上海北外灘某項(xiàng)目辦公樓變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

萬(wàn) 陽(yáng)

上海建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司 上海 200041

1 前言及項(xiàng)目概述

1.1 變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)簡(jiǎn)述

在全空氣空調(diào)系統(tǒng)中，變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)是一種重要的形式。該系統(tǒng)具有優(yōu)良的部分負(fù)荷節(jié)能性能、良好的室內(nèi)空氣品質(zhì)和靈活的空調(diào)區(qū)域控制，已被廣泛應(yīng)用于各種國(guó)際主流的辦公和商業(yè)建筑。我國(guó)在1980年代初，通過(guò)境外建筑師和機(jī)電顧問(wèn)主持的項(xiàng)目引進(jìn)了變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)，但由于當(dāng)時(shí)對(duì)變風(fēng)量系統(tǒng)性能認(rèn)識(shí)不足，控制和調(diào)試技術(shù)相對(duì)落后，導(dǎo)致系統(tǒng)無(wú)法按設(shè)計(jì)要求運(yùn)行。這導(dǎo)致當(dāng)時(shí)變風(fēng)量系統(tǒng)的應(yīng)用出現(xiàn)過(guò)暫時(shí)的停滯。但現(xiàn)在隨著末端設(shè)備性能的提高及自控技術(shù)的進(jìn)步，變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)得到了更進(jìn)一步的推廣和應(yīng)用[1]。

由于常規(guī)的風(fēng)機(jī)盤(pán)管系統(tǒng)和定風(fēng)量系統(tǒng)暴露出一些無(wú)法回避的缺點(diǎn)：風(fēng)機(jī)盤(pán)管系統(tǒng)因冷凝水造成的霉菌和污染問(wèn)題難以解決；定風(fēng)量系統(tǒng)因統(tǒng)一的送風(fēng)參數(shù)而難以滿足不同房間的差異化要求；風(fēng)機(jī)盤(pán)管系統(tǒng)和定風(fēng)量系統(tǒng)在平面空間改擴(kuò)建時(shí)適應(yīng)性較差。同時(shí)，由于部分負(fù)荷運(yùn)行占據(jù)了空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行的大部分時(shí)間，所有減少風(fēng)量，降低風(fēng)機(jī)的能耗也是變風(fēng)量系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)所在。因此作為一名暖通工程師，對(duì)變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)該了解認(rèn)識(shí)并能夠在實(shí)際工程中靈活應(yīng)用。本文就以筆者親身參與的工程得到的經(jīng)驗(yàn)體會(huì)，簡(jiǎn)單介紹下變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

1.2 項(xiàng)目概述

北外灘某項(xiàng)目西地塊是一體規(guī)劃建設(shè)的北外灘項(xiàng)目三個(gè)相鄰地塊中的西地塊，本項(xiàng)工程項(xiàng)目位于北外灘虹口地區(qū)，基地南依黃浦江，北靠東大名路及楊樹(shù)浦路，西近公平路，東側(cè)為秦皇島路，總用地面積為41345m2。

作為整個(gè)北外灘某項(xiàng)目的一部分，在西地塊內(nèi)共5棟商辦建筑呈前后兩排布置，分別為項(xiàng)目的13-17號(hào)樓，地上部分的總建筑面積為102713m2，5棟大樓均為辦公用房，最高建筑高度約97.3m；3層地下室的總建筑面積為101083m2。其中地下二、三層為汽車停車庫(kù)、冷凍機(jī)房、變配電間等設(shè)備用房；部分設(shè)置平戰(zhàn)結(jié)合人防區(qū)域。地下一層為商業(yè)、報(bào)告廳等公共設(shè)施。

2 空調(diào)系統(tǒng)方案選擇

針對(duì)于大、中型辦公建筑中的應(yīng)用，目前國(guó)內(nèi)常見(jiàn)的空調(diào)系統(tǒng)有以下幾種形式：

1) 全空氣定風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)

2) 風(fēng)機(jī)盤(pán)管加新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)

3) 全空氣變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)

以上幾種空調(diào)系統(tǒng)各有其應(yīng)用優(yōu)勢(shì)及不足之處。就本項(xiàng)目來(lái)說(shuō)，地上大樓除16號(hào)樓外均為大空間辦公，中心為核心筒體，建筑體量大、平面面積大且進(jìn)深深。外圍護(hù)全部采用玻璃幕墻，無(wú)可開(kāi)啟外窗，過(guò)度季節(jié)無(wú)法開(kāi)窗通風(fēng)，空調(diào)系統(tǒng)須全年運(yùn)行。業(yè)主定位為高級(jí)辦公寫(xiě)字樓，對(duì)室內(nèi)空氣品質(zhì)和熱舒適性要求較高，也考慮到將來(lái)對(duì)大空間辦公進(jìn)行二次分隔，可實(shí)現(xiàn)區(qū)域溫度可控制，故采用全空氣變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)。

3 變風(fēng)量空調(diào)末端的選擇以及系統(tǒng)的確定

3.1 變風(fēng)量末端設(shè)備形式

目前最常用的變風(fēng)量系統(tǒng)末端設(shè)備有單風(fēng)道型和風(fēng)機(jī)動(dòng)力型兩種。

3.1.1 單風(fēng)道型變風(fēng)量末端設(shè)備

單風(fēng)道型變風(fēng)量末端是通過(guò)調(diào)節(jié)送風(fēng)截面積來(lái)調(diào)節(jié)送入室內(nèi)風(fēng)量，也是最基本的變風(fēng)量末端設(shè)備，其他變風(fēng)量末端都是在此基礎(chǔ)上變化發(fā)展起來(lái)的。此類末端可使用于單冷型、單冷再熱型、冷熱型系統(tǒng)。其中單冷型系統(tǒng)采用不帶再熱盤(pán)管的單風(fēng)道末端，該系統(tǒng)全年供冷。而單冷再熱型系統(tǒng)中，需全年供冷的內(nèi)區(qū)采用不帶再熱盤(pán)管的末端，夏季供冷和冬季供暖的外區(qū)或其他需要“過(guò)冷再熱”的區(qū)域采用帶再熱盤(pán)管的末端[2]。

3.1.2 風(fēng)機(jī)動(dòng)力型變風(fēng)量末端設(shè)備

根據(jù)一次風(fēng)與風(fēng)機(jī)的關(guān)系，風(fēng)機(jī)動(dòng)力型變風(fēng)量末端可分為風(fēng)機(jī)并聯(lián)型與風(fēng)機(jī)串聯(lián)型，一次風(fēng)風(fēng)閥與內(nèi)置風(fēng)機(jī)串聯(lián)設(shè)置的為風(fēng)機(jī)串聯(lián)型，一次風(fēng)與回風(fēng)混合后經(jīng)風(fēng)機(jī)送入室內(nèi)，通過(guò)調(diào)節(jié)一次風(fēng)風(fēng)閥控制室內(nèi)環(huán)境溫度；一次風(fēng)風(fēng)閥與內(nèi)置風(fēng)機(jī)并聯(lián)設(shè)置的為風(fēng)機(jī)并聯(lián)型，一次風(fēng)與經(jīng)風(fēng)機(jī)的回風(fēng)混合后送入室內(nèi)，風(fēng)機(jī)僅承擔(dān)回風(fēng)風(fēng)量，冬季運(yùn)行時(shí)，一次風(fēng)以小風(fēng)量運(yùn)行，僅滿足新風(fēng)需求，通過(guò)調(diào)整一次風(fēng)風(fēng)閥和間隙運(yùn)行風(fēng)機(jī)控制室內(nèi)環(huán)境溫度。

風(fēng)機(jī)串聯(lián)型變風(fēng)量末端可運(yùn)用于只需全年提供冷負(fù)荷的內(nèi)區(qū)，或配置再熱器運(yùn)用于需要夏季供熱和冬季供熱的外區(qū)和其他需要“過(guò)冷再熱”的區(qū)域；風(fēng)機(jī)并聯(lián)型變風(fēng)量末端通常與單風(fēng)道型變風(fēng)量末端配合運(yùn)用，帶再熱器的風(fēng)機(jī)并聯(lián)型末端應(yīng)用于需要夏季供冷和冬季供的外區(qū)和其他需要“過(guò)冷再熱”的區(qū)域，單風(fēng)道末端應(yīng)用于全年需要供冷的內(nèi)區(qū)。此外在小風(fēng)量和最小風(fēng)量供冷且需要考慮室內(nèi)氣流組織的場(chǎng)所，也需要選用無(wú)再熱器的風(fēng)機(jī)并聯(lián)型變風(fēng)量末端。

3.2 變風(fēng)量系統(tǒng)及末端設(shè)備的選擇

對(duì)于本項(xiàng)目情況，建筑平面體量中等，核心筒體內(nèi)設(shè)備機(jī)房面積有限，無(wú)法安裝兩臺(tái)空調(diào)箱，并且業(yè)主對(duì)室內(nèi)吊頂要求較高，無(wú)足夠吊頂空間安裝過(guò)多管路，因此無(wú)法使用雙風(fēng)道型變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)。同時(shí)，該項(xiàng)目外圍護(hù)均為雙層中空l(shuí)ow-e玻璃幕墻，受結(jié)構(gòu)條件的限制，外圍護(hù)區(qū)域無(wú)法安裝風(fēng)機(jī)盤(pán)管來(lái)處理外圍護(hù)結(jié)構(gòu)引起的冷、熱負(fù)荷，也無(wú)法使用組合式單風(fēng)道變風(fēng)量系統(tǒng)。

在末端設(shè)備形式的選擇上，本項(xiàng)目建筑平面空調(diào)區(qū)域分內(nèi)、外區(qū)，內(nèi)區(qū)常年制冷、外區(qū)夏季制冷冬季制熱。因此可選擇單風(fēng)道型或風(fēng)機(jī)動(dòng)力型。

內(nèi)區(qū)由于只有制冷工況，無(wú)需承擔(dān)冬季熱負(fù)荷，所以選擇單冷型單風(fēng)道末端設(shè)備，其優(yōu)勢(shì)在于構(gòu)造簡(jiǎn)單、體積小、無(wú)內(nèi)置風(fēng)機(jī)、運(yùn)行噪聲低。

外區(qū)夏季要求制冷，冬季要求制熱，需選用具有再熱功能的變風(fēng)量末端設(shè)備。單風(fēng)道末端設(shè)備會(huì)受到末端最小新風(fēng)量及熱空氣分層現(xiàn)象的制約，加熱能力有限，如果要求增大加熱能力會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)冷、熱混合損失嚴(yán)重，無(wú)法達(dá)到節(jié)能效果。

因此本項(xiàng)目選用帶加熱盤(pán)管的風(fēng)機(jī)動(dòng)力性變風(fēng)量末端設(shè)備。如前所述，風(fēng)機(jī)動(dòng)力型末端設(shè)備分為風(fēng)機(jī)串聯(lián)型和風(fēng)機(jī)并聯(lián)型。串聯(lián)型末端設(shè)備內(nèi)的風(fēng)機(jī)需連續(xù)運(yùn)行，而且風(fēng)機(jī)風(fēng)量約為最大風(fēng)量的1.0-1.3倍，雖然串聯(lián)型末端設(shè)備可以提高室內(nèi)空氣分布性能，但帶來(lái)的不利是造成風(fēng)機(jī)能耗的增加。而并聯(lián)型末端設(shè)備內(nèi)的風(fēng)機(jī)無(wú)需連續(xù)運(yùn)行，且風(fēng)機(jī)風(fēng)量為最大風(fēng)量的0.6倍，風(fēng)機(jī)僅在小風(fēng)量和供熱時(shí)運(yùn)行。因此本項(xiàng)目選擇帶加熱盤(pán)管的并聯(lián)型末端設(shè)備，既滿足了冬季外區(qū)再熱的要求，又避免了過(guò)多的風(fēng)機(jī)能耗，同時(shí)提高了室內(nèi)換氣次數(shù)，有利于室內(nèi)氣流組織[3]。

綜上所述，本項(xiàng)目選擇采用并聯(lián)型風(fēng)機(jī)動(dòng)力型末端和單風(fēng)道末端相結(jié)合的變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)，外區(qū)采用帶加熱盤(pán)管的并聯(lián)式末端設(shè)備；內(nèi)區(qū)采用無(wú)加熱設(shè)備的單風(fēng)道末端設(shè)備，“過(guò)冷再熱”區(qū)域采用帶加熱盤(pán)管的并聯(lián)式末端設(shè)備。

4 變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的負(fù)荷計(jì)算及設(shè)備選型

4.1 變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的負(fù)荷計(jì)算

對(duì)于變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的空調(diào)負(fù)荷計(jì)算首先需要對(duì)建筑平面進(jìn)行空調(diào)內(nèi)外分區(qū)劃分，并根據(jù)外圍護(hù)朝向、房間用途、室內(nèi)溫度、及溫度控制區(qū)面積等因素再分為若干溫度控制區(qū)。根據(jù)該項(xiàng)目的圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)，選擇外區(qū)進(jìn)深3m。使用負(fù)荷計(jì)算軟件計(jì)算劃定好的各控制區(qū)的各項(xiàng)室內(nèi)負(fù)荷量，經(jīng)過(guò)各項(xiàng)負(fù)荷的累加計(jì)算得出各控制區(qū)的冷、熱負(fù)荷，再對(duì)變風(fēng)量末端進(jìn)行選型計(jì)算。

圖1 空調(diào)分區(qū)平面圖

4.2 變風(fēng)量末端設(shè)備的選型計(jì)算

在送風(fēng)溫度恒定的基礎(chǔ)上，通過(guò)調(diào)節(jié)變化送風(fēng)量來(lái)控制室內(nèi)溫度，是變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)調(diào)節(jié)室內(nèi)負(fù)荷變化的主要原理。對(duì)于各控制區(qū)負(fù)荷來(lái)說(shuō)熱濕比不盡相同，但作為舒適性空調(diào)設(shè)計(jì)，可選擇固定的送風(fēng)溫差，通過(guò)各控制區(qū)內(nèi)的顯熱負(fù)荷量及送風(fēng)溫差得出末端設(shè)備的一次風(fēng)最大風(fēng)量。本項(xiàng)目選擇送風(fēng)溫差為9℃，由此計(jì)算得出各控制區(qū)變風(fēng)量末端設(shè)備的最大一次風(fēng)量[4]。變風(fēng)量末端設(shè)備的一次風(fēng)最小風(fēng)量可反映出設(shè)備對(duì)負(fù)荷變化的調(diào)節(jié)能力，對(duì)于無(wú)再熱單風(fēng)道末端設(shè)備通常一次風(fēng)最小風(fēng)量按最大風(fēng)量的30%-40%選取。對(duì)于本項(xiàng)目，內(nèi)區(qū)區(qū)域最小負(fù)荷送風(fēng)量為最大送風(fēng)量的35.4%，內(nèi)區(qū)采用的單風(fēng)道末端設(shè)備取一次風(fēng)最大風(fēng)量的35%為設(shè)備最小風(fēng)量；外區(qū)區(qū)域最小負(fù)荷送風(fēng)量為最大送風(fēng)量的41.2%，外區(qū)采用的風(fēng)機(jī)并聯(lián)型末端設(shè)備取一次風(fēng)最大風(fēng)量的40%為設(shè)備最小風(fēng)量，60%為內(nèi)置風(fēng)機(jī)風(fēng)量。

在變風(fēng)量末端設(shè)備選型時(shí)還需注意不可將計(jì)算所得最大風(fēng)量再附加設(shè)備余量來(lái)進(jìn)行選型，這樣會(huì)使變風(fēng)量末端設(shè)備長(zhǎng)期處于部分負(fù)荷狀態(tài)下運(yùn)行，一次風(fēng)閥開(kāi)度過(guò)小引起噪聲，也會(huì)使末端的調(diào)節(jié)范圍減小、再熱量增大等不利結(jié)果[5]。

4.3 變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)氣流組織

通常采用定截面作為空調(diào)系統(tǒng)的送風(fēng)口的形狀，也很少改變導(dǎo)葉的角度，因此在減少風(fēng)量時(shí)會(huì)影響室內(nèi)氣流組織。 但隨著室內(nèi)負(fù)荷的變化，處理風(fēng)量發(fā)生變化，這就必須考慮其對(duì)室內(nèi)空氣流量的影響，而條縫形散流器的誘導(dǎo)作用很強(qiáng)，且貼附性能也好，基本可以保證空氣分布特性指標(biāo)在80%以上。根據(jù)這些優(yōu)點(diǎn)并結(jié)合本項(xiàng)目裝修效果，最終采用條縫型散流器風(fēng)口，并區(qū)分內(nèi)外區(qū)，內(nèi)區(qū)風(fēng)口選擇單個(gè)風(fēng)量小、射程長(zhǎng)的風(fēng)口，來(lái)實(shí)現(xiàn)室內(nèi)良好的氣流組織。

表1 空調(diào)區(qū)域負(fù)荷計(jì)算及末端選型表

圖2 變風(fēng)量末端設(shè)備平面布置圖

5 變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需注意的問(wèn)題及體會(huì)

5.1 變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需注意的問(wèn)題

變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)中所涉及的計(jì)算及設(shè)備選型相比其他空調(diào)系統(tǒng)形式要復(fù)雜繁瑣的多，設(shè)計(jì)過(guò)程中需對(duì)系統(tǒng)中所涉及到的各個(gè)部分了解熟悉。

變風(fēng)量終端作為一個(gè)小的噪音源，容易對(duì)室內(nèi)環(huán)境產(chǎn)生影響。 因此，變風(fēng)量末端應(yīng)在校核各末端裝置在最小和最大風(fēng)量下產(chǎn)生的噪音后進(jìn)行選擇。 在對(duì)噪聲要求較高的場(chǎng)合，應(yīng)慎用變風(fēng)量系統(tǒng)。

變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)能否正常運(yùn)行，很大程度上取決于其控制系統(tǒng)。我國(guó)前期在變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例中，很多失敗的案例也是由于自控技術(shù)上的因素[6]。

5.2 設(shè)計(jì)體會(huì)

變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)雖已有40多年的發(fā)展歷史，并隨著配套技術(shù)的進(jìn)步，該系統(tǒng)形式在國(guó)內(nèi)大空間辦公建筑中的應(yīng)用變得越來(lái)越廣泛。但其涉及的內(nèi)容范圍較多，需要設(shè)計(jì)人員對(duì)變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)有相當(dāng)熟悉的認(rèn)識(shí)之后才能更好的做好系統(tǒng)設(shè)計(jì)。通過(guò)該項(xiàng)目的實(shí)際應(yīng)用，進(jìn)一步加深了對(duì)系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)，并需要不斷的總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，不斷的精確設(shè)計(jì)計(jì)算方法，使變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)更為合理。