变风量系统分区设计对某超高层办公建筑空调能耗的影响

1、变风量系统分区设计对某超高层办公建筑空调能耗的影响0 引言高层办公建筑普遍具有较大面积的内区空间，由于受外围护结构负荷影响较小，内区的负荷特性与外区显 著不同 ,在设计全空气变风量空调系统时，合理的内外分区方案对于房间的热舒适性及空调系统能耗有很大影 响。而在新风处理方案的选择上，排风热回收系统近年来被广泛用于民用空调领域，但在实际工程中设计人员 逐渐发现其局限性。本文以实际工程为例，分析不同的空调系统分区及新风处理方案对全年运行能耗及费用的 影响。1 工程概况该工程为北京地区某超高层办公建筑，总建筑面积28.5 万 m2，其中地下面积 7.2万 m2，地上面积 21.3 万m2。超高层塔楼地

2、上 32层（不含避难层） ，建筑高度 158.7m，功能主要包括办公、 公寓、会所等， 本文以 1532 层办公区域的标准层为研究对象。 1.1 冷热源塔楼办公区域设置独立冷源， 由 2 台单台制冷量为 2813kW 的双机 头离心式冷水机组和 1 台制冷量为 972kW 的螺杆式冷水机组组成，供 /回水设计温度为 5/13；供暖季热源 为市政热力，过渡季热源为 2 台单台制热量为 1800kW 的承压燃气（油）热水锅炉，供/回水设计温度为 60/45。 空调水系统为四管制， 异程式布置。 1.2 空调形式由于该项目定位为高端办公楼， 办公区拟采用全空气变风量空 调系统，而变风量系统的分区形式

3、及新风处理方式则存在多种选择， 本文以办公区标准层为计算单元， 利用 DeST 软件建立模型，模拟计算标准层各分区全年的逐时冷热负荷，并获取北京地区全年逐时室外气象参数，针对不 同方案进行技术经济比较，以期找到最合理的系统形式。2 全年负荷模拟分析2.1 设计参数1）建筑层高为 4.5m，窗墙面积比为 0.65，体形系数为 0.35，外墙传热系数为 0.45 W/（m 2 K·） ，外窗传热系数为 1.7 W/（m 2·K） ，外窗太阳综合得热系数为 0.35。2）办公区域根据建筑朝向及进深划分为4 个外区和 1 个内区，南、北外区面积为 290m2，东、西外区面积为 30

4、0m2，内区面积为 900m2。 3）人员密度为 10m2/人，人均新风 量为 30m3/h，照明 +设备功率为 30W/m 2。4）室内空气设计参数夏季为 26，相对湿度为 50%，冬季外区为 20， 内区为 22，相对湿度为 30%。系统运行时间为 07： 00 20：00，全年连续运行。2.2 负荷模拟 根据建筑分区情况及室内外空气设计参数， 模拟计算各分区全年逐时冷热负荷 （包含房间负荷及新风负荷） ，计 算结果如图 1 所示。图 1 标准层各分区全年逐时冷热负荷分布3 空调系统方案比选该工程办公区采用全空气变风量空调系统，分层设置组合式空调机组（一次回风单风机） ，送风机采用可 变静

5、压控制方式变速运行，新风机组（直流式/热回收式）及配用排风机，过渡季全新风工况新、排风机均设置于避难层机房内，经竖向新风管道分别送至各层变风量空调机组；空调机组新风管上设定风量阀，当送风量变 化时，保证新风量恒定；此外，每台空调机组另设新风支管，并配置电动开关阀，在过渡季可切换至大新风比 工况，最大新风比为 50%。在方案比选阶段， 针对不同系统分区、 变风量末端、 新风系统划分及新风处理方式选了 4 种备选方案进行 对比分析，系统配置如表 1 所示，空调系统平面及原理如图 2，3 所示。表1 不同变风量系统形式及新风处理方案图 2 空调系统平面图图3 空调系统原理图3.1 变风量系统方案 1

6、，2 中建筑内外区合用空调机组，送风干管采用环状布置，内区采用单冷型单风道变风量末端，外区采用再热型单风道变风量末端。为了满足内区的供冷要求，空调机组需常年送冷风，而在外区需要供热时，通过再 热盘管的加热来保证外区的温度要求。该方案对于不同朝向的外区房间，室温可以得到精准的控制，但是外区 再热盘管加热的空气是通过空调机组集中冷却过的，存在冷热抵消浪费能源的现象，外区热水盘管再热量（同 空调机组额外消耗的制冷量）的具体计算过程如下 :1）东、南、西、北外区各设置 6 台再热型单风道变风量末端，一次送风温度为15，最小送风量比例为 40%，变风量末端参数见表 2。表 2 不同外区变风量末端参数2）

7、空调机组常年供冷，当外区需要供热（或冷负荷较小）时，为了避免过多的冷热抵消，变风量末端一般以最 小送风量运行。3.2 新风系统假设不同方案中新风机组（直流式/热回收式）及配用排风机，全新风工况新、排风机根据室内外空气比焓切换控制工况，不同方案、不同分区的控制策略及全年运行时间如表 3 所示，并作为后续能耗计算的依据。 表 3 不同方案新风系统设备运行控制策略1）排风热回收。 对于排风热回收系统，有效热回收量应为理论热回收量与空调系统热负荷两者之间的最小值，当空调系统无热 负荷时，有效热回收量为零。 此外，设置全热回收装置增加了新风与排风支路的阻力，增加了新风机和排风机的运行能耗。2）全新风供冷

8、。根据表 3 中的运行控制策略，在过渡季（内区含冬季）开启全新风工况承担室内冷负荷，假设新风机风量可根 据室内冷负荷需求作变频调节，即新风系统承担的室内冷负荷为房间冷负荷和全新风可承担的最大冷负荷中的 较小值。4 全年能耗对比分析以不同分区全年逐时冷热负荷及北京地区逐时室外气象参数为基础，根据式（1）（ 8）计算不同方案下各分项全年累计冷热量， 4 种方案全年能耗结果见表 47。表4 方案 1全年能耗计算结果表5 方案 2全年能耗计算结果表7 方案 4全年能耗计算结果表6 方案 3全年能耗计算结果4.1 空调分区方案对比方案 1，2 内外区共用空调系统， 由于负荷特性相差较大， 该系统不能同时

9、匹配内外区不同的冷热需求。为了保 证内区供冷，空调机组常年提供一次冷风，当外区需要供热时，只能通过热水盘管对一次冷风进行再热，因此 存在冷热抵消现象，且能耗数值很大。方案 3，4 内外区分设空调系统， 可以较好地匹配内外区不同的冷热需求。在内区系统供冷的情况下， 外区机组 可根据需要灵活地切换供冷、供热工况，避免了前2 种方案中内外区冷热抵消的现象。该方案存在的问题为外区合用空调机组且末端无再热盘管，当不同朝向外区冷热需求不同时，系统无法满足要求。但考虑到在北京地 区上述时间段相对较短，可以牺牲极为短暂的温度不可控时间来换取投资和能耗的减少。4.2 新风处理方案对比方案 1，2内外区合用新风机

10、组，前者采用直流式，不进行热回收，而后者采用全热回收式。方案2 夏季可有效地回收部分冷量以减小系统供冷负荷，但由于夏季工况时间较短且室内外比焓差不大，因此回收的冷量有限； 冬季工况虽然机组回收的热量可观，但实际上有效热回收量仅占总热回收量的一小部分，多余热回收量反而降 低了新风的冷却能力，为了保证室温不至过高，空调系统还需要提供额外的供冷量，该现象在内区尤为明显。 两方案在过渡季全新风工况运行时，新风可以承担相当一部分空调冷负荷，但由于内外区合用新风机组，冬季 内区无法单独切换至全新风工况，新风的免费制冷能力未得到充分利用。方案 3，4 内外区分设新风机组， 与前 2 种方案相比主要优势在于内

11、区新风机组可根据需要单独切换至全新风工 况，充分利用新风的冷却能力。 在热回收方面， 外区设置的热回收新风机组，同样面临着多余热回收量的问题； 而方案 4 中内区设置的热回收新风机组仅在夏季工况可回收少量冷量，整体利用效率并不高。4.3 小结图 4 给出了 4 种不同方案全年的供冷、供热量及其详细构成。柱形图中正值为贡献值，负值为消减值，折线为 最终的累加值。图4 不同方案全年供冷、供热量构成5 经济分析本文采用综合制冷性能系数 SCOP=4.5 估算空调冷源部分（含输送能耗）的全年耗电量。北京地区商业用 电价取平均值 1.2元/（kW·h）；热价取北京非居民热计量收费热价69.45元/GJ（0.25 元/（kW·h）。考虑排风热回收装置及过渡季全新风机所增加的运行电耗，对比4 种方案全年运行费用（全年运行费用仅包括空调系统冷热源及由于各方案设备设置和运行时间不同所造成的运行费用） ，见表 8。表 8 不同方案全年运行费用对比6 结论与展望1）对于北京或类似地区有较大内区的办公建筑，当采用变风量系统时， 建议内外区分别设置空调机组及新风机组。2）热回收新风机组的节能性及适用性应根据实际工程情况，采用全年逐时模拟的方法进行技术经济比较， 并考虑内区多余热回收量所增加的系统制冷量。