辦公樓項目空調通風系統的精細化設計

蔣小易（華建集團華東建筑設計研究總院，上海 200002）

1 辦公樓項目空調通風系統精細化設計探討

1.1 辦公樓項目對空調通風系統精細化設計的需求

當前，隨著辦公樓項目越來越成熟，開發商已經從單純的商業開發到對如何為入駐辦公人員提供更舒適安全的辦公環境、個性化需求和節能等方面提出了更高要求。辦公樓的空調通風系統設計雖然已經比較成熟，但對于在運營中經常會出現的問題，希望設計階段就能先行思考，從而提供精細化設計。

1.2 辦公樓項目的空調通風系統精細化設計

目前，辦公樓項目主要有兩種形式：純辦公大樓和帶商業裙樓的辦公建筑。筆者較多地參與了這兩類辦公樓項目的暖通空調設計，根據對這些辦公樓項目建成運營后的實地考察和反饋，特別是項目物業公司集中反映的情況來看，合理的冷熱源選擇、簡潔有效的節能措施是當下辦公樓項目最需要關注的。另外，當下的辦公樓項目需要滿足越來越多使用者諸如使用時間和空調通風形式等個性化需求，個性化的空調和通風系統末端也越來越受物業公司和使用者青睞。

在辦公樓項目設計過程中，諸如大堂空調效果、內外區冷熱舒適性不佳等老生常談問題，需要通過具體項目的精細化設計來解決。實用有效的空調通風節能措施一直是建造方和運營方關注的問題，他們現在更關注這方面的投資效益。今年初爆發的新冠肺炎疫情，讓越來越多使用者更加關注辦公環境的健康安全，也對當下辦公樓項目空調通風系統的精細化設計提出了更高要求。

2 應用實例

2.1 項目概況

某辦公樓項目位于上海新天地附近，為 1 棟 135 m 高的甲級辦公樓，地上共 27 層。其中， 1～3 層為配套商業、4 層為商務中心及設備用房，5～27 層為辦公層（16 層為設備及避難層），總建筑面積 105 710 m2。其中，地上辦公建筑面積 51 685 m2，地上裙房 1～3 層和地下 1、2 層商業建筑面積共 24 141 m2，地下 3、4 層車庫及設備用房建筑面積 29 884 m2。

該項目雖然是一個普通的辦公樓項目，但經過精細化設計，建成投入使用后，在樓內的辦公人員、投資建設方以及物業管理方等都反響很好。這項目取得了較好的社會效益和經濟效益，并獲得了 LEED 金獎和綠色三星設計認證。

2.2 對冷熱源及輸配方式精細化設計的思考

(1) 根據計算，該項目峰值冷負荷為 12 950 kW（3 700 USRT），峰值熱負荷為 7 100 kW。通過分析該項目使用時間的具體情況，特別是部分辦公樓層加班或配套商業營業時間的特殊性，對項目的最小負荷特別是最小冷負荷做了精細分析，結果如表 1 所示。按夏季辦公樓層合計 1 層加班、配套商業部分營運或者兩者同時進行考慮，則項目最小冷負荷分別為 90 USRT、170 USRT 或 260 USRT。根據項目最小冷負荷需求，通過分析多家生產商提供的冷水機組在不同部分負荷時的 COP 值（表 2、表 3 為 A、B 兩家生產商參數），結合經濟性和節能綜合考量，為滿足最小冷負荷需求，選擇制冷量為 300 USRT 機組，因其性能最優。最終，該項目冷源選用 4 臺 900 USRT 變頻離心冷水機組和 1 臺小負荷時運行的 300 USRT 的螺桿機組，使冷源系統能滿足項目負荷變化并做到整體能效最優化。

根據計算，該項目峰值熱負荷為 7 100 kW，由 3 臺 2.3 MW 燃氣真空熱水爐提供。

表1 某辦公樓最小冷負荷

表2 A 制冷機組在不同負荷下的制冷量（USRT）和 COP 值

表3 B 制冷機組在不同負荷下的制冷量（USRT）和 COP 值

(2) 在設計方案初期階段，確定辦公區域的空調水系統均為 4 管制，后來通過對辦公內區負荷的分析及對該樓物業管理公司的調研，調整方案為：辦公內區變風量空調機組常年供冷，空調機組從 4 管制改為只設冷凍水管的 2 管制，詳見圖 1。這樣既減少了投資，也方便了運營維護。冬季內區制冷的冷源采用了冷卻塔免費制冷方式，即由冷卻塔通過板式換熱器提供，冷卻塔進出水溫設定為 8～13℃，板式換熱器二次側供回水溫度為 9.5～16.5℃。

圖1 空調末端水系統原理圖

2.3 空調通風末端系統的適宜性考慮

(1) 本項目采用變風量空調系統，內外分區，每層設置 2 臺變風量變頻空調機組。內區設置單風道變風量末端，外區采用串聯風機動力型變風量末端 FPB（熱水盤管），空調機組在非峰值時風機變頻節能運行。冬季室內由外區 FPB 供熱，在過渡季節，針對外區的南北面可能有不同的制冷、制熱要求，由外區帶熱水盤管的 FPB 進行加熱調節，以滿足在過渡季節時不同區域的辦公人員的個性化負荷要求。

(2) 入口大堂空調效果的分析研究與實踐。當下，辦公樓入口大堂普遍都是高大空間，受經常開啟外門和連通電梯廳等因素影響，空調冷熱負荷變化大且內部氣流組織與溫度分布難以控制，特別是在豎直方向上，容易受到煙囪效應和溫室效應的雙重作用。同時，有大面積玻璃幕墻的入口大堂其室內熱環境還存在兩方面的問題：①夏季，大堂上部溫度容易過高，從而影響與大堂相鄰房間的熱舒適性；②冬季，從大堂下部送入的熱氣流會很快上升，使得下部人員活動區的熱環境難以得到保證。所以，對氣流組織的精細化設計是十分重要的。

本項目入口大堂面積約 600.0 m2，高約 11.0 m，大堂吊頂凈高約 9.5 m，相連電梯廳吊頂凈高約 6.0 m。由于種種原因，大堂未設門斗，在西側設置了旋轉門，兩邊為平開門，因此，必須考慮到冬季頻繁開啟外門時室外風環境對室內溫度的影響。通過 CFD 模擬，研究冬季時辦公大堂在門開關過程中室內環境受室外氣流的影響，通過數值模擬得出開門時（0～120 s）室內的溫度場與速度場分布情況。經過多次模擬，并結合室內裝修，入口大堂在吊頂下設送風噴口和在電梯廳設側送噴口基礎上，還在靠近外幕墻地板上設置了貫流式地板散熱器（風口及散熱器布置和氣流組織情況如圖 2 所示），使室內溫度場趨于均衡。實際運行下來，雖然沒設外門門斗，冬季主要開啟旋轉門時， 1.5 m 高度人員活動區域溫度基本都在 20～21℃，沒有出現讓人感覺寒冷的區域，與 CFD 模擬結果（圖 3）基本吻合。通過精細化設計，解決了大多數辦公樓入口大堂使用時實際參數特別是冬季溫度低于設計值的問題。

圖2 大堂冬季氣流組織

圖3 離地面 1.5 m 處溫度場（外門開啟 25 s）

2.4 實用有效的綠色和節能措施

2.4.1 大溫差空調冷凍水/熱水系統

空調低區冷凍水供回水溫度為 6～13℃，熱水供回水溫度為 45～60℃，冷熱水均在 16 層設備層通過板式換熱器進行換熱，高區冷凍水供回水溫度為 7～14℃，熱水供回水溫度為 43～58℃。冷凍水供回水溫差為 7℃，熱水供回水溫差為 15℃。相比常規空調冷熱水供回水溫差分別加大了 2 K和 5 K，空調冷熱水量分別減少 29% 和 33%，降低了水泵運行功率，相應地節省了管徑和所占用的建筑空間。

2.4.2 空調熱回收系統

辦公層新風先由設在設備層（16 層）和屋面的新風機組內的新排風熱回收設備進行熱回收，再由新風機組的冷熱水盤管處理到室內設定溫度（夏季為室內等焓點，冬季先預熱，再加濕到室內狀態的等濕點）后，再通過每層空調機房內的變風量末端送到變風量空調機組。

2.4.3 免費供冷系統

(1) 水系統方面，采用 2 臺和冷凍機相同冷量的免費冷卻板式換熱器，通過冷卻塔免費制冷，冷卻塔進出水溫設定為 8～13℃，板式換熱器二次側供回水溫度為 9.5～15.5℃。板式換熱器一次側和二次側循環水泵均可利用原冷卻水泵和冷凍水泵，對于冬季內區較大的商業和辦公來說，既經濟，運行管理也簡單，僅增設 2 臺板式換熱器就可省去冷凍機組的運行。

(2) 風系統方面，裙房配套商業區域在過渡季節時，因商業內區較大，當采用 AHU 全空氣系統時，過渡季節加大新風量（保證 ≥70% 總風機風量），加大新風管徑，使過渡季節新風風速為 8～9 m/s；當采用集中新風機組 PAU 系統時，在部分新風機組旁并聯專用送風機，過渡季節時，專用送風機與新風機組聯合運行加大新風供應量，經復核立管風速，可加大新風 150%，這樣可以充分利用室外新風提供冷源，減少內區的供冷量。在運營后的回訪中，物業部門對于過渡季節加大新風運行非常認可，并建議在做好消聲前提下還可以適當再提高風速，增加新風供應。

2.4.4 室內空氣品質的提升措施

(1) 高壓微霧加濕系統：設置在 16 層和塔樓屋面的為辦公層提供新風的集中新風機組采用高壓微霧加濕系統，每臺新風機組對應 1 套加濕系統并納入機組 BA 控制范圍，含軟水箱和高壓微霧加濕主機，并采用高效噴嘴，使加濕效率達到 70%；同時由于高壓微霧加濕系統不采用循環水，降低了細菌滋生的可能，所以可以達到既節省水耗量，又保證室內的空氣品質的目的。

(2) 在辦公層每臺變風量空調機組的回風管里安裝 CO2濃度傳感器，空調季節時探測室內 CO2濃度以便調節區域內新風供應量。當 CO2濃度低于設定的下限值時，關閉其中 1 個辦公層排風 CAV（每層 2 個），并將新風 VAV 閥門關小，以減小新風量；如果 CO2濃度繼續低于設定下限值時，關閉剩余的辦公層的排風 CAV，并將新風末端 VAV 閥門繼續關小，以減小新風量，但是保證室內總新風量大于總排風量，在保證室內空氣品質和室內微正壓的前提下，最大限度地減少新風能耗；過渡季節時，不再根據 CO2濃度傳感器控制新風量，而是全開新風閥。

(3) 為提高辦公環境的空氣品質，空調箱或新風空調箱除采用 G 4 初效和 F 7 袋式中效過濾外，還設置了自帶空氣質量傳感器、相對濕度傳感器和臭氧濃度傳感器的電極離子空氣凈化裝置。公共衛生間設獨立空氣凈化除臭裝置的同時，在垃圾間、污泵間和隔油池間設置空氣凈化除臭裝置及獨立排風系統，且均在塔樓屋面排放，室內控制為負壓，避免異味通過通風系統交叉傳遞。

3 結 語

(1) 辦公樓租戶隨著對辦公環境的要求越來越高，對商業辦公樓的空調通風系統的運營和維護要求也越來越高，要求設計人員在項目設計各階段充分調研，針對項目特點進行精細化設計。

(2) 辦公樓項目精細化設計，主要是為了滿足用戶的個性化需求而更加合理地確定冷熱源配置、空調通風末端形式、實用有效的綠色和節能措施等，同時要解決好諸如大堂空調效果、內外區冷熱舒適性等常見問題。

(3) 眼下，辦公樓項目雖然是比較普通的項目，但通過精細化設計依然可以取得很好的社會效益及經濟效益，從而提升設計的價值。