某大厦空调变风量系统设计分析

笔者希望能与广大设计同仁一起共同就此进行商榷,以推广这一先进系统的采用和提高我国空调设讨和运行管理的水平。

一、概述

xx大厦位于北京市三元立交桥东北角,紧靠首都机场高速公路,是中外合资兴建的具有现代化特点的高标准写字楼。其建筑面积约70000m2,地上使用部分共28层(后应业主要求局部加至32层);地下局部三层,地上部分总高度为110m,地下部分深度为-10.5m建筑外围结构果用全玻璃幕墙,结构形式为内筒外框式。裙房地下室一~三层为地下停车场(地下三层还兼作人防),主楼地下二层主要为机电设备用房(冷冻机房、空调机房、水泵房、热交换同等),另外还设有物业管理办公用房;主楼地下一层除设置变配电间外,其余为职工餐厅、对外餐厅及部分办公室;首层设有西餐厅及人口大厅;二、三层为出租办公室;四层以上为标准的出租写字间。标准层层高为3.4m,全楼空调面积为56000m2.

玻璃幕墙分为采光与不采光两部分,不采光部分为单层玻璃内加80mm岩棉进行保温(由幕墙厂商提供),采光部分采用双层中空玻璃。经计算,全楼空调耗冷量为6977kw(冷指标87w/m2),耗热量为5814kw(热指标72w/m2),空调通风设备的电气安装容量为2750kw(耗电指标40w/m2),空调加湿采用70KPa低压蒸汽,全楼搂加湿用蒸汽耗量为1100kg/h.

二、空调水系统

本工程空调采用双管制系统。夏季供冷水(7/12℃),由设于冷冻机房的四台离心式冷水机组提供(每台机组制冷量为1744kw);冬季供热水(70/60℃),由设于热交换间的板式汽水热交换器提供,其蒸汽源由单建的锅炉房提供,冬夏的季节转换通过设于冷冻机内的手动切换阀进行。由于本工程的使用性质是以办公楼为主,故采用一次泵系统即可满足使用要求。

本工程的一个特点是造价较高,因此业主希望尽可能的增加使用面积,在这一前提下,由于无法在大楼中间层加设备层,因而本工程水系统竖向无法进行分区。导致其底部设备承压均有较大的提高,本工程主要设备(如冷水机组、冷热水泵。地下部分的空调机和风机盘管等)均要求工作压力为1.8mPa,另外,本工程由大无膨胀水箱位置,故在冷冻机房内设置了气体定压罐补水定压。

三、空调风系统

根据被空调房间所在的位置和使用性质的不同,本工程共采用了三种不同的空调风系统型式。

1.地下一、二层及一、二、三层的办公室采用新风加风机盘管系统。

地下一层~首层的办公室按小房间分隔及使用性质明确,用新风加风机盘管即可满足正常的使用要求;二、三层为大空间出租办公室,按理来说用上述系统并不是十分理想的,但是由于建筑平面的限制,无法设集中空调机房,故只能仍按上述系统设计。

2.餐厅采用低速全空气定风量一次回风系统。餐厅部分使用功能明确,控制参数简单且统一,采用上述系统不但避免了因使用风机盘管带来的问题(如水管进入室内吊顶施工不好会漏水及检修工作量较大等)而且使控制简化,因此是较为合理的。

3.标准层写字间全部采用变风量空调系统(简称VAV系统)。

这是本工程空调设计最突出的特点,据目前笔者所知:在北京正在运行的的写字楼中,尚无一个工程采用VAV系统,因此,本工程VAV系统的设计采用,对于探讨该系统在工程实际应用中的设计、运行管理等方面,具有一定的意义,本文的重点也在于此。

四、变风量系统

VAV系统在发达国家七十年代就已开始研究及应用,我国在八十年代也曾有过研究并有过研究性产品问世,但由于种种原因(本文以下讨论),后来又放弃了这一先进的空调方式,导致目前在我国兴建的写字楼中,几乎千篇一律采用的是风机盘管加新风的空调方式。

变风量系统就其原理而言并不复杂,它通过负荷的变化去自动控制每一房间的送风量,从而使其空调机组在低负荷时的总送风量下降使其耗电量大为降低,对节能来说,它的效能甚至超过了目前常用的变水量系统,应该说这是一种极有发展前途的空调方式,之所以在我国未能推广开来,笔者认为主要有以下几个原因:

1.技术原因

八十年代初我国的一些变风量系统及其未端装置的研究,由于受到当时的技术水平所限,很难使产品真正按设计需求进行控制,因此,到目前为止,尚无一个采用国产VAV未端的工程;同时,其空调机组要求采用变频调速的方式,技术上也存在一定的难度,由此带来的结果是:VAV系统必需采用进口设备。

2.经济原因

进口设备价格昂贵,而国家的一些低收费的能源政策,使其投资的回收年限太长,也限制了VAV系统的采用。

3、建筑标准

由于我国的大多数建筑的使用标准与国外相比相刘较低,使得人们满足于风机盘管系统的使用,无形中也推迟了VAV系统的发展。

在xx大厦工程的设计中,上述前两个原因依然存在,但由于业主对本工程提出了较高的设计使用标准,使得VAV系统的采用成为可能。

与定风量空调系统相比,VAV系统有以下特点:

(1)可以根据不同房间的使用要求来独立控制同一风系统中的各房间的温度。而不是象定风量系统中只能控制总的回风温度。其每个VAV未端装置可自配温度控制,随着所控制区域的温度变化,自动调节送风量。

(2)综合能效比高,这主要体现在两点:

①同一风系统中,不同房间一般是不可能同时达到最大负荷值,因此尽管每个VAV未端的最大送风量可按房间最大负荷来选择,但空调机组总送风量应按各房间的逐时负荷之和的最大值来计算而不是象定风量机组那样送风量为各房间最大送风量之和,因此,从设计上,VAV系统空调机组的送风量的选择就比定风量空调机组低,使机组尺寸减小,所占机房面积也有所减少;同时,其设计的用电安装容量下降,电气报装费也将下降。

②在运行时,随着负荷的降低,VAV未端的风量减少,其空调机组的送风量也相应减少(通常以变频调速的方式通过出口静压来控制风机转速)。由于一幢建筑的空调负荷(尤其是冷负荷)在全年中只有大约5%的时间内出现满负荷情况,其余时间均是在低负荷工况下运行,因此,其全年运行的能耗大大降低,这也是VAV系统的一个主要优点。

③对房间的灵活分隔有利,目前的办公搂多呆用大开间设讨,而用户通常会按自己的使用要求进行二次分隔及装修,只要VAV未端的风量与其所在的每个房间的负荷相匹配即可。

与风机盘管加新风空调系统相比,VAV系统有以下特点:

(1)室内无水管。众所周知,我国的施工比发达国家有较大的差距,一幢建筑完工交付使用后,其水管漏水及冷水管保温不严产生凝结水的现象相当普遍,对房间的使用者极为不利,用风机盘管,水管必然要进入室内,而VAV系统属于全空气系统,这一弊病就自然消除了。

(2)检修工作量减少。数量众多的风机盘管刘检修来说是极为囚难的,就本工程来说,如果全部采用风机盘管,需千台以上,而采用VAV系统,仅有几十台空调机组,且其检修都集中在空调机房内进行,VAV未端装置本身是较可靠的,其检修工作量很小。

(3)由于VAV未端装置及其所带风日用软管连接,当房间重新作二次分隔及装修时,只需要装修单位就可以重新布置VAV未端及风口位置而不需要风管制造的专业公司来加工钢板风管,这一特点对于出租写字搂来说更体现了其优越性。

(4)可以有效的控制室内噪声,采用风机盘管则,室内噪声基本取决于风帆盘管本身的噪声,若风机盘管本身的噪声过大,则无法作进一步的消除。而VAV系统对空调机组本身的噪声要求就不是如此严格,因为可在设讨中通过在风道上以及VAV未端和风口上设置消声设备来达到使用要求,同时,卫生条件也它较大的提高。

(5)在风机盘管加新风的系统中,新风量是固定不变的,送风参数也只是冬夏季节时各自统一,在过渡季节时,由于室内冷负荷的存在,必须开冷水机组供冷,只靠新风来控制室温是不太可能的(因为新风量较小,只是为满足室内人员的、卫生标准而设计),从而导致能量的浪费,VAV系统属于全空气系统,过渡季可直接利用新风进行冷却(也即是人们通常所说的焓值控制新风比的方式),其节能意义是显而易见的。

通过本工程的设计,笔者认为设计变风量系统应注意以下问题:

变风量系统中,每一空调机组的计算负荷应按其负担的房间的逐时负荷之和的最大值来决定,因此,详细的计算是必不可少的,而各房间的VAV未端装置的送风量应按其负担的房间的最大负荷来选择,因此,各VAV未端的送风量之和必然大于该系统空调机组的送风量。

(2)风系统划分时,每一风系统应尽可能负担出现最大负荷的时刻不一致的房间,这样相当于把总负荷的峰值减弱了,如果该系统内的所有房间都同时出现最大负荷,设计说对空调机组的选择就无多大的节能意义了。

(3)一个VAV未端装置可带多个送风口。由于每个VAV未端装置只有一个温度控制,故若按大开间办公室设计时,其所带的多个送风日宜相对集中设置,回风口也应尽量与送风口相匹配,这样有利于房间二次分隔时,把同一VAV末端装置所带的送风口及其回风口分至同一房间之中。

(4)当建筑平面的进深较大时,宜进行内外分区,通常按距建筑外墙3~5m为外区,其余为内区,这样一旦内区再分隔房间时,温度更容易控制。就本工程而言。由于业主的分隔较为明确,内外区在同一空间之中,加上机房面积及吊顶高度较为紧张,为简化起见,未进行内外分区。

(5)风道设计时,可适当提高风速,由此可能产生高风速的二次噪声可通过VAV末端以及送风口之前的消声静压箱来消除,另外,为了每个VAV的工作能按设计意图进行,最好风道的计算按静压复得法进行,总之,保证每个VAV进口处的静压值尽可能相同(或相近)是十分重要的。

(6)交错布置这回风口有利于房间分隔时的送回风气流分配均匀,另外,本工程按装修要求,把灯与风口结合来考虑,其带送风口的灯具如图2所示;当灯具用作为回风口时,不带静压箱,其余结构与送风口相同。

(7)为了保证送风气流组织及最低的新风量要求,通常VAV末端都设有录小送风量控制,一般为其设计送风量的40%~50%左右。因此,空调机组新风量的设计值最小应为最低新风量标准的一倍以上。

总之,把VAV空调系统用于较高标准的建筑尤其是出租办公搂中,其优点是十分明显的,当然,其造价也有一定的提高,本工程由于尚未完工,可能还有一些问题尚未暴露,是否能完全按设计意图运行,有待于真正投入实际使用后再作评价。