超高層建筑物供暖及空調余熱利用理論探討

趙中強

（濟南二建集團工程有限公司，濟南 250021）

1 引言

在當前科學技術水平不斷提高的背景下，有關超高層建筑物供暖及空調余熱利用的研究也隨之增多。尤其是在能源利用形勢越發嚴峻的情況下，能源利用率的提高對于我國綠色發展理念的實施具有積極意義。隨著建筑高度的增加，在超高層建筑物后期使用過程中，無論是夏日空調系統還是冬日供暖系統的運行，建筑物上下兩端的溫差都會逐漸增大。為解決這一問題，可以借助太陽能熱利用領域中的太陽能熱氣流電站，在超高層建筑物中設計下部敞口的通天風井。在夏日空調系統工作期間，余熱向該天井排熱，冬日，熱泵從天井中吸熱。夏日空氣向上運動，冬日空氣向下運動，若超高層建筑物高度足夠，那么當空氣垂直向上運動時能夠促使渦輪或者風機運轉做功，對能源進行回收，進而起到建筑節能的作用。

2 超高層建筑供暖及空調系統余熱利用原則

要利用超高層建筑供暖及空調系統余熱，需要結合建筑物實際情況采取科學合理手段，在保障供暖及空調系統穩定運行的同時，提高超高層建筑供暖及空調系統的設計水平。

2.1 可行性

要有效利用超高層建筑供暖及空調系統余熱，相關人員在設計通天風井的過程中要始終遵循可行性原則，只有這樣才能保障后期系統余熱利用效果。在此過程中需要注意的是，不僅要對建筑物供暖及空調余熱進行利用，還需要對溫度做到隨機調節，并且不能對周邊環境造成影響，保障建筑物內部的溫度和濕度[1]。

2.2 經濟性

在當前我國空調及供暖行業持續發展背景下，各種規格、型號的空調系統不斷出現，系統所具備的功能也越來越多，各個款式的空調價格參差不齊。工作人員在針對超高層建筑供暖及空調系統余熱利用問題上，需要對空調及供熱系統選擇科學合理的設計方案，遵循經濟性原則，保障系統運行的經濟效益。

2.3 可調節性

在超高層建筑供暖及空調系統余熱利用中，除了要考慮方案的可行性與經濟性，還需要考慮方案的可調節性。只有這樣才能滿足不同季節建筑物的溫度需求。此外，在方案應用過程中，還需要充分考慮影響供暖及空調系統余熱的其他因素，以便保障設備持續、穩定的運行。

3 超高層建筑物供暖及空調余熱利用原理

夏日，在超高層建筑中央空調系統的制冷過程中，需要通過系統的冷凝效應降低室內溫度，將熱量直接排放到外界。要對此部分熱量進行利用，可以應用上述提出的通風天井，通過氣體運動過程中產生的能量推動天井內的風機或渦輪，最終實現能源回收利用。冬日供暖系統與夏日系統能量回收相似，不同的是，冬日因天井內氣體下沉的關系，需要利用天井底部的渦輪或風機，而夏日是利用頂部的渦輪或風機。

4 超高層建筑物供暖及空調余熱利用

4.1 超高層建筑物供暖及空調余熱利用模型

某超高層建筑物高為x，在其建筑物中心位置合理設置通風天井，在天井內部設置渦輪及風機，安裝部位需要結合建筑運行情況而定，通常在上下端安裝，必要情況下在天井中部也會安裝。在炎熱天氣，建筑物內部空調系統會有序運轉，此時空調外機會排出室內一部分熱空氣，當熱空氣在天井中聚集到一定程度后，溫度會逐漸超過周邊環境溫度，氣體呈現向上運動的趨勢，進而促使渦輪或者風機運轉做功[2]。在冬季供暖系統運行時，熱泵會向外排出冷氣，當通風天井中的氣體溫度低于環境溫度時，氣體會逐漸下沉，進而推動下部風機旋轉運行。室內溫度、環境溫度、空調冷凝溫度、熱泵蒸發溫度與建筑高度的關系如圖1、圖2所示。

圖1 夏日室內溫度、環境溫度、空調冷凝溫度與建筑高度的關系

圖2 冬日室內溫度、環境溫度、熱泵蒸發溫度與建筑高度的關系

4.2 夏日空調模式

要利用夏日空調系統余熱，若需將超高層建筑物室內溫度始終維持在T，設地面溫度為T1，那么，在通風天井內沿著建筑物高度方向x的大氣溫度Tx可以用式（1）表示：

由于通風天井內的溫度高于周邊環境空氣溫度，到達一定程度后氣體會向上運動，在此過程中，假設空氣在高度為x處運動到x+Δx處時，空氣會在膨脹過程中產生吸熱現象，其吸收的熱量Qx由式（2）計算[3]：

式中，Cv為空氣定容比熱；k為空氣絕熱指數；nx為高度為x時空氣多變指數；Px為高度為x處的空氣壓力；Px+Δx為高度為x+Δx處的空氣壓力。

對于天井內的空氣，單位質量空氣上升過程中吸收的總熱量為q=∑Qx，若在此過程中吸熱量q要由空調放熱進行補充，假設忽略空調與空氣的換熱溫差，此時空調做功量可以用表示。若考慮單位質量氣體從溫度T1上升到T2，那么空調總排熱為此時，空調總耗電量為其中，C為空氣定容比熱；P為空氣壓力。

天井內，氣體向上運行時做的總功W=∑Wx（Wx為氣體上升到高度x時的空調耗電量）。因為氣體向上運動速度較為緩慢，假設忽略掉氣體上升過程中的阻力以及天井出口流動的空氣動能，那么，氣體在整個上升過程中需要克服的重力便是理論上渦輪或者風機能夠回收的功（W回收=W-gh，g為重力加速度、h為氣體上升高度）[4]。

4.3 冬日供暖模式

假設冬日建筑物內的溫度為T，周邊環境溫度T2，通風天井地面上氣體溫度為Tn（Tn=T2-0.0065x）。當冬日供暖系統運行后，天井內的溫度逐漸降低，空氣下沉，那么，從高度x到x+Δx時，會因為被壓縮的緣故產生放熱現象，產生的熱量為:

天井內部，氣體會在頂部有個降溫的過程，熱泵總吸熱量Qhp=Q+CP（T0h-T1h）（T0h、T1h分別為天井進出口外氣體溫度）[5]。熱泵總耗電量為高度x處的熱泵總耗電量）。忽略天井兩端出口處空氣動能，氣體在下降過程中的驅動力主要為動力，天井顳部的渦輪以及風機回收能量Wt可以表示為Wt=gh-W[6]（h為空氣下降高度）。

5 結果分析

工作人員在對文中上述算式開展計算時，通常取重力加速度g為9.81 m/s2，夏日取環境溫度為36℃，冬日取地面溫度為0℃。此外，還需要假設夏日建筑物內溫度為27℃，冬日室內溫度為17℃。

在夏日，建筑物不同高度與地面溫度下的能量回收率會發生變化，具體表現為高度越高能量回收率越大。此外，通風天井在運行過程中，隨著地面溫度的升高，能量回收最終會呈現最大值，這是因為在溫度逐漸升高的過程中，天井內部氣體的做功能力不斷提高，但是由于空調的溫度升高，空調消耗能量會更快，所以會導致能量回收率降低，進而促使回收率產生一個最大值。

在冬日，采用熱泵供暖也存在最大值，與夏日相同，在冬日，建筑物的高度越高能量回收率越大。此外，在供暖系統運行過程中，溫度降低時能量回收率也會出現最大值，但在高度不斷增加時，回收率最大值會逐漸降低。

在此過程中需要注意的是，當天井內的空氣與周邊環境溫差逐漸增加時，雖然能量回收率有一個最大值，但是建筑物總能耗會隨著溫差的增大而增大。盡管會采取能量回收手段，但仍無法有效應對該情況。這一現象說明，無論是在冬日還是夏日，空調系統與供暖系統的工作溫差越小越好。但是根據當前我國超高層建筑物實際運行情況來看，溫差越小，在一定程度上意味著換熱面積越大，那么在建筑物建設初期成本會增加。基于此，有關人員可以通過開展技術經濟評估工作，選擇合適的溫差。但是無論溫差多少，采用能量回收裝置利用供暖系統及空調系統余熱都會降低建筑物能耗，并且對于建筑物結構強度也有很大好處。

6 結語

綜上所述，對于高層建筑，在其底部合理設置通風天井，夏日空調系統運行過程中會不斷向井中排熱，而冬日供暖系統吸熱，因此，會導致天井內部的空氣在冬日下沉，在夏日上升。若建筑物的高度足夠高，那么空氣在下沉與上升過程中都會獲得一定能量，進而通過天井內設置的風機與渦輪進行回收。從理論上來看這一想法是可以實現的。