào)水系統(tǒng)不需考慮冬季制冷，而四管制空調(diào)水系統(tǒng)需在冬季提供冷凍水至室內(nèi)，從初投資和運行費用，四管制空調(diào)水系統(tǒng)投入更大。

就具體項目而言，選取空調(diào)水系統(tǒng)即是對室內(nèi)熱舒適性、系統(tǒng)造價和運行費用之間的取舍。

本文以南京市一幢超高層辦公建筑為例，主要分析以下幾方面內(nèi)容：

（1）冬季外區(qū)空調(diào)冷負荷大小及分布時間

（2）空調(diào)系統(tǒng)初投資增加情況

（3）空調(diào)系統(tǒng)運行能耗增加情況

1 項目概況

本項目為南京市一幢超高層辦公建筑，高190m，共40層。裙房1-4層為辦公大堂、商業(yè)、多功能廳等，其余各層均為辦公標準層，標準層面積約2 000m2。辦公層外圍護結(jié)構(gòu)為全玻璃幕墻。

標準層夏季空調(diào)冷負荷為210kW，熱負荷為118kW。

項目采用區(qū)域能源站作為空調(diào)冷熱源，供冷及供熱單價均為0.65元/kWh。

辦公標準層采用變風量空調(diào)系統(tǒng)、內(nèi)外區(qū)合用空調(diào)箱的方案，每層設(shè)置兩臺空調(diào)箱。

標準層室內(nèi)進深為10～11m，選取距離外墻4m的范圍為空調(diào)外區(qū)，并按朝向?qū)⑼鈪^(qū)進一步分為四個獨立區(qū)域。電梯廳及衛(wèi)生間均采用風機盤管設(shè)備，見圖1。

圖1 標準層空調(diào)區(qū)域分區(qū)圖

2 冬季空調(diào)負荷分析

2.1 室內(nèi)外參數(shù)

2.1.1 室外氣象參數(shù)（見表1）

表1 室外氣象參數(shù)（南京市）

2.1.2 室內(nèi)設(shè)計參數(shù)（見表2）

表2 辦公區(qū)域室內(nèi)設(shè)計參數(shù)

2.2 分析方法

本文采用IESVE 2018分析辦公標準層空調(diào)負荷，玻璃幕墻傳熱系數(shù)為1.8W/m2·K，SHGC值為0.30。

辦公內(nèi)區(qū)全年空調(diào)負荷穩(wěn)定，且均為冷負荷。本文只計算各個不同朝向辦公外區(qū)的空調(diào)負荷，且僅當太陽輻射得熱量大于外圍護結(jié)構(gòu)散熱量時室內(nèi)照明及設(shè)備得熱造成的空調(diào)冷負荷。

2.3 冬季外區(qū)空調(diào)負荷分析

圖2反映了各個朝向的外區(qū)空調(diào)負荷全年分布情況。

圖2 外區(qū)空調(diào)負荷全年分布圖

從圖2可發(fā)現(xiàn)，即使在冬季，外區(qū)仍存在一定量的空調(diào)冷負荷，空調(diào)冷負荷分布情況是決定冬季是否需要供冷的重要指標。

11月到次年3月為傳統(tǒng)意義上的供熱季，圖3反映了這五個月各個朝向的外區(qū)空調(diào)冷負荷存在的時間比例。

圖3 冬季各朝向房間供冷時間比例

通過圖3可發(fā)現(xiàn)，11月及3月供冷負荷與供熱負荷交錯出現(xiàn)，即使在深冬時節(jié)（12月～次年2月），東南及西南朝向的外區(qū)仍存在冷負荷，冷負荷出現(xiàn)的時間比例為5%～15%。

同時，冬季外區(qū)表現(xiàn)出各朝向不同時發(fā)生空調(diào)冷負荷的特點。以12月25日為例，見圖4。

從圖4可發(fā)現(xiàn)，各個朝向的外區(qū)不同時發(fā)生空調(diào)冷負荷。同一時刻，只有一個朝向的外區(qū)有供冷需求，其他外區(qū)僅有供熱需求。可以想象一下，如果此時空調(diào)箱供熱，即使外區(qū)的VAV（變風量）末端設(shè)備送風量已調(diào)整為滿足新風量要求的最小風量，仍將有大量的熱空氣送入室內(nèi)，增加需要供冷外區(qū)的空調(diào)冷負荷，造成室內(nèi)溫度升高。

因此，從冬季空調(diào)負荷分布情況看，外區(qū)需要同時具備供冷及供熱的功能方能滿足室內(nèi)負荷需求，即需采用四管制空調(diào)水系統(tǒng)以滿足冬季室內(nèi)熱舒適需求。

圖4 12月25日外區(qū)各朝向負荷情況

3 系統(tǒng)造價及運行費用增加情況

3.1 系統(tǒng)造價

與兩管制空調(diào)水系統(tǒng)相比，四管制增加以下造價：

（1）水系統(tǒng)管路造價：增加空調(diào)熱水立管及每層熱水環(huán)管。

（2）末端造價：兩管制空調(diào)水系統(tǒng)外區(qū)末端可采用單風道設(shè)備，四管制空調(diào)水系統(tǒng)采用帶再熱盤管的風機動力型末端，同樣風量下，風機動力型末端價格約為單風道型末端價格的兩倍。

（3）空調(diào)箱造價：空調(diào)箱需加裝熱水盤管。

兩種水系統(tǒng)造價及運行費用見表3。

表3 兩種水系統(tǒng)造價及運行費用

3.2 運行費用分析

3.2.1 能耗分析

兩管制空調(diào)水系統(tǒng)冬季時僅需提供滿足室內(nèi)熱負荷的熱量即可。但四管制空調(diào)水系統(tǒng)在外區(qū)末端設(shè)置再熱盤管，冬季時，冷熱源系統(tǒng)首先將室內(nèi)空氣冷卻至一次風送風溫度，當外區(qū)某朝向需要熱負荷時，該朝向的再熱盤管再將一次風加熱至室內(nèi)設(shè)定的送風溫度。這一過程增加了以下兩個方面的能量投入：

（1）將室內(nèi)空氣冷卻至一次風送風溫度所消耗的冷量。

（2）將一次風加熱到室內(nèi)設(shè)定的溫度時所消耗的再熱量。

3.2.2 能耗簡化計算

為方便兩種水系統(tǒng)能耗分析，計算過程簡化如下：

（1）冬、夏季內(nèi)區(qū)空調(diào)冷負荷近似，僅室內(nèi)人員散熱的微小差別，故取相同的空調(diào)箱送風溫差。

（2）當任一朝向外區(qū)出現(xiàn)空調(diào)熱負荷時，則此區(qū)域所有末端的一次風均設(shè)定為最小送風風量，同時啟動末端風機。當外區(qū)為空調(diào)冷負荷時，停運末端風機，由一次風負擔室內(nèi)全部冷負荷。

（3）冬季外區(qū)最小送風量按滿足新風量要求設(shè)定。

（4）冬季空調(diào)新風由避難層新風熱回收機組統(tǒng)一處理至室內(nèi)等焓點后送入空調(diào)箱。

（5）空調(diào)箱提供的冷量為“室內(nèi)空調(diào)冷負荷+再熱量”。

3.2.3 結(jié)果分析

經(jīng)計算，本項目冬季（11月～次年3月）辦公標準層累計空調(diào)熱負荷為56 898kWh，累計總再熱量為44 060kWh；外區(qū)累計空調(diào)冷負荷為13 816 kWh；內(nèi)區(qū)累計空調(diào)冷負荷為91 080 kWh。與兩管制相比，整個冬季標準層采用四管制空調(diào)水系統(tǒng)所增加的運行費用約為9.7萬元，包括內(nèi)區(qū)供冷和外區(qū)供冷，其中外區(qū)供冷增加的能量為57 876 kWh，費用約為3.8萬元。

4 結(jié)論

從上述分析和冬季空調(diào)冷負荷分布情況看，辦公建筑在冬季確存在供冷需求，與高層、超高層辦公建筑使用經(jīng)驗相符。因此，從保證辦公建筑室內(nèi)熱舒適性考慮，確需采用四管制空調(diào)水系統(tǒng)。因此，目前采用四管制空調(diào)水系統(tǒng)的辦公建筑日益增多。

但需注意，四管制空調(diào)水系統(tǒng)初投資和運行費用較高。對具體項目而言，需結(jié)合項目定位及當?shù)乜照{(diào)系統(tǒng)發(fā)展趨勢等綜合考慮并確定最終系統(tǒng)形式。