疫情期間超高層建筑暖通運行研究

孫 建（上海中心大廈世邦魏理仕物業管理有限公司，上海 200121）

2020 年 1 月，新冠疫情爆發，全國各地很快紛紛宣布啟動重大突發公共衛生事件一級響應機制，各項最嚴的聯防聯控措施立即展開，很快專家即宣布新冠病毒和 SARS 病毒一樣能通過氣溶膠傳播，這意味著作為人員密集性場所的寫字樓、購物中心、酒店等場所的中央空調系統面臨著防疫的最大風險和挑戰，一旦控制不當會存在交叉感染，疫情擴散的風險。

超高層建筑由于其自身空調設計的原因更是首當其沖，其在設計中會考慮到高度產生的風速影響、煙囪效應以及安全等原因，較少地采用可開啟窗的設計，這使得整個大樓的玻璃幕墻基本處于完全封閉的狀態，為滿足 GB/T 18883—2002《室內空氣質量標準》規定人均新風換氣量≥30 m3/h，通常會采用設備層增設新風和排風的方式為室內補充新鮮空氣，減少各種苯、甲醛等有害物質對健康的損害，并且通過有組織的氣流運動，從而實現改善室內空氣質量的目的，也就是說疫情期間一般的超高層建筑無法滿足關閉空調，僅開窗通風的要求，這樣超高層建筑中的暖通設計以及疫情期的運行策略將很大程度上決定了該大樓是否能安然度過疫情。

1 疫情下超高層建筑中暖通系統的基本現狀及隱患

超高層建筑中空調系統比較常用的有 2 種：風機盤管加新風系統和全空氣系統。而全空氣空調系統作為目前高層建筑辦公采用最多的空調形式已基本取代了傳統的風機盤管加新風的設計，大部分采用了熱回收新風機組為新風來源，樓層采用空氣處理機組（Air Handling Unit，以下簡稱 AHU）加末端空氣變風量空調(Variable Volume Terminal Unit，以下簡稱 VAV) 的系統運行形式，上海中心大廈辦公也遵循此設計。此類集中式全空氣空調系統完全能滿足辦公樓的空調需求，并在節能以及空氣質量的保證方面表現突出。

全空氣中央空調系統的好處還在于末端不會有水系統的跑冒滴漏及冷凝水產生從而影響客戶，也可以有效處理回風的污染，但是正是全空氣系統的回風會導致空氣中的病菌通過循環造成交叉感染的風險。一旦建筑物內有疫情發生，中央空調系統的不當使用將會造成非常嚴重且不可挽回的損失。

2 暖通系統在疫情期的運行策略及可能遇到的問題

疫情發生后，上海市疾病預防控制中心第一時間發布《關于下發上海市新型冠狀病毒感染的肺炎疫情防控集中空調通風系統使用要求的通知》，明確為有效預防和控制感染的發生，避免人員集中場所的新冠病毒通過集中空調通風系統傳播，對各種場所的集中空調提出了使用原則，其中對辦公場所中采用全空氣空調通風系統的空調區域，要求原則上暫停使用，如需繼續使用必須加大新風量，并關閉回風，同時開啟相應的排風系統，并適當開啟外窗加大通風有效性，使系統處于全新風運行模式，這其實就是為采用集中式全空氣空調系統規定了疫情期的運行策略--全新風模式運行。

但由于設計原因全新風模式并不適用于大部分的全空氣空調系統，通常會產生以下一些問題：

（1）新風量不夠，通常為了節能，樓層的設計新風量通常以最小新風量 30 m3/h·人取值，而高檔辦公一般以 8 m2/人為標準設計參考，總設計量有限，實際辦公室人員密度較大，一旦關閉回風，全新風的狀態下無法保證房間內空調的舒適度。

（2）超高層建筑普遍缺乏可開啟外窗，排風設計量按新風量總量的 75%～95% 系數設計，新風量小排風量也必然偏小，無法保證樓層換氣次數。

（3）AHU在切斷回風僅靠新風供應的情況下，風機的頻率很難控制在低頻率的狀態下長期運行，需要把頻率及出風量調整至與新風量相近，比較困難，處理不當易造成機房門縫漏風、嘯叫情況等。

（4）同樣必須保證新風機及AHU的消殺以及各空氣處理裝置的有效運行，高效的日常處置維護能力及 BA 操作人員素質要求極高。

（5）全空氣系統回風管未設計回風箱直接接入 AHU 機組，而是回風管只連接至機房隔墻處，靠機房的密閉空腔原理回風至 AHU 機組，回風管手閥在租戶區內操作難度大無法關閉，只能人為封堵機房內的回風口，工作量較大。

3 案例分享

3.1 防疫期間的全新風模式運行前的準備工作

（1）緊急成立疫情疾控處理小組。2020 年 1 月 20日，疫情開始初期，當上海市衛健委發布通報，上海中心大廈就開立即成立了暖通疾控小組專門負責在疫情期間的暖通專業的各項防控工作，并在第一時間制定為全面實行全新風運行模式的緊急計劃及措施。

（2）緊急采購防疫物資。疫情期間各項防疫物資勢必為炙手可熱的采購對象，為了保證大廈空調設備的定期消毒，采購消毒劑、清洗劑和員工所需口罩為重中之重，沒有相關物資的存貯，后期的疫情防控和空調箱過濾率網等重要部件的消毒也將是空談。

（3）緊急制定空調設備維護消毒計劃。完善可行的計劃離不開詳細的日常設備臺賬，根據上海中心辦公租戶的入住情況及設備運行情況進行排查，在 2 周內有針對性的對204 臺 AHU 空調箱及 36 臺 HRU 全熱新風機的過濾網、中效電子凈化器、納米光子、蒸汽加濕器等設備分批進行維保消毒工作。

（4）人工關閉回風。全新風模式運行前，必須保證進入機房內的回風管完全封堵，空調箱回風口帆布封堵；打開所有新風手閥，保證新風閥門全開啟用狀態。

3.2 上海中心大廈全空氣系統設計分析

上海中心大廈的 AHU 分別設置在各自樓層的機房或相鄰的設備層中，新風經設置在各區設備層的熱回收型新風處理機組集中處理后送至各自樓層，新風處理機組一般均為雙風機熱回收機組，內設轉輪式全熱回收器，可以有效回收排風的能量。新風處理機組內設置干蒸汽加濕器可以對空氣進行加濕處理，在空氣凈化方面，AHU 通常會分別設置初效濾網、中效靜電除塵裝置以及納米光子殺菌裝置等空氣處理段，新風機組的分級采用變頻控制，可以根據房間內的 CO2濃度調節新風量，達到節能目的，但當新風量達到房間的最小新風量時，則需要維持在最小新風量，保證房間的最小換氣次數。辦公區空調系統通常劃分為內外區，內區常年供冷，一般采用單風道式變風量末端裝置，外區可以根據室外氣候變化和負荷變化對供冷或供熱模式進行調節和轉換，通常采用帶熱水盤管加熱的并聯風機動力型末端裝置。

上海中心大廈的辦公樓層分 6 個區，因整體建筑結構的設計，每個區的建筑面積是由下往上逐漸遞減的，故而每個區的新風量、排風量、空調箱 AHU 的設計風量包括數量也是各不相同，這對于全新風的運行策略計算和管理帶來很大的難度。

通過以上設計分析為了更好說明上海中心大廈新風引入的路徑，以 2 區辦公樓層為例，做了一張全空氣系統路由示意圖作為全新風策略的參考，詳見圖 1。

圖1 上海中心大廈全空氣系統示意圖

3.3 全新風運行策略說明

（1）原設計新風及排風與實際需求對比分析。以辦公2 區為列，辦公樓層為 12 F，豎向為 4 路新風和 2 路日常排風。原設計系統為每層設置 4 臺 AHU 空調機組，除了 8 F AHU 二臺設計風量為 20000 m3/h 和 33000 m3/h，其余樓層都為 25000 m3/h。設備層 7 F和 20 F 各設置 3 臺 HRU 全熱轉輪熱回收新風機組，共計 6 臺，新風機和排風機單臺設計風量分別為 27200 m3/h 和 25500 m3/h，總設計新風量為 163200 m3/h，排風量為 153000 m3/h，排風為新風量的 94% 取值，微正壓。原設計院系統圖設計風量為除了 8 樓每臺 AHU 供應新風 3450 m3/h 外，其樓層都為3390 m3/h，而每層僅有的 2 個日常排風口風量除了 8 樓為4800 m3/h，其余為 4610 m3/h，整個區的設計排風量遠遠＜HRU 機組排風最大值，以上為設計參數，但往往設備實際選型上參數都會放余量，通過現場實際的設備選型參數對原設計參數進行調整也是必須要考慮的。

2 區的每層的租賃面積為 3500 m2左右，按照 8 m2/人的人員密度，一層的入駐人數大致為 438 人，按照所需新風量為 30 m3/h/人計算，一層所需新風量為 13140 m3/h，而設計新風量為 3390 m3×4=13560 m3/h，設計新風量可滿足需求。但在實際入駐租戶中存在一個樓面 800 多員工的情況，新風量按照原設計值供應是遠遠不夠的。此時必須考慮根據每個樓層的實際入駐租戶員工人數調整個樓層的新風量供給。

樓層新風量測算及新風機組運行策略。為了更好的分析每個樓層每臺空調箱服務區域的新風量需求，需要對辦公樓層的實際使用面積，租戶人員數量進行相關統計，保證新風量供應的準確性和可操作性，詳見表 1。除去未有租戶的樓層關閉新風外，其余樓層需求新風量需要對比最低風機頻率極限 20 HZ 情況下的實際風量（現場情況測定＞5000 m3/h）從而綜合判定每臺 AHU 的新風量共給，通過計算分析和總結最后決定以5000 m3/h為標準線進行分配新風，即新風需求＜20000 m3/h 的樓層以單臺 AHU 供應 5000 m3/h 設置，新風需求＞20000 m3/h 的按照以單臺AHU 供應 8000 m3/h設置。在 6 臺新風機組全開的情況下滿足全新風運行的策略。

表1 租戶樓層所需新風量統計

（3）調整新風量的方法。開啟所有 6 臺新風機組送風機和排風機，頻率強制 50 HZ 最大風量運行，關閉轉輪熱回收裝置，防止疫情期間因排風漏風等問題污染新風。開啟AHU 機組，根據實際新風量調整 AHU 頻率，使 AHU 的系統實際風量最大可能的接近于進入機房 AHU 的新風量顯示數值。

關閉空置單元 AHU 機組及新風閥，在滿足設計標準最小新風量的基礎上針對人員少的樓層的通過 CO2濃度設定值調節或者手動新風閥開度的方法降低新風量，將多余的新風最大限度的供給人員密集的辦公租戶樓層，此工作量相對于超高層建筑來說工作量巨大，但也是響應防疫指導文件要求，滿足租戶正常新風量供給保證和空調溫度保證的必要工作。

待調試 HRU 新風機組風機頻率、AHU 頻率，AHU 送風壓力，末端變風量 VAV 的實際風量滿足全新風運行的基本條件，全新風運行模式就正式啟動了。解決了新風問題，室內的溫度也是需要盡快調整的，HRU 的新風的送風溫度設定值也需要隨季節的變化進行相應的調整，在日常的操作和觀察中發現冬季新風溫度設 22 ℃，過度季設 18 ℃ 為較理想的設定溫度。由于辦公區域分內外區，冬季外冷內熱，過渡季和夏季內外都需要制冷，單靠新風負荷無法完全消除內區的室內過熱量，還是需要靠 AHU 空調箱的冷水盤管將新風溫度進一步降低冷卻，才能滿足室內溫度要求，但由于AHU 回風封堵，傳感器無法讀取準確的回風溫度，AHU 風閥和水閥都無法根據實際情況自動調節，只能將末端的 VAV風閥開度強制 90%，BA 操作人員時刻關注租戶室內溫度進行遠程操控干預水閥開度的方法進行溫度的保障，此人為干預的操作方法可行，但需要操作人員實時調整，無論冬季還是過渡季，基本溫度都可保障在 24 ℃ 左右。

關于全新風運行策略下的 AHU 機組運行狀態和樓層區域室內溫度的反饋可詳見表 2、表 3。

表2 AHU-Z2-016-04 狀態運行實測數據表

表3 對應區域 VAV BOX 運行實測數據表

（4）新風機組和排風機組的運行時間。白天全新風狀態運行時間為 6:00—18:00，夜間大廈辦公區空氣全面換氣運行，針對辦公區全封閉無外窗的實際情況，夜間由23:00—06:00 對大廈辦公區新風、排風設備調整啟用，樓層內空調箱及 VAV 末端設備啟用，加大送排風空氣流動，保證換氣次數≥1次/h，改善室內空氣品質，同時出于節能考慮關閉熱水閥及冷凍水閥，降低能耗。

3.4 防疫期間辦公室 PM 2.5 及 CO2 的檢測

衡量室內空氣品質最關鍵的兩個因素，PM 2.5 和 CO2。與較粗的大氣顆粒物相比，PM 2.5 粒徑小，面積大，活性強，易附帶有毒、有害物質（例如，重金屬、微生物等），且在大氣中的停留時間長、輸送距離遠，因而對人體健康和室內環境質量的影響更大。CO2的濃度指標則反應了室內新風是否充足的，辦公室內一般≤1×10-3。為了更好的驗證上海中心為了防疫期間所做的所有維保消毒工作的成果，同時了解本次全新風模式運行狀態下各租戶區域的整體環境情況反饋，疾控小組做了為期一個月以上的定點檢測，選擇室外 PM2.5 的較為明顯變化的時間及天數進行測試。具體數值詳見表 4 與表 5。

表4 上海中心大廈 16 F PM 2.5 對比記錄表

表5 上海中心大廈 16 F CO2 對比記錄表

從表中可看出，通過對上海中心辦公區域新風機組、空調箱的金屬過濾網表清洗消毒、初效無紡布過濾網更換、AHU 中效靜電除塵過濾網故障的維修調換、納米光子除菌裝置故障的維修調換等大量工作后啟用全新風運行模式的效果還是顯而易見的。

5 引發的設計思考

從以上疫情來臨時的一系列措施、運行策略的采用以及遇到的問題和解決方案，讓我們對一棟超高層建筑的暖通設計提出了更多思考。

（1）如何平衡超高層建筑的新風量需求與節能要求

（2）疫情發生時，能保障真正意義上的全新風運行且滿足末端使用的需求值

（3）設計中不可缺少的各級空氣處理階段的凈化裝置配置以及空氣質量實時檢測常態化的配置

（4）AHU 的回風閥可控，變頻電機的可變范圍擴大，須滿足僅新風運行時的頻率變化

6 結 語

本文從超高層建筑的暖通設計、疫情期的運行策略以及實際案例全面剖析了疫情期超高層建筑中暖通系統的重要性以及正確的運行策略，為超高層建筑疫情期的空調運行策略提供了借鑒，也為后期超高層建筑中的暖通設計提出了思考。