国内外高层建筑空调系统优化设计新方法分析

国 内 外 高 层 建 筑 空 调 系 统 优 化 设 计 新 方 法 分 析郭振雷邯郸市建筑设计研究院 河北邯郸 05604摘 要 ： 本 文主 要介 绍近 几年 来 建 筑空 调 设 计单 位在 承接 高层 办公 楼设 计中 所采 用的 一些新 设计 方法 ，并 结合 国外 的最 新空 调工 程设 计节 能规 范和 个人 的心 得体 会予 以综 合评 述。 关 键词 ：建 筑空 调 设 计 ； 节能 ；优 化； 新方 法中 图分 类号 ： TE08文 献标 识码 ： A1空 调风 系统在 论及 空调 风系 统的 变化 和新 进展 时 ， 需 要再 重申 一点 ， 即 我们 的讨 论主 要是 针对 以办公 为主 要功 能的 高层 办公 楼建 筑而 言 ， 需 要把 以居 住为 主要 功能 的宾 馆客 房撇 开不 谈 。 因 为对 于宾 馆 、 公 寓之 类建 筑的 空调 方式 ， 可 以说 至今 还没 有出 现其 他任 何一 种能 比风 机盘 管这种 水 空 气方 式更 为成 熟、 适用 和经 济有 效的 空调 方式 。1.变 风量 空调 方式 的应 用现 在有 些高 级办 公楼 的空 调工 程已 决定 摆脱 风机 盘管 系统 ， 取 而代 之的 是变 风量 空调 方式 。 这 种系 统的 优点 主要 表现 在如 下几 个方 面 ： a.用 全空 气方 式取 代了 水 空 气方 式的 风机盘 管 ， 从 而从 根本 上杜 绝了 凝结 水滴 漏的 可能 性 。 b.它 不同 于一 般的 全空 气方 式的 空调 系统 ，前 者利 用吊 顶空 调作 回风 室 ， 基 本上 可省 去回 风管 ， 而 且一 次风 可采 用低 温送 风 ， 温 度可 以较 低 ， 因 而一 次风 量可 减少 ， 从 而可 缩小 送风 干管 的截 面尺 寸 。 c.与 一般 全空 气方 式的 多区系 统不 同 ， 可 实现 各分 区的 独立 的温 度控 制 ， 从 而改 善室 内温 度分 布状 态 ， 并 且可 节能 。 d.可 适应 办公 室隔 间的 变化 ， 因 为风 机混 合箱 的安 装部 位及 回风 口的 位置 均与 其下 面的 隔墙 无关 ，即 使要 改变 送风 口位 置， 也只 需调 整送 风软 接管 的走 向即 可。 1.2双 风机 的全 空气 式系 统加 拿大 195年 国家 空调 工程 设计 节能 规范 对非 居住 建筑 空调 系统 的节 能经 济运 行的 相应 规范 条文 是这 样记 述的 ： 除 用于 公寓 、 旅 馆 、 汽 车旅 馆之 外的 ， 风 量在 120l/s（ 4320m3/h） 、供 冷容 量在 20kW以 上的 所有 空调 系统 都应 在设 计中 考虑 按照 下列 途径 ，利 用室 外空 气， 以求 减小 机械 供冷 的能 耗： (1)直 接利 用室 外空 气供 冷（ 新风 节能 运行 系统 ） 。 a.直 接利 用室 外空 气以 降低 机械 供冷 能耗 的系 统。 在采 用新 风与 回风 混合 的过 程中 应能 使室 外空 气取 用量 达到 10%的 程度 ，以 获得 室内 空调 所需 的进 风温 度 。 b.在 如上 所述 的系 统中 应设 有自 动控 制装 置以 使当 室外 空气 温度 高于 回风 温度 ， 或 者当 室外 空气 值大 于回 风空 气值 时 ， 能 自动 地把 新风 量控 制在 满足室 内空 气品 质要 求的 最小 限度 。 c.除 下述 情况 （ 即 直接 膨胀 式系 统 ， 为 避免 因新 风取 用量 过大 而导 致融 霜的 情况 ） 外 ， 在 如上 述各 条文 中规 定的 系统 设计 条件 下 ， 应 能在 即使 机械 供冷装 置已 准备 妥当 随时 可用 的情 况下 ， 也 可做 到使 新风 和回 风混 合后 的温 度尽 可能 接近 室内 空调 所需 的送 风温 度。 (2)间 接利 用室 外空 气供 冷（ 水侧 节能 运行 系统 ） 。1.3置 换式 通风 空调 系统置 换式 通风 空调 不同 于通 常的 混合 式空 调方 式 ， 主 要表 现在 如下 几点 ： a.采 取下 送上 回的 送风 方式 ， 可 使清 洁的 送风 气流 首先 进入 室内 人员 呼吸 带和 有效 活动 区 ， 形 成有 利于 改善工 作区 的空 气品 质 。 b.采 用低 速送 风 ， 导 致气 流缓 慢扩 散上 升 ， 形 成垂 直方 向上 的温 度成 层和 温升 梯度 ， 提 高了 排风 和回 风温 度 ， 可 节省 夏季 运行 能耗 。 c.由 于是 下送 风 ， 送 风温 度相对 较高 ， 对 于全 空气 式系 统的 运行 ， 加 大了 过渡 季利 用新 风自 然供 冷的 潜力 ， 延 长了 其节 能经 济运 行的 周期 ，从 而可 更加 缩短 全年 机械 供冷 的时 间， 进一 步增 大了 节能 效益 。 鉴 于上 述特 点 ， 置 换式 通风 空调 方式 普遍 适用 于一 切以 舒适 性为 目的 公共 场所 ， 如 影响剧 院 、 体 育馆 等 。 据 悉 ， 在 建的 上海 大剧 院建 筑设 计方 案为 法国 建筑 师的 作品 ， 其 观众 厅采用 的即 是座 椅下 送风 的置 换式 空调 方式 。 另 外 ， 据 认为 ， 置 换式 通风 空调 方式 应用 于一 般被视 作难 题的 中庭 空调 ，可 获得 独特 的效 果。总 之， 基于 置换 式通 风空 调方 式的 诸多 优点 ，预 计随 着其 送风 分布 器的 逐步 国产 化 ， 必将 在我 国为 人们 所广 泛接 受。 2水 侧节 能运 行系 统 室 外空 气供 冷的 间接 途径传 统的 空调 水系 统必 须作 出某 些适 应性 的改 变才 行。 这种 改变 可以 举出 如下 几种 ：a.过 渡期 和冬 季， 利用 大楼 新风 系统 的鹇 风冷 空气 对冷 冻水 的回 水进 行预 冷却 。 上 述方 式确 实可 为系 统运 行提 供一 定的 节能 效果 ， 如 果结 合上 述节 能规 范来 看 ， 这 一节 能效 应尚远 远不 能满 足规 范的 要求 ，因 为后 者要 求新 风供 冷应 能承 担预 期的 全部 供冷 负荷 。 b.采 用风 冷式 冷水 机组 的一 种派 生型 带预 冷却 的机 组 。 这 一利 用方 式的 缺点 是 ， 在 平时（ 夏季 ） 不 利用 室外 空气 预冷 时 ， 会 加大 风冷 冷凝 器环 路空 气侧 阻力 ， 以 致增 大了 相应 的能耗 。但 它的 好处 是， 风冷 冷凝 器可 与预 冷盘 管同 时工 作， 不必 相互 排斥 ，必 须切 换使 用。c.利 用制 冷系 统冷 却系 统冷 却水 的密 闭式 冷却 塔进 行室 外空 气供 冷 。 在 这一 系统 中是 利用 机械 制冷 系统 中的 冷却 水冷 却设 备 密 闭式 冷却 塔 ， 来 实现 冬季 对自 然冷 源 室 外空气 的利 用 。 显 然 ， 在 这里 ， 机 械供 冷与 自然 冷源 供冷 两者 是不 能同 时工 作的 ， 必 须切 换着 使用 。 笔 者以 为 ， 这 一点 也许 就是 在加 拿大 国家 空调 工程 设计 节能 规范 中规 定 ， 以 室外 空气 干球 温度 10 或 湿球 温度 7 为 工况 转换 标准 ， 并 强调 “ 能 承担 系统 预期 的全 部供 冷负 荷 ” 的道 理所 在 。 为 使该 装置 能在 低于 0 的 室外 气温 下正 常运 行 ， 系 统中 需充 以乙 二醇 溶液 不冻液 。 按 照这 一图 式 ， 必 须具 备一 个条 件 ， 即 机械 供冷 系统 必须 采用 密闭 式冷 却塔 。 密 闭式 冷却 塔价 格虽 然十 分昂 贵 ， 但 随着 制泠 系统 对冷 却水 水质 要求 的提 高 ， 在 不少 场合 下其 应用 是不 可少 的 。 随 着新 型高 效 、 价 廉的 密闭 式冷 却塔 的面 世 ， 并 考虑 到其 冬季 运行 期间 自然 供冷节 能的 效益 ，其 普遍 推广 应用 的前 景将 更趋 光明 。d.利 用板 式热 交换 器的 节能 运行 方式 。 这 一方 式基 本上 与上 述利 用密 闭式 冷却 塔的 方式相 类似 ， 只 不过 在这 里是 把直 接蒸 发式 （ 开 式 ） 冷 地塔 与板 式换 热器 结合 起来 使用 ， 以 代替密 闭式 冷却 塔的 功能 而已 。 但 是 ， 在 功能 上它 却远 逊于 前者 ， 因 为后 者在 室外 温度 低于 0时 是无 法运 行的 。 3变 流量 系统在 我国 ， 目 前空 调水 系统 采用 定流 量式 系统 比较 普遍 。 但 是 ， 由 于空 调水 系统 的输 送动力 消耗 量大 ， 而 且空 调负 荷的 特点 又是 绝大 部分 时间 里处 于低 负荷 状态 ， 这 就为 空调 水系 统的 节能 运行 提供 了巨 大的 潜力 。 美 国 ASHRAE/IES90.1-98的 节能 标准 中明 确提 出 ： “ 水 系统 应设 计成 变流 量系 统 。 其 所用 控制 阀应 能根 据系 统负 荷的 变化 自动 地调 节开 度或 逐级 开启和 关闭 ， 系 统应 能将 流量 降低 到设 计流 量的 50%或 以下 。 改 变流 量的 方法 不仅 仅限 于采 用变速 传动 泵一 种， 可有 多种 方案 选择 ，如 多台 泵的 台数 分段 控制 或泵 的特 性控 制等 。 ”采 用三 次泵 的这 一做 法目 前几 乎已 成为 欧美 和日 本等 国家 通行 的标 准做 法 。 其 好处 主要在 于如 下几 个方 面 ： a.改 善子 系统 的水 力工 况和 循环 ； b.减 少二 次泵 的扬 程 ； c.改 善三 通调节 阀的 运行 条件 。采 用三 次泵 的做 法无 疑会 大大 改善 三通 调节 阀所 赖以 正常 运行 的水 力工况 ，因 为三 次泵 的特 性可 完全 针对 所在 子系 统（ 盘管 、调 节阀 ）的 水力 状况 进行 选定 。4关 于空 调水 系统 的垂 直分 区美 国某 设计 单位 在上 海 8层 420m高 的金 茂大 厦空 调水 系统 的初 步设 计中 本来 是考 虑设 置一 个统 一的 水系 统。 全部 冷水 机组 均集 中设 于地 下层 内， 全楼 不作 垂直 分区 。为 此 ， 所有 冷水 机组 、 空 调器 、 阀 门管 件均 按高 静压 承载 能力 作特 殊订 货 。 美 方专 家说 明 ， 这 种处 理手 法在 境外 不少 超高 层建 筑中 已经 有过 多次 实践 经验 ，技 术上 是成 熟的 、可 靠的 。后 来 ， 在实 施中 ，中 方有 关专 家提 出了 修改 方案 ，按 高度 和负 荷性 质， 分别 组成 3个 独立 的系 统 ， 即高 区系 统 、 中 区系 统和 低区 系统 。 各 区系 统均 是一 竿子 到底 ， 不 殖民 地作 垂直 分区 。 这 一作法 的一 个主