變風(fēng)量系統(tǒng)分區(qū)設(shè)計(jì)對某超高層辦公建筑空調(diào)能耗的影響

1、變風(fēng)量系統(tǒng)分區(qū)設(shè)計(jì)對某超高層辦公建筑空調(diào)能耗的影響0 引言高層辦公建筑普遍具有較大面積的內(nèi)區(qū)空間，由于受外圍護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷影響較小，內(nèi)區(qū)的負(fù)荷特性與外區(qū)顯 著不同 ,在設(shè)計(jì)全空氣變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)時(shí)，合理的內(nèi)外分區(qū)方案對于房間的熱舒適性及空調(diào)系統(tǒng)能耗有很大影 響。而在新風(fēng)處理方案的選擇上，排風(fēng)熱回收系統(tǒng)近年來被廣泛用于民用空調(diào)領(lǐng)域，但在實(shí)際工程中設(shè)計(jì)人員 逐漸發(fā)現(xiàn)其局限性。本文以實(shí)際工程為例，分析不同的空調(diào)系統(tǒng)分區(qū)及新風(fēng)處理方案對全年運(yùn)行能耗及費(fèi)用的 影響。1 工程概況該工程為北京地區(qū)某超高層辦公建筑，總建筑面積28.5 萬 m2，其中地下面積 7.2萬 m2，地上面積 21.3 萬m2。超高層塔樓地

2、上 32層（不含避難層） ，建筑高度 158.7m，功能主要包括辦公、 公寓、會所等， 本文以 1532 層辦公區(qū)域的標(biāo)準(zhǔn)層為研究對象。 1.1 冷熱源塔樓辦公區(qū)域設(shè)置獨(dú)立冷源， 由 2 臺單臺制冷量為 2813kW 的雙機(jī) 頭離心式冷水機(jī)組和 1 臺制冷量為 972kW 的螺桿式冷水機(jī)組組成，供 /回水設(shè)計(jì)溫度為 5/13；供暖季熱源 為市政熱力，過渡季熱源為 2 臺單臺制熱量為 1800kW 的承壓燃?xì)猓ㄓ停崴仩t，供/回水設(shè)計(jì)溫度為 60/45。 空調(diào)水系統(tǒng)為四管制， 異程式布置。 1.2 空調(diào)形式由于該項(xiàng)目定位為高端辦公樓， 辦公區(qū)擬采用全空氣變風(fēng)量空 調(diào)系統(tǒng)，而變風(fēng)量系統(tǒng)的分區(qū)形式

3、及新風(fēng)處理方式則存在多種選擇， 本文以辦公區(qū)標(biāo)準(zhǔn)層為計(jì)算單元， 利用 DeST 軟件建立模型，模擬計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)層各分區(qū)全年的逐時(shí)冷熱負(fù)荷，并獲取北京地區(qū)全年逐時(shí)室外氣象參數(shù)，針對不 同方案進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，以期找到最合理的系統(tǒng)形式。2 全年負(fù)荷模擬分析2.1 設(shè)計(jì)參數(shù)1）建筑層高為 4.5m，窗墻面積比為 0.65，體形系數(shù)為 0.35，外墻傳熱系數(shù)為 0.45 W/（m 2 K·） ，外窗傳熱系數(shù)為 1.7 W/（m 2·K） ，外窗太陽綜合得熱系數(shù)為 0.35。2）辦公區(qū)域根據(jù)建筑朝向及進(jìn)深劃分為4 個(gè)外區(qū)和 1 個(gè)內(nèi)區(qū)，南、北外區(qū)面積為 290m2，東、西外區(qū)面積為 30

4、0m2，內(nèi)區(qū)面積為 900m2。 3）人員密度為 10m2/人，人均新風(fēng) 量為 30m3/h，照明 +設(shè)備功率為 30W/m 2。4）室內(nèi)空氣設(shè)計(jì)參數(shù)夏季為 26，相對濕度為 50%，冬季外區(qū)為 20， 內(nèi)區(qū)為 22，相對濕度為 30%。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間為 07： 00 20：00，全年連續(xù)運(yùn)行。2.2 負(fù)荷模擬 根據(jù)建筑分區(qū)情況及室內(nèi)外空氣設(shè)計(jì)參數(shù)， 模擬計(jì)算各分區(qū)全年逐時(shí)冷熱負(fù)荷 （包含房間負(fù)荷及新風(fēng)負(fù)荷） ，計(jì) 算結(jié)果如圖 1 所示。圖 1 標(biāo)準(zhǔn)層各分區(qū)全年逐時(shí)冷熱負(fù)荷分布3 空調(diào)系統(tǒng)方案比選該工程辦公區(qū)采用全空氣變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)，分層設(shè)置組合式空調(diào)機(jī)組（一次回風(fēng)單風(fēng)機(jī)） ，送風(fēng)機(jī)采用可 變靜

5、壓控制方式變速運(yùn)行，新風(fēng)機(jī)組（直流式/熱回收式）及配用排風(fēng)機(jī)，過渡季全新風(fēng)工況新、排風(fēng)機(jī)均設(shè)置于避難層機(jī)房內(nèi)，經(jīng)豎向新風(fēng)管道分別送至各層變風(fēng)量空調(diào)機(jī)組；空調(diào)機(jī)組新風(fēng)管上設(shè)定風(fēng)量閥，當(dāng)送風(fēng)量變 化時(shí)，保證新風(fēng)量恒定；此外，每臺空調(diào)機(jī)組另設(shè)新風(fēng)支管，并配置電動開關(guān)閥，在過渡季可切換至大新風(fēng)比 工況，最大新風(fēng)比為 50%。在方案比選階段， 針對不同系統(tǒng)分區(qū)、 變風(fēng)量末端、 新風(fēng)系統(tǒng)劃分及新風(fēng)處理方式選了 4 種備選方案進(jìn)行 對比分析，系統(tǒng)配置如表 1 所示，空調(diào)系統(tǒng)平面及原理如圖 2，3 所示。表1 不同變風(fēng)量系統(tǒng)形式及新風(fēng)處理方案圖 2 空調(diào)系統(tǒng)平面圖圖3 空調(diào)系統(tǒng)原理圖3.1 變風(fēng)量系統(tǒng)方案 1

6、，2 中建筑內(nèi)外區(qū)合用空調(diào)機(jī)組，送風(fēng)干管采用環(huán)狀布置，內(nèi)區(qū)采用單冷型單風(fēng)道變風(fēng)量末端，外區(qū)采用再熱型單風(fēng)道變風(fēng)量末端。為了滿足內(nèi)區(qū)的供冷要求，空調(diào)機(jī)組需常年送冷風(fēng)，而在外區(qū)需要供熱時(shí)，通過再 熱盤管的加熱來保證外區(qū)的溫度要求。該方案對于不同朝向的外區(qū)房間，室溫可以得到精準(zhǔn)的控制，但是外區(qū) 再熱盤管加熱的空氣是通過空調(diào)機(jī)組集中冷卻過的，存在冷熱抵消浪費(fèi)能源的現(xiàn)象，外區(qū)熱水盤管再熱量（同 空調(diào)機(jī)組額外消耗的制冷量）的具體計(jì)算過程如下 :1）東、南、西、北外區(qū)各設(shè)置 6 臺再熱型單風(fēng)道變風(fēng)量末端，一次送風(fēng)溫度為15，最小送風(fēng)量比例為 40%，變風(fēng)量末端參數(shù)見表 2。表 2 不同外區(qū)變風(fēng)量末端參數(shù)2）

7、空調(diào)機(jī)組常年供冷，當(dāng)外區(qū)需要供熱（或冷負(fù)荷較?。r(shí)，為了避免過多的冷熱抵消，變風(fēng)量末端一般以最 小送風(fēng)量運(yùn)行。3.2 新風(fēng)系統(tǒng)假設(shè)不同方案中新風(fēng)機(jī)組（直流式/熱回收式）及配用排風(fēng)機(jī)，全新風(fēng)工況新、排風(fēng)機(jī)根據(jù)室內(nèi)外空氣比焓切換控制工況，不同方案、不同分區(qū)的控制策略及全年運(yùn)行時(shí)間如表 3 所示，并作為后續(xù)能耗計(jì)算的依據(jù)。 表 3 不同方案新風(fēng)系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行控制策略1）排風(fēng)熱回收。 對于排風(fēng)熱回收系統(tǒng)，有效熱回收量應(yīng)為理論熱回收量與空調(diào)系統(tǒng)熱負(fù)荷兩者之間的最小值，當(dāng)空調(diào)系統(tǒng)無熱 負(fù)荷時(shí)，有效熱回收量為零。 此外，設(shè)置全熱回收裝置增加了新風(fēng)與排風(fēng)支路的阻力，增加了新風(fēng)機(jī)和排風(fēng)機(jī)的運(yùn)行能耗。2）全新風(fēng)供冷

8、。根據(jù)表 3 中的運(yùn)行控制策略，在過渡季（內(nèi)區(qū)含冬季）開啟全新風(fēng)工況承擔(dān)室內(nèi)冷負(fù)荷，假設(shè)新風(fēng)機(jī)風(fēng)量可根 據(jù)室內(nèi)冷負(fù)荷需求作變頻調(diào)節(jié)，即新風(fēng)系統(tǒng)承擔(dān)的室內(nèi)冷負(fù)荷為房間冷負(fù)荷和全新風(fēng)可承擔(dān)的最大冷負(fù)荷中的 較小值。4 全年能耗對比分析以不同分區(qū)全年逐時(shí)冷熱負(fù)荷及北京地區(qū)逐時(shí)室外氣象參數(shù)為基礎(chǔ)，根據(jù)式（1）（ 8）計(jì)算不同方案下各分項(xiàng)全年累計(jì)冷熱量， 4 種方案全年能耗結(jié)果見表 47。表4 方案 1全年能耗計(jì)算結(jié)果表5 方案 2全年能耗計(jì)算結(jié)果表7 方案 4全年能耗計(jì)算結(jié)果表6 方案 3全年能耗計(jì)算結(jié)果4.1 空調(diào)分區(qū)方案對比方案 1，2 內(nèi)外區(qū)共用空調(diào)系統(tǒng)， 由于負(fù)荷特性相差較大， 該系統(tǒng)不能同時(shí)

9、匹配內(nèi)外區(qū)不同的冷熱需求。為了保 證內(nèi)區(qū)供冷，空調(diào)機(jī)組常年提供一次冷風(fēng)，當(dāng)外區(qū)需要供熱時(shí)，只能通過熱水盤管對一次冷風(fēng)進(jìn)行再熱，因此 存在冷熱抵消現(xiàn)象，且能耗數(shù)值很大。方案 3，4 內(nèi)外區(qū)分設(shè)空調(diào)系統(tǒng)， 可以較好地匹配內(nèi)外區(qū)不同的冷熱需求。在內(nèi)區(qū)系統(tǒng)供冷的情況下， 外區(qū)機(jī)組 可根據(jù)需要靈活地切換供冷、供熱工況，避免了前2 種方案中內(nèi)外區(qū)冷熱抵消的現(xiàn)象。該方案存在的問題為外區(qū)合用空調(diào)機(jī)組且末端無再熱盤管，當(dāng)不同朝向外區(qū)冷熱需求不同時(shí)，系統(tǒng)無法滿足要求。但考慮到在北京地 區(qū)上述時(shí)間段相對較短，可以犧牲極為短暫的溫度不可控時(shí)間來換取投資和能耗的減少。4.2 新風(fēng)處理方案對比方案 1，2內(nèi)外區(qū)合用新風(fēng)機(jī)

10、組，前者采用直流式，不進(jìn)行熱回收，而后者采用全熱回收式。方案2 夏季可有效地回收部分冷量以減小系統(tǒng)供冷負(fù)荷，但由于夏季工況時(shí)間較短且室內(nèi)外比焓差不大，因此回收的冷量有限； 冬季工況雖然機(jī)組回收的熱量可觀，但實(shí)際上有效熱回收量僅占總熱回收量的一小部分，多余熱回收量反而降 低了新風(fēng)的冷卻能力，為了保證室溫不至過高，空調(diào)系統(tǒng)還需要提供額外的供冷量，該現(xiàn)象在內(nèi)區(qū)尤為明顯。 兩方案在過渡季全新風(fēng)工況運(yùn)行時(shí)，新風(fēng)可以承擔(dān)相當(dāng)一部分空調(diào)冷負(fù)荷，但由于內(nèi)外區(qū)合用新風(fēng)機(jī)組，冬季 內(nèi)區(qū)無法單獨(dú)切換至全新風(fēng)工況，新風(fēng)的免費(fèi)制冷能力未得到充分利用。方案 3，4 內(nèi)外區(qū)分設(shè)新風(fēng)機(jī)組， 與前 2 種方案相比主要優(yōu)勢在于內(nèi)

11、區(qū)新風(fēng)機(jī)組可根據(jù)需要單獨(dú)切換至全新風(fēng)工 況，充分利用新風(fēng)的冷卻能力。 在熱回收方面， 外區(qū)設(shè)置的熱回收新風(fēng)機(jī)組，同樣面臨著多余熱回收量的問題； 而方案 4 中內(nèi)區(qū)設(shè)置的熱回收新風(fēng)機(jī)組僅在夏季工況可回收少量冷量，整體利用效率并不高。4.3 小結(jié)圖 4 給出了 4 種不同方案全年的供冷、供熱量及其詳細(xì)構(gòu)成。柱形圖中正值為貢獻(xiàn)值，負(fù)值為消減值，折線為 最終的累加值。圖4 不同方案全年供冷、供熱量構(gòu)成5 經(jīng)濟(jì)分析本文采用綜合制冷性能系數(shù) SCOP=4.5 估算空調(diào)冷源部分（含輸送能耗）的全年耗電量。北京地區(qū)商業(yè)用 電價(jià)取平均值 1.2元/（kW·h）；熱價(jià)取北京非居民熱計(jì)量收費(fèi)熱價(jià)69.45元/GJ（0.25 元/（kW·h）。考慮排風(fēng)熱回收裝置及過渡季全新風(fēng)機(jī)所增加的運(yùn)行電耗，對比4 種方案全年運(yùn)行費(fèi)用（全年運(yùn)行費(fèi)用僅包括空調(diào)系統(tǒng)冷熱源及由于各方案設(shè)備設(shè)置和運(yùn)行時(shí)間不同所造成的運(yùn)行費(fèi)用） ，見表 8。表 8 不同方案全年運(yùn)行費(fèi)用對比6 結(jié)論與展望1）對于北京或類似地區(qū)有較大內(nèi)區(qū)的辦公建筑，當(dāng)采用變風(fēng)量系統(tǒng)時(shí)， 建議內(nèi)外區(qū)分別設(shè)置空調(diào)機(jī)組及新風(fēng)機(jī)組。2）熱回收新風(fēng)機(jī)組的節(jié)能性及適用性應(yīng)根據(jù)實(shí)際工程情況，采用全年逐時(shí)模擬的方法進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較， 并考慮內(nèi)區(qū)多余熱回收量所增加的系統(tǒng)制冷量。