某超高層辦公建筑空調系統設計分析

摘" 要：以夏熱冬冷地區某超高層辦公建筑為例，利用DesignBuilder軟件進行全年動態負荷模擬，分析其負荷分布特性；結合項目周邊能源現狀，對“冷水機組+燃氣鍋爐”、風冷熱泵、“冰蓄冷+電鍋爐蓄熱”幾種冷熱源形式進行分析，得出“冰蓄冷+電鍋爐蓄熱”在本項目中應有具有較多優勢；結合當地電價政策及相關規范要求，擬定了“60%冰蓄冷+全蓄熱”“30%冰蓄冷+全蓄熱”“20%冰蓄冷+全蓄熱”幾種不同的蓄能方案。結合負荷模擬結果，與前述幾種冷熱源方案進行詳細的技術經濟對比，最終得出：“30%蓄冷+全蓄熱”的冷熱源形式運行費用較低且投資回收年限適中，其結果對同類型建筑具有一定的參考意義。

關鍵詞：超高層" 空調系統" 冷熱源" 全年負荷模擬" 蓄冷蓄熱

中圖分類號：TU831

Design and Analysis oOf Air Conditioning System fFor aA Super High-Rise Office Building

PENG Yamei

Shenzhen Architectural Design and Research Institute Co.， Ltd.， Hefei Branch， ， Hefei， ，Anhui Province，230000 China

Abstract： Taking a super high-rise office building in a hot summer and cold winter area as an example， this article uses the dDesign bBuilder software to simulate the dynamic load throughout the year and analyze its load distribution characteristics; Based on the current energy situation in the surrounding area of the project， this paper analyzes several forms of cold and heat sources， including chiller units， +gas boilers， air-cooled heat pumps， and ice storage and water storage. It is concluded that ice storage and water storage should have many advantages in this project; Based on local electricity pricing policies and relevant regulatory requirements， several different energy storage schemes were developedproposed， including 60% ice storage+full storage， 30% ice storage+full storage， and 20% ice storage+full storage. Based on Combined with load simulation results， a detailed technical and economic comparison was made with the aforementioned cold and heat source schemes. Ultimately， it was finally found that the 30% ice cold storage+full heat storage cold and heat source form has lower operating costs and moderate investment payback period， and its results havewhich has certain reference significance for similar buildings.

Key Wwords： Super high-rise building; Air conditioning system; Cold and heat sources; Load simulation throughout the year Annual load simulation; Cold and heat storage

隨著城市化進程的加快，超高層建筑日益增多。在提升城市形象的同時，也給工程設計帶來了許多難題。超高層建筑在空調系統設計方面面臨著高能耗、高承壓、高可靠性的挑戰。如何在滿足室內環境舒適性的同時實現高效節能和環保，成為亟待解決的問題。

本文以夏熱冬冷地區某超高層建筑為例，詳細分析了其負荷特點和冷熱源的選擇過程，選擇最佳的冷熱源方案，實現空調系統的高效節能。

1" 工程概況

本工程位于夏熱冬冷地區，是以出租為主的辦公建筑。總建筑面積約為65 309 m2 ，空調面積為47 416 m2，建筑高度為169.6 m。分地上和地下兩部分，地上僅有一個塔樓，共38層，地下2層，其中8、19、30層為避難層。

2" 冷熱源設計

2.1" 能源現狀

項目所在地以火力發電為主，太陽能、光伏、風力等可再生能源發電占比和增幅逐年提高，電力結構不斷優化。電力供應整體充足，但隨著電力需求持續上升，尖峰負荷突出。當地鼓勵用戶錯峰填谷，電價如表1所示。

項目所在地天然氣約六成來源于“西氣東輸”，約四成依賴進口，供應總體充足，但價格受國際形式影響，漲幅較大。無市政蒸汽或熱水。無合適的區域布置地源熱泵地埋管，淺層地熱能應用受限。

2.2" 負荷分析

負荷分析是選擇冷熱源形式、確定設備容量的基本依據。超高層建筑空調負荷的計算方法與多層建筑的方法相同，不同之處在于需要考慮室外平均風速與空氣溫度隨建筑高度的變化[1]。采用Design Builder軟件進行全年動態負荷模擬，模擬結果如圖1、圖2、圖3所示。

（1）建筑主要用途為辦公，負荷集中在白天，夜間僅有少量不固定加班負荷。

（2）冷熱負荷高峰時刻均與電價峰段基本一致。

（3）部分負荷運行時間較長，滿負荷時間非常短夜間負荷小且不固定；本項目主要用于出租，入駐率隨著招商需要的周期逐步提高，滿負荷運行時間占比會進一步減少。

3" 冷熱源設計

本項目定位為高端研發生產樓，對舒適度和建筑外立面形象要求高。變制冷劑流量多聯機系統設備多且分散，需要在外立面設置大量百葉供室外機通風散熱，并且受極端天氣影響大、冬季融霜造成舒適性差，不適用本項目。結合周邊能源現狀，適用本項目的冷熱源有如下幾種組合形式：（1）冷水機組+燃氣鍋爐；（2）風冷熱泵；（3）冰蓄冷+電鍋爐蓄熱。

根據項目周邊能源現狀及負荷模擬結果擬定如下幾種適用本項目的冷熱源方案并進行初步對比，具體如下。

方案一：冷水機組+燃氣鍋爐。

該方案夏季采用冷水機組制冷，冬季采用燃氣鍋爐供暖。其優點在于系統簡單，運行受氣候條件影響較小，初投資及運行費用均適中；缺點在于燃氣鍋爐需要考慮煙氣排放及泄爆，直接碳排放量較高。

方案二：風冷熱泵。

該方案利用風冷熱泵機組夏季供冷、冬季供暖。其優點在于無直接碳排放；缺點在于風冷熱泵機組能效較低，運行費用較高。

方案三：蓄能式空調系統。

蓄能空調技術是在電力負荷很低的夜間低谷期，采用電動制冷機制冷，利用蓄冷介質的顯熱或潛熱特性，用一定的方式將能量儲存起來[2]。在電力負荷較高的用電高峰期，把儲存的冷量釋放出來，以滿足建筑物空調的負荷需要。其優點在于不但可以緩解電力緊張，還可以大幅降低運行費用，使用戶在經濟上達到最大的利益；缺點在于初投資和配電裝機容量會有所增加。從負荷分析結果可以看出本項目應用該系統具有較大優勢。

依據《蓄能空調工程技術標準》（JGJ 158—2018）的要求，當采用電鍋爐蓄熱時必須采用全蓄熱的方式，介質通常采用水。蓄冷可以采用冰蓄冷或水蓄冷。冰蓄冷是利用冰的相變潛熱來儲存冷量，其特點為蓄冷密度大，并且供冷溫度穩定，占用空間相對較小，易做成標準化設備[3]，但缺點在于冬季的蓄熱水箱不可利用，需要額外設置一套冰蓄冷裝置。水蓄冷是利用水的顯熱實現冷量的儲存，優點在于可以利用冬季的蓄熱水槽，缺點在于單位體積蓄冷量較小。對電價一定區域的蓄冷系統而言，蓄冷率高低直接影響蓄冷系統初投資大小。通常，全蓄冷系統完全利用低谷電力，移峰能力最強，可以大幅度節省電費，但蓄冷裝置和制冷機的裝機容量最大，初投資高[4]；部分蓄冷系統則反之，蓄冷裝置和制冷機的裝機容量最較小，利用率高，初投資少，但移峰能力較弱，節省電費相對較少[5]。最佳蓄冷率除了與壓縮機的性能曲線有關外還與冰蓄冷空調系統的工作模式、冷水機組白天空調工況和晚間制冰工況的制運轉時數有關，不考慮蓄冷電價影響，按主機優先模式測算版工程最佳蓄冰率為30%。根據當地政策，“60%冰蓄冷+全蓄熱”可以申請蓄能電價。

基于上述分析進一步擬定3種蓄能方案：

（1）30%冰蓄冷+全蓄熱：該方案為依據峰谷電價推算出的最佳蓄冷率[6]。

（2）60%冰蓄冷+全蓄熱：該方案為申請蓄冷電價所需要的最低蓄冷率。

（3）20%水蓄冷+全蓄熱：該方案最大化利用地下室可以用來布置蓄冷水池空間蓄冷。

針對上述方案進行詳細的技術經濟對比，如表2所示。

經技術經濟比較可知：方案一初投資和運行費用適中但有直接碳排放，與本項目的綠色建筑設計理念相悖；方案二初投資和運行費用均較高且噪音對周邊環境影響較大；方案三初投資較高，雖有蓄能電價優惠運行費用較低，但投資回收期較長；方案五與方案四相對，雖初投資有所降低，但運行費用增加，投資回收期增長；方案四初投資和運行費用均適中，投資回收期較短，采用此方案。

4 空調風系統設計

首層入口大堂兼門廳采用全空氣系統上送下回，送風采用電動旋流風口，根據冬夏季不同的送風溫度調節送風深度，確保送風送入人員活動區域。新風管入口設電動多葉調節閥，可根據室內需要及季節變化而調節新風量。過渡季節全新風運行。

標準層采用風機盤管+新風系統，本項目由于立面開窗較少，為改善室內空氣品質、降低新風系統能耗，分段集中設置新風及排風系統，在避難層設置轉輪式熱交換新風機組，新風經過轉輪與排風進行能量交換后送至各層，每層設置定風量閥及增壓風機，轉輪式熱交換新風機組采用變頻風機，采用定靜壓法控制，系統運行時，控制系統根據設置在送風、排風管道上的壓力傳感器檢測的風管靜壓信號調整風機頻率，以保證送、排風管道的靜壓在需要的范圍內，以適應末端不同使用樓層同時使用率的變化。

衛生間設置機械排風系統，每層設置低噪音管道式排風機，排風井豎向分段，分別在避難層及屋面設置接力排風機，確保衛生間為負壓，避免異味。風機采用變頻風機，采用定靜壓法控制。

5 空調水系統設計

空調冷熱水系統豎向依據設備及管道的承壓能力分區，低區為1～19層，高區為20～38層，工作壓力均為1.2MPa，末端采用兩管制。

一次側空調水系統為一級泵變頻變流量系統，空調冷熱水泵分別設置，水泵采用變頻調速運行，冷凍水采用大溫差（6/13℃）設計，通過采用低阻力閥件、控制比摩阻等方式降低水泵揚程，減少輸送能耗。高區二次側空調水系統冷熱水泵分別設置，水泵采用變頻調速運行，高區二次側空調出水管設置溫度傳感器，一次側回水管上設置溫控閥，根據溫度傳感器信號控制溫控閥的開度，維持出水溫度恒定。

冷卻水系統采用開式機械循環，冷卻塔選用變頻風機，根據出水溫度自動調整轉速。

冷熱水回水總管及各層回水干管上設置能量計，以實現分樓層計量。

6" 結語

本文分析了夏熱冬冷地區某超高層建筑的負荷特點，結合工程周邊能源現狀，對不同的冷熱源形式進行了技術經濟對比，得出適宜本項目的冷熱源方案，并對空調通風系統和水系統設計做了簡要介紹，其結果對同類建筑具有一定的參考意義。

參考文獻

范存養，楊國榮，葉大法.高層建筑空調設計及工程實錄[M].北京：中國建筑工業出版社，2014.

徐 鵬，潘安東，段之殷.冰蓄冷空調系統經濟性分析[J].西安建筑科技大學學報（自然科學版），2021，53（1）：109-116.

滕躍.冰蓄冷空調技術在電網調峰中的應用[J].科技創新與應用，2023，13（12）：166-169.

[4]郭林文，郭勇，丁力，等.從運行數據分析大型航站樓水蓄冷空調系統節能措施[J].暖通空調，2023，53（S2）：134-137.

[5]滕躍，劉釗，王文科，等.冰蓄冷空調技術在電網調峰中的應用[J].科技創新與應用，2023，13（12）：166-169.

[6]牛滿坡，王魯鵬，張亦凝，等.某辦公建筑冰蓄冷空調系統雙工況冷水機組選型分析[J].制冷與空調，2023，23（8）：48-53，92.