某水源多聯機空調公共水環系統設計研究

王鎮寶

(廈門合立道工程設計集團股份有限公司 福建廈門 361006)

0 引言

隨著科學技術的迅速發展，國家對綠色建筑不停地提高建造標準，暖通空調領域中新的節能措施和環保要求等綠色建筑方案大量涌現，針對同一個設計項目，往往有幾種、甚至十幾種不同的暖通空調設計方案可選擇。在評價空調設計方案時，常常認為越復雜的方案越好。但暖通空調系統本身隨著環境的變化而變化，暖通空調設備及閥件越多、控制系統就越復雜，初投資成本就越高，系統運行的可靠性、可操作性和可維護性就越不利。因此在滿足使用功能的前提下，系統越簡單對系統運行越有利。最好的設計方案應能貼近項目的實際要求。

1 工程概況

某23層辦公樓由于外立面采用封閉式的玻璃幕墻，無法在外立面留出空調百葉，且裙房屋面及主樓屋面可放空調設備的場地又少。業主在辦公業態的定位上做了詳細考慮，并對其辦公樓進行初期的規劃：1、2層按商業考慮，3～10層考慮對外出租(4層設一個公共的大會議室)，除4層大會議室外，所有出租樓層及商業部分初期均不考慮設備安裝；11～23層為自用辦公樓層，自用辦公樓層有個別部門需加班；且要求空調系統能源計費方式簡便。

通過對建筑功能的分析及業主的要求，不難看出：空調系統要滿足不同功能區制冷、采暖要求，使用時間差異，系統應能夠根據負荷的波動自動調節，以滿足室內的舒適性要求；不同使用功能對空調系統的獨立控制要求較高，且需要獨立計費。

2 空調系統分析

綜上所述，筆者與多位技術負責人進行探討：由于建筑外立面采用封閉式的玻璃幕墻形式，該辦公樓用傳統水-水空調系統與多聯機空調系統進行對比。根據使用時間的不確定因數，無法評估加班時所需的空調負荷，選擇傳統水-水空調系統難以獨立計費及部分空調負荷對節能不利等因素，因此多聯機空調系統比較適合本大樓的設計；又因沒有多余的場地放置大量多聯機空調外機，因此只能優先采用水源多聯機空調系統加風冷多聯機空調系統：1、2層商業及4層大會議室采用風冷多聯機空調系統，空調外機設于裙房屋面；其余辦公樓層采用水源多聯機空調系統，又將3～10層對外出租樓層與4～23層自用辦公樓層分為兩個系統，便于物業管理。

3 設計選型(常規做法，只簡要說明系統概況)

水源多聯機空調系統及集中送排風系統按功能劃分為高低區兩套系統，低區為3～10層，高區為11～23層。每套系統由水源多聯機空調主機+夏季閉式冷卻塔+板換+低噪型風冷螺桿式熱泵機組+公共水環路組成。低噪型風冷螺桿式熱泵機組提供新風冷熱源及冬季采暖熱源，空調冷凍水供/回水溫度:7/12℃，采暖供/回水溫度:40/45℃。

水源多聯機空調系統冷卻系統(由于水冷系統造價比風冷系統高20～40%，且主機換熱器對水質要求較高，為了更好地保護水源多聯機空調主機的換熱器)因此冷卻水系統只有以下兩種選擇：①開式冷卻塔+板換+循環泵——初投資低，但占地面積較大，系統維護復雜；②閉式冷卻塔+循環泵——初投資略高，系統集成度高，維護簡便，且能有效避免外來雜質對主機換熱側的堵塞，腐蝕管道和設備，造成能耗增加，換熱效率下降。結合該項目的實際情況：空調設備安裝空間有限，因此采用閉式冷卻塔+循環泵。

辦公樓同時設置新排風系統：為了節約能源，辦公新風、排風采用轉輪熱回收組合空調箱集中送、排風；高區轉輪熱回收組合空調箱設于屋面空調機房內，低區轉輪熱回收組合空調箱設于地下一層空調機房內。

4 公共水環路介紹

主機選型及新排風系統均為較常規的做法，筆者不再詳細論述，本文重點介紹公共水環路的設計思路及其控制系統[1]如圖1 所示。

圖1 空調水系統原理圖

(1) 由于高區與低區的冷熱水系統大同小異，因此本文僅介紹高區水系統。每套冷熱水系統選用4臺閉式冷卻塔，2臺空調季循環泵，2臺采暖季循環泵，1臺加班循環泵；循環泵均為變頻水泵，季節轉換通過電動閥開關切換，具體切換操作如圖1中的“制冷、采暖操作表”。

①空調季冷卻循環水路的控制規則：當某臺室內機開啟時，首先開啟冷卻塔的風機→接著開啟水源多聯機空調系統電動閥→再開啟冷卻水系統相應的電動閥→接著開啟冷卻水泵→最后開啟水源多聯機空調系統。停機順序相反。

加班時的部分負荷的控制規則：當某臺室內機開啟時，首先開啟水源多聯機空調系統電動閥→再開啟冷卻水系統相應的電動閥→接著開啟加班小流量冷卻水泵→再開啟水源多聯機空調系統(此工況屬于冷卻水自平衡模式)；當冷卻水系統無法把水源多聯機空調系統所散發出來的熱量帶走，就需開啟冷卻模式。停機順序相反。

工作原理：水源多聯機空調系統的主機及室內機使用數量穩定時，其系統的運行通過監控冷卻循環水的溫度來調控。冷卻循環水系統根據冷卻塔不同的回水溫度可細分5種模式：其一：自平衡模式(冷卻系統循環水不流經冷卻塔)；其二：冷卻系統循環水流經冷卻塔，經冷卻塔散熱片自然對流，風扇不開啟；其三：冷卻系統循水流經冷卻塔，經冷卻塔散熱片自然對流，且冷卻塔風扇延遲開啟；其四：冷卻系統循環水流經冷卻塔，冷卻塔風扇開啟強制與冷卻塔散熱片對流，噴淋泵延遲開啟；其五：冷卻系統循環水流經冷卻塔，冷卻塔風扇開啟強制與冷卻塔散熱片對流，噴淋泵開啟降溫。

此做法目的是：加班時的部分負荷盡可能不開啟大流量水泵及冷卻塔風機及閉式塔自帶的循環水泵，以達到節能運行的目的。

②采暖季循環水路的控制規則：當某臺室內機開啟時，首先開啟低噪型風冷螺桿式熱泵機組→接著開啟水源多聯機空調系統電動閥→再開啟采暖水系統相應的電動閥→接著開啟采暖水泵→最后開啟水源多聯機空調系統。停機順序相反。

加班時的部分負荷參考空調季的控制方法。

③本系統還在14層增設高區與低區的連通管，目的基于以下考慮：

其一，當過渡季節時，由于整棟辦公樓所需的系統負荷可不用開啟兩套冷卻水循環系統，可通過14層的連通管上的閥門切換，把整棟樓的系統合為一個大系統，只開啟一套冷卻水泵及閉式冷卻塔，以達到節能運行的目的。由于系統水流量減少一半，根據公式H1/H2=(Q1/Q2)2[2]因此公共水環路系統的水壓降減少至原系統的1/4，仍可滿足系統的要求。

其二，當某系統水泵或冷卻塔出現故障，也可通過14層的連通管上的閥門切換，把整棟樓的系統合為一個大系統，至少有50%的能源備用，避免由于某系統故障導致該系統完全無法使用處境。

(2)水源多聯機空調系統單個主機換熱器水流量為定流量(約6.0m3/h·10匹)，不管在夏季制冷或冬季制熱開啟時，通過單個主機換熱器水流量恒定，單個主機換熱器末端水管上設置電動二通閥及流量開關(注意：電動二通閥及流量開關需與冷卻水泵或采暖水泵電氣連鎖)，當多臺水源多聯機空調主機連接水環系統，可通過電動二通閥的開關實現整個水環系統的變流量控制；為了更好地保護水源多聯機空調主機的換熱器并在進水管處需再增設一級Y型水過濾器；每臺主機末端均設沖洗閥，具體做法如圖2所示。為了避免主機房內積水，溢到空調房間內，因此必須于主機房內設地漏。每臺主機仍需考慮75-100W的散熱量，因此設在封閉的機房需考慮散熱措施。

圖2 水冷“智能變頻一拖多”空調主機接管示意圖

節能控制原理為：當水源多聯機空調系統的室內機隨著空調房間的負荷變化時，先通過該系統的制冷劑流量來調節，再通過該主機換熱器進出水溫度的改變來實現末端能量調整。當室內機不供冷供熱時，連鎖關閉電動開關閥，完全關掉主機側供水管，防止室外機側水空流。

(3)冬季采暖時，低噪型風冷螺桿式熱泵機組生產出來的熱水經板換熱后與夏季冷卻水管道共用,又因該項目所在的區域冬季采暖負荷遠遠小于夏季空調負荷，冬季公共水環路采暖水流量也遠遠小于夏季公共水環路冷卻水水流量，且須保證每臺主機的最小流量(每個廠家對此均有不同的要求，具體參數應與相關廠家咨詢溝通后再選型)。

按照設備標準工況設計，采暖供/回水溫度為45℃/40℃，通過板換與夏季冷卻水系統共用。

(4)節能控制措施

①空調冷熱水由供回水壓差控制的電動調節閥的旁通管路，以調節末端設備的供水量，從而使系統制冷和水力工況穩定。

②多聯機空調系統采用智能化與節能系統進行控制，通過智能化控制器系統可對所有空調室內機的電量消耗情況進行專業的管理，即使一個分區采用一個以上的空調系統，也能精確計算出該分區所消耗的電量，并自動生成報表，便于能量計費。

③新風機出水管上裝設電動二通閥(比例式)，出風管道上裝有溫度傳感器,通過溫控器調節供水量，改變送風溫度，從而維持設定的送風溫度。

④設置多聯機空調系統內機的房間均裝有室內溫度控制器控制房間溫度,手動三檔開關控制風機轉速和啟停。

⑤冷水機組等機電一體化設備由中央空調智能化與節能系統進行控制，利用負荷隨動技術控制冷凍水系統；利用人工神經網絡算法控制冷卻水系統；實現本空調系統的節能運行。

⑥冷卻水系統：將水源多聯機空調系統、冷卻水泵以及冷卻塔風機三者的總能耗之和作為一個整體，通過人工神經網絡算法模型進行計算,在滿足空調末端冷量需求的前提下，找到水源多聯機空調系統、冷卻水泵以及冷卻塔風機三者的總能耗之和的最低值，并以此調節冷卻水泵和冷卻塔風機的轉速或運行臺數，動態調節冷卻水的流量,從而保證整個空調系統始終處于整體能耗最低值。

5 結論

雖然水源多聯機空調系統具備傳統風冷多聯機空調系統所不具備的優勢，其主機小巧，占用的空間小，且可多臺疊放；并可隨意安裝在次要的房間內。但水源多聯機空調系統必須要有滿足該系統制冷負荷或制熱負荷所需的水流量，否則該機組的制冷量或制熱量性能將隨之下降，在水流量過小時，主機啟動自我保護機制。合理的供回水溫度，合適的水質和供水穩定性是影響該系統高效運行效果的重要要素，此可通過技術上處理。

由此可見，水源多聯機空調系統在國家提倡低碳環保、構建節約型綠色建筑下具有一定應用空間及廣闊的發展前景。