上海高層建筑空調(diào)設(shè)計新方法(一)

1、上海高層建筑空調(diào)設(shè)計新方法(一)內(nèi)容提要：當(dāng)代空調(diào)的發(fā)展離不開兩個可說是永恒的主題：一個是室內(nèi)空氣品質(zhì)；另一個則是節(jié)能運行。所以，涉及空調(diào)的幾乎一切新技術(shù)、新方法均是圍繞著這兩個主題，力求創(chuàng)新。本文主要介紹近幾年來境外設(shè)計單位在承接上海某些高層辦公樓設(shè)計中所采用的一些新設(shè)計方法，并結(jié)合國外的最新空調(diào)工程設(shè)計節(jié)能規(guī)范和個人的心得體會予以綜合評述。本文的目的主要在于羅列并介紹筆者近年來對于上海地區(qū)這類高級民用與工業(yè)空調(diào)領(lǐng)域中的一些有關(guān)新技術(shù)、新方法的見聞，并結(jié)合國外最新的空調(diào)工程設(shè)計節(jié)能規(guī)范，淺談個人的認(rèn)識和見解。關(guān)于空調(diào)平面分區(qū)概況在歐美和日本，對于像諸如商場、餐飲、辦公樓等大面積空間的空調(diào)設(shè)計

2、都遵循一個基本前提平面分區(qū)。所謂平面分區(qū)主要有兩層含義： 根據(jù)負(fù)荷狀態(tài)下的不同進行分區(qū)。譬如，在某些場合，考慮到太陽輻射熱負(fù)荷可能隨朝向和時間有很大變化，故按朝向可分成東區(qū)、西區(qū)、南區(qū)、北區(qū)，以利分別單獨控制；但是應(yīng)用得更多的是按冬季室內(nèi)負(fù)荷性質(zhì)不同而進行分區(qū)，分成內(nèi)區(qū)和周邊區(qū)。 在同一區(qū)（譬如內(nèi)區(qū)或周邊區(qū)）內(nèi)，為了考慮節(jié)能運行，又人為地把一大塊面積的空間假想地按 150-250m2 劃分成一個個小區(qū)。每 1 個小區(qū)內(nèi)由 1 臺代表該區(qū)溫度的溫度傳感器來控制該區(qū)的溫度。對此，部分國家的空調(diào)設(shè)計節(jié)以有規(guī)范中還明確地規(guī)定了這種分區(qū)的最大面積的限值。關(guān)于這一點，其實也是很容易理解的。如果一個很大的空

3、間僅由1 臺裝在某處的溫度傳感器來代表整個大空間的溫度進行溫度控制，那么由于氣流組織和各個局部負(fù)荷的差異，各處的溫度差別可能會很大，在同一時期內(nèi)可能出現(xiàn)一處過冷，另一處過熱的現(xiàn)象。這種過冷、過熱，顯然便導(dǎo)致了能源的浪費。對此，這里不打算進行評述，下面擬著重討論內(nèi)區(qū)和周邊區(qū)的問題。1幢大樓標(biāo)準(zhǔn)層平面一般至少得有 500-1000m2，其進深少則幾米，多則十幾米。經(jīng)驗表明，緊鄰?fù)鈮?、外穿的區(qū)間，冬季由于室外氣溫低于室內(nèi)，通過外墻、外窗的傳滲透等影響，室內(nèi)需要供暖，才能保持室內(nèi)所需的溫度。但是，遠離外墻、外窗的區(qū)間，冬季卻沒有這炎熱損失，所以，它沒有供暖要求。非但如此，現(xiàn)有的現(xiàn)代化大廈的使用實踐經(jīng)驗

4、表明，隨著辦公設(shè)備的迅速進步，室內(nèi)使用的自動化辦公設(shè)備的種類和數(shù)量愈來愈多，如計算機、復(fù)印機、打印機、文件破碎處理機、傳真機等等。這些辦公設(shè)備的用電自然最終還是以熱的形式散發(fā)出來。另外，現(xiàn)代化大廈室內(nèi)照明的照度標(biāo)準(zhǔn)也遠遠高于一般常規(guī)建筑。這樣大功率的照明燈具顯然也是全年穩(wěn)定的散熱源。所以，就這部分區(qū)間而言，冬季不但不需供暖，而且還得供冷，否則室內(nèi)便會過熱?；诙具@兩個部分區(qū)間的兩種截然不同的空調(diào)要求，現(xiàn)在歐美、日本等國家的規(guī)范化做法都是首先在平面上劃分為周邊區(qū)和內(nèi)區(qū)。內(nèi)區(qū)需全年供冷，周邊區(qū)則是冬季供暖、夏季供冷。至于周邊區(qū)和內(nèi)區(qū)的具體劃分方法，大致是把距周邊外圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)表面 3-5m 的這一

5、區(qū)間定為周邊區(qū)，其余的面積則統(tǒng)稱內(nèi)區(qū)。由于周邊區(qū)和內(nèi)區(qū)冬季的運行工況不同，所以，在空調(diào)水系統(tǒng)的設(shè)計上必須作出相應(yīng)的考慮和安排。譬如，在水系統(tǒng)方面，盡管對個別空調(diào)機組而言，一般都是采用雙管制；但是，對于整個中央空調(diào)的水系統(tǒng)，這時便不是雙管制所能滿足要求的了。因為在這種情況下，冬季一方面要考慮周邊區(qū)的供暖，需要供熱水；而另一方面又要顧及內(nèi)區(qū)的供冷，必須供冷水。所以，從這一層意義上來主產(chǎn)，采用如此分區(qū)的空調(diào)工程的中央空調(diào)水系統(tǒng)必須是四管制?？照{(diào)風(fēng)系統(tǒng)在論及空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)的變化和新進展時，需要再重申一點，即我們的討論主要是針對以辦公為主要功能的高層辦公樓建筑而言，需要把以居住為主要功能的賓館客房撇開不談。

6、因為對于賓館、公寓之類建筑的空調(diào)方式，可以說至今還沒有出現(xiàn)其他任何一種能比風(fēng)機盤管這種水空氣方式更為成熟、適用和經(jīng)濟有效的空調(diào)方式。一、變風(fēng)量空調(diào)方式的應(yīng)用眾所周知，一般辦公樓在建筑和使用功能上不同于賓館、酒樓客房的一大特點就是空間大、面積大、內(nèi)裝修講究、隔間的分隔要求能靈活多變。對于這類建筑，過去一直難于找到合適的空調(diào)方式。如果采用常規(guī)的全空氣方式，一方面送風(fēng)管、回風(fēng)管截面積大，很難適應(yīng)高層建筑層高低的狀。另一方面，那么大的一個多區(qū)系統(tǒng)，各區(qū)的溫度控制要求也實在是眾口難調(diào)。因此，至今為止，不少辦公樓還都不得不采用帶獨立新風(fēng)的風(fēng)機盤管系統(tǒng)這樣的空調(diào)方式。然而，風(fēng)機盤管系統(tǒng)存在不少問題，其中最大

7、的問題就是滴水問題。引起滴水的原因很多，譬如冷凍水供、回水管和滴水管的保溫不好，凝結(jié)不排水管安裝坡度不夠，滴水盤排水口積灰堵塞等等。這種種因素都會導(dǎo)致凝結(jié)水的滴漏并污染吊頂。另外，辦公樓開間大，其隔間隨用戶的變換，需頻繁改變，如果采用風(fēng)機盤管機組，則其固定的送風(fēng)口和回風(fēng)口將很適應(yīng)隔間的調(diào)整?；谏鲜龇N種因素的考慮，現(xiàn)在有些高級辦公樓的空調(diào)工程已決定擺脫風(fēng)機盤管系統(tǒng)，取而代之的是如圖1 所示的變風(fēng)量空調(diào)方式。按筆者的分析與歸納，這一系統(tǒng)具有一個很明顯的特征，即系統(tǒng)的層次清楚。概括起來講，可以歸納為3 個層次：樓、層、區(qū)。其具體的含義是： 第 1 層起，全樓設(shè)一套中央新風(fēng)處理機組，這是一個定風(fēng)量式

8、（CAV）系統(tǒng)，專門用于向各層送固定數(shù)量的新風(fēng)。 第 2 層次，每層設(shè) 1 套或 2 套空氣處理機組和相應(yīng)的一次送風(fēng)系統(tǒng)。這是一個變風(fēng)量式（ VAV）系統(tǒng)，其送風(fēng)量可根據(jù)送風(fēng)干管內(nèi)的靜壓傳感器進行自動調(diào)節(jié)。另外，其送風(fēng)溫度可由 1 只溫度傳感器進行預(yù)先設(shè)定的定值控制。 第 3 層次，每 1 個分區(qū)設(shè) 1 臺風(fēng)機混合箱，或其他類型的終端，后者也像風(fēng)機盤管一樣，暗裝在吊頂內(nèi)。風(fēng)機混合箱根據(jù)所在分區(qū)的溫度狀況，由溫度傳感器控制一次風(fēng)的風(fēng)量，然后通過軟管分別送到各個送風(fēng)口。風(fēng)機混合箱有兩種：一種用于內(nèi)區(qū)，其中只有1 臺風(fēng)機和過濾器，不含任何熱交換器；另一種適用于周邊區(qū)，其中除風(fēng)機和過濾器外，還裝有一組

9、加熱器。另外，在一次風(fēng)的接口風(fēng)管上裝有風(fēng)量調(diào)節(jié)閥，后者可根據(jù)各相應(yīng)分區(qū)的溫度控制器的指令動作，調(diào)節(jié)一次風(fēng)的風(fēng)量。對每一個分區(qū)或每個風(fēng)機混合箱而言，盡管其一次風(fēng)量根據(jù)溫度控制的要求，隨時都在變化，但其總的送風(fēng)量卻不會變化。這種系統(tǒng)的優(yōu)點主要表現(xiàn)在如下幾個方面：a.用全空氣方式取代了水 空氣方式的風(fēng)機盤管， 從而從根本上杜絕了凝結(jié)水滴漏的可能性。b.它不同于一般的全空氣方式的空調(diào)系統(tǒng)，前者利用吊頂空調(diào)作回風(fēng)室，基本上可省去回風(fēng)管，而且一次風(fēng)可采用低溫送風(fēng)，溫度可以較低，因而一次風(fēng)量可減少，從而可縮小送風(fēng)干管的截面尺寸。c.與一般全空氣方式的多區(qū)系統(tǒng)不同，可實現(xiàn)各分區(qū)的獨立的溫度控制，從而改善室內(nèi)溫

10、度分布狀態(tài)，并且可節(jié)能。d.可適應(yīng)辦公室隔間的變化， 因為風(fēng)機混合箱的安裝部位及回風(fēng)口的位置均與其下面的隔墻無關(guān)，即使要改變送風(fēng)口位置，也只需調(diào)整送風(fēng)軟接管的走向即可。當(dāng)然，這種系統(tǒng)也有其不足之處。首稱，在冬季，由于內(nèi)區(qū)需供冷，周邊區(qū)需供暖，周邊區(qū)的一次風(fēng)需要冷卻后再進行加熱，這顯然構(gòu)成了能源的浪費。其次，在多數(shù)情況下，其造價要高于一般的風(fēng)機盤管系統(tǒng)。二、雙風(fēng)機的全空氣式系統(tǒng)在上海較早建成的一些高層辦公大樓里，現(xiàn)在反映比較普遍的一個主要問題就是新鮮空氣量不足，這引起了辦公樓內(nèi)的工作人員的投訴和抱怨，這個問題已被專門的實測結(jié)果所證實。造成這種室內(nèi)空氣品質(zhì)問題的原因可能有多種，主要的還是空調(diào)系統(tǒng)設(shè)

11、計上的毛病。這主要表現(xiàn)在以下幾方面：a.在設(shè)計之初，雖然設(shè)計師在設(shè)計中也都按規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)考慮了必要的新風(fēng)量；另外，衛(wèi)生間也按規(guī)范要求的換氣次數(shù)設(shè)計了排風(fēng)。這樣的設(shè)計看似一切均按規(guī)范進行，并無什么不妥。但實際上，這只是紙上談兵。問題在于，若按僅有的幾處衛(wèi)生間的排風(fēng)，其總的排風(fēng)量還是太小，無論如何也平衡不了整個樓層所需的最小新風(fēng)量。待建筑物建成投入運行后，往往由于無法開窗，新鮮空氣不能如設(shè)計上計算的那樣如數(shù)供應(yīng)，導(dǎo)致大樓辦公區(qū)內(nèi)新鮮空氣嚴(yán)重不足，住戶們成天抱怨頭昏頭痛。一旦查出原因，人們就不得不紛紛搬離這種惡劣的工作環(huán)境。b.在一些較早建成的豪華辦公大樓里，也許是由于機房面積過小， 難以安排；也許是

12、由于設(shè)計師為了省事，新風(fēng)管往往不是直接接入空調(diào)機組內(nèi)，而僅僅通入機房內(nèi)，新風(fēng)完全靠機房內(nèi)的負(fù)壓吸入。這樣的做法，省事倒是省事，然而，實際效果卻令人遺憾。說起來，設(shè)計也是按規(guī)范取用新風(fēng)量，但實際情況卻大相徑庭。c.所謂的變風(fēng)量空調(diào)器不顧場合的濫用。對于高層辦公大廈， 先姑且不談其塔樓部分，且說那些高層辦公大樓幾乎必備的裙房部分。裙房一般均用作商店、餐飲、娛樂、集會場所。對于這些公共場所的空調(diào)，早期因缺少經(jīng)驗采用風(fēng)機盤管加新風(fēng)的方式比較多。后來，大多數(shù)有經(jīng)驗的設(shè)計單位在設(shè)計文件中往往都宣稱須要用的是全空氣變風(fēng)量方式。但實際上采用的卻是所謂的 “變風(fēng)量空調(diào)機組 ”。其實，這種變風(fēng)量空調(diào)機組在功能上與

13、風(fēng)機盤管類似，只能視作大型風(fēng)機盤管機組，無法真正變風(fēng)量。采用這種簡易式的空調(diào)機組是不能滿足全年節(jié)能運行和充足的新風(fēng)要求的。那么，舒適性全空氣方式空調(diào)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)模式應(yīng)該是怎樣的呢？歸納起來，一個規(guī)范化的舒適性全空氣式空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)該是完全自動控制并帶有雙風(fēng)機，可實現(xiàn)全年新風(fēng)量調(diào)節(jié)，冬、夏季能確保最少新風(fēng)量，春、秋季能實現(xiàn)節(jié)能經(jīng)濟運行的系統(tǒng)。這一系統(tǒng)的基本組成及其簡單易行的控制原理見圖2.其相應(yīng)的調(diào)節(jié)機構(gòu)的控制作用見圖3、圖 4 和圖5.需要說明的是，關(guān)于舒適性空調(diào)的節(jié)能自動控制方法，根據(jù)氣象分區(qū)的不同，可有多種多樣的多工況自動邏輯程序控制方式。這些方式在微機的支持下盡管實現(xiàn)起來并不難，但卻顯得十分繁

14、雜。比較簡單易行、實用的當(dāng)首推如圖2 中所示的三種工況分程控制。不管是模擬式控制，還是直接數(shù)字式控制，其動作的原理都可用圖3、圖4和圖5比較直觀地反映出來。分程控制的特點是靠執(zhí)行機構(gòu)上的定位器（電子式或氣動式）預(yù)設(shè)的信號響應(yīng)范圍（電壓或氣壓值范圍），來確保各調(diào)節(jié)機構(gòu)（如聯(lián)動的新風(fēng)和排風(fēng)閥F1、F2，加熱閥 V1 和冷卻閥 V2）不同時間、有序地相繼動作。在這里一共采用了三個調(diào)節(jié)器101、102、103.調(diào)節(jié)器 101 的作用主要在于確保冬夏季最小新風(fēng)量的設(shè)定。調(diào)節(jié)器103 的作用在于根據(jù)室外溫度， 對室內(nèi)溫度傳感器設(shè)定值進行自動再調(diào)。新風(fēng)閥 F1 和排風(fēng)閥 F2（還有與之聯(lián)動，但作用相反的回風(fēng)

15、閥F3）在過渡季根據(jù)室內(nèi)熱負(fù)荷狀況逐步加大開度，以充分利用室外低溫空氣的自然供冷能力來代替制冷機運行。 這種作用在國外統(tǒng)稱為 “免費供冷 ” （freecooling）?！懊赓M供冷 ”這是如今各國空調(diào)工程設(shè)計節(jié)能規(guī)范中必有的非常重要的一條。加拿大 1995 年國家空調(diào)工程設(shè)計節(jié)能規(guī)范對非居住建筑空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能經(jīng)濟運行的相應(yīng)規(guī)范條文是這樣記述的：除用于公寓、旅館、汽車旅館之外的， 風(fēng)量在 1200l/s（4320m3/h）、供冷容量在 20kW 以上的所有空調(diào)系統(tǒng)都應(yīng)在設(shè)計中考慮按照下列途徑，利用室外空氣，以求減小機械供冷的能耗：1、直接利用室外空氣供冷（新風(fēng)節(jié)能運行系統(tǒng)）a.直接利用室外空氣以

16、降低機械供冷能耗的系統(tǒng)。 在采用新風(fēng)與回風(fēng)混合的過程中應(yīng)能使室外空氣取用量達到 100%的程度，以獲得室內(nèi)空調(diào)所需的進風(fēng)溫度。b.在如上所述的系統(tǒng)中應(yīng)設(shè)有自動控制裝置以使當(dāng)室外空氣溫度高于回風(fēng)溫度，或者當(dāng)室外空氣值大于回風(fēng)空氣值時，能自動地把新風(fēng)量控制在滿足室內(nèi)空氣品質(zhì)要求的最小限度。c.除下述情況（即直接膨脹式系統(tǒng)， 為避免因新風(fēng)取用量過大而導(dǎo)致融霜的情況）外，在如上述各條文中規(guī)定的系統(tǒng)設(shè)計條件下，應(yīng)能在即使機械供冷裝置已準(zhǔn)備妥當(dāng)隨時可用的情況下，也可做到使新風(fēng)和回風(fēng)混合后的溫度盡可能接近室內(nèi)空調(diào)所需的送風(fēng)溫度。2、間接利用室外空氣供冷（水側(cè)節(jié)能運行系統(tǒng)）關(guān)于第 2 種新風(fēng)供冷能力的利用方法

17、這里暫不討論，擬留在后面論及水系統(tǒng)時再予評述。另外，說來十分有趣，而且也很值得引起注意的是，在美國加州 1991 年的空調(diào)設(shè)計節(jié)能規(guī)范中，除上述類似的條文規(guī)定外，對如何確保室內(nèi)新風(fēng)量還作了若干十分明確的具體規(guī)定。規(guī)范要求，系統(tǒng)在投入使用前，必須進行認(rèn)真的調(diào)試，以確保風(fēng)量的平衡和新風(fēng)量的導(dǎo)入。否則，每個系統(tǒng)必須在目的地安裝帶有讀數(shù)的就地或可遙測的新風(fēng)量計測儀表，以利隨時直接觀察和監(jiān)測。由此可見，國外對于確?？照{(diào)新風(fēng)量的問題也像國內(nèi)一樣，受到普遍的關(guān)切，在一些新建的豪華大廈中對這一點怎么強調(diào)也不過分。顯然，采用帶自動控制的雙風(fēng)機全空氣式系統(tǒng)是為滿足上述規(guī)范要求所必須的，因為這一方面可滿足關(guān)于新風(fēng)供

18、冷的節(jié)能經(jīng)濟運行的要求；另一方面又可隨時自動保持系統(tǒng)新風(fēng)和排風(fēng)之間的平衡，確保最小新風(fēng)量的導(dǎo)入。也許正是因為如此，如今已有越來越多的場合，不僅像那些具有較好客觀安裝條件的高層建筑裙房部分，以及全年不允許開窗生產(chǎn)的工業(yè)廠房舒適性空調(diào)中趨向于采用如圖2 所示的系統(tǒng)，甚至某些新建的高層辦公大樓塔樓部分也開始出現(xiàn)采用這種系統(tǒng)的動向。例如，本市正在建筑中的某一超高層辦公樓的設(shè)計方案是通過國際設(shè)計招標(biāo)，由德國一家設(shè)計公司中標(biāo)而確定下來的。在該方案中，設(shè)計師提出了如圖 6 所示的雙風(fēng)機全空氣空調(diào)方式結(jié)合采用降溫吊頂（ CoolingCeiling）方式。該空調(diào)方式有兩個特點：一是每13 層設(shè) 1 套全空氣式

19、空調(diào)系統(tǒng)，機房設(shè)于中間一層，分別向上面6 層和下面 6 層送風(fēng)和排風(fēng)；二是各室設(shè)置降溫吊頂，以作為夏季最熱期間的輔助降溫裝置。為防止冷水盤管表面結(jié)露，其入口水溫需自動控制保持高于 16。所用全空氣式系統(tǒng)全年送風(fēng)溫度范圍為 1624。過渡期可利用 100%的全機關(guān)報風(fēng)。 冬季和夏季則用乙二醇溶液循環(huán)裝置對排風(fēng)的廢熱進行回收利用。三、大溫差或低溫送風(fēng)近年來，國外基于節(jié)省熱媒輸送能耗，推行大溫差小流量系統(tǒng)。對于空氣介質(zhì)而言，這類系統(tǒng)便是大溫差的低溫送風(fēng)系統(tǒng)。具體的做法是有時用 5的低溫水，有時也可用 7的通常冷水把空氣處理到 10左右，作為一次風(fēng)送入風(fēng)機混合箱與回風(fēng)混合，稍升溫后送入室內(nèi)；也可直接通

20、入變風(fēng)量末端裝置，以誘導(dǎo)室內(nèi)空氣與之混合，迅速減少送風(fēng)溫差。低溫送風(fēng)的好處主要有 3 點： 可減小送風(fēng)量，降低風(fēng)機動力消耗； 可減小送風(fēng)管截面尺寸， 有利于高層建筑層高的有效利用； 有利于降低室內(nèi)相對溫度，改善舒適度。如今在上海采用低溫送風(fēng)的工程有諸如 88 層的金茂大廈、上海證券大廈、原萬國金融大廈等高層和超高層建筑，也有像在建的上海兒童醫(yī)學(xué)中心這類高標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)代化醫(yī)院建筑。四、置換式通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)置換式通風(fēng)空調(diào)不同于通常的混合式空調(diào)方式，主要表現(xiàn)在如下幾點：a.采取下送上回的送風(fēng)方式， 可使清潔的送風(fēng)氣流首先進入室內(nèi)人員呼吸帶和有效活動區(qū)，形成有利于改善工作區(qū)的空氣品質(zhì)。b.采用低速送風(fēng)，導(dǎo)致

21、氣流緩慢擴散上升， 形成垂直方向上的溫度成層和溫升梯度，提高了排風(fēng)和回風(fēng)溫度，可節(jié)省夏季運行能耗。c.由于是下送風(fēng)，送風(fēng)溫度相對較高，對于全空氣式系統(tǒng)的運行，加大了過渡季利用新風(fēng)自然供冷的潛力，延長了其節(jié)能經(jīng)濟運行的周期，從而可更加縮短全年機械供冷的時間，進一步增大了節(jié)能效益。鑒于上述特點，置換式通風(fēng)空調(diào)方式普遍適用于一切以舒適性為目的公共場所，如影響劇院、體育館等。據(jù)悉，在建的上海大劇院建筑設(shè)計方案為法國建筑師的作品，其觀眾廳采用的即是座椅下送風(fēng)的置換式空調(diào)方式。另外，據(jù)認(rèn)為，置換式通風(fēng)空調(diào)方式應(yīng)用于一般被視作難題的中庭空調(diào)，可獲得獨特的效果?？傊?，基于置換式通風(fēng)空調(diào)方式的諸多優(yōu)點，預(yù)計隨著其送風(fēng)分布器的逐步國產(chǎn)化，必將在我國為人們所廣泛接受。五、 “地板下空調(diào)裝置 ”這是日本一家設(shè)計公司在上海某高層建筑設(shè)計方案國際招標(biāo)活動中標(biāo)投標(biāo)書中所提出的一種新