武汉金三角项目写字楼空调冷水系统设计

沙泳洪

(广东海外建筑设计院有限公司，广州510075)

1 工程概况

本项目位于武汉硚口区的核心地段，东临硚口路，南靠沿河大道，与轻轨站相连，西望琴台公园，北临京汉大道和汉江。商业区位与交通区位优势显著。本工程的写字楼为武汉硚口金三角项目其中的一栋，本栋建筑与该项目的四层商业相连，但系统和功能独立。写字楼建筑面积为140 041m2，楼高317米，其中地上68层，地下3层，一至四层为中庭大堂，其以上部分为办公，其中18、35、52层为避难层，19、36、53层为设备层，空调面积约为97 000m2，夏季设中央空调系统，冬季采用常压燃气热水锅炉，经过板换换热后，通过分集水器与原空调系统相连，本工程空调系统为两管制系统，由于篇幅原因，本文只介绍空调冷水系统的设计。

根据甲方要求及该栋写字楼的市场定位，54层以上高端客户有可能有24小时空调的要求，为了节约整个空调系统的运行费用，本次设计在屋面预留2台模块式一体化冷水机组，待业主招租后，根据客户的实际需求量完善屋面的空调主机部分的设计。

2 空调水系统的选择

由于本工程为超高层写字楼，顶端空调用户最高点高度为309米，为了解决超压问题，本工程前期提出了两个方案。方案一 (见图1)主机设于地下室，在中间设备层设置板换，解决系统的超压问题;方案二 (见图2)主机设于中间设备层，将该建筑分为2个空调系统。两个方案比较详见表1。

甲方及该工程顾问公司经过多方论证和考察，尤其考虑到噪音对中间层办公室的影响因素，最终选择了方案一。

3 冷水供回水温差及设计参数的选择

该栋办公楼空调面积为97 000m2，经过逐时冷负荷计算，空调冷负荷为13 328kW，冷指标137kW/m2，根据办公楼的使用特点，其负荷变化较大，所以按照大小机搭配原则，选择3台1000RT和2台500RT的离心式制冷机组，2台500RT离心机组变频以适应更小负荷时高效运行。由于该空调系统负荷较大，若选用传统的冷水供回水5℃温差 (7℃/12℃)，相比采用冷水供回水8℃大温差的空调系统，空调冷水流量大、增加主机房内设备及水管的造价和水泵的运行费用。本工程设计原考虑冷水的供回水温度为5℃/13℃，咨询多个空调厂家，只有少数厂家保证空调主机在该参数的条件下运行保持较高的COP值，最后选用6℃/14℃的空调供回水温度，满足了大部分厂家空调主机的较高COP值，以便完成设备招投标工作。

图1 高、低区合用冷源

图2 高、低区独立冷源

表1 空调水系统方案比较

4 空调系统末端设备形式的选择

目前，写字楼的中央空调系统形式，较常见的为风机盘管加新风空调系统和变风量空调系统(VAV)两种形式，其详细介绍见表2。

本工程综合了风机盘管加新风及变风量空调系统 (VAV)的优缺点，提出了两个方案供业主选择，详见表3。

表2 风机盘管加新风系统和变风量空调系统的比较

表3 本工程提出的两种末端设备形式的方案比较

甲方同营销部门通过市场调研确定了该栋写字楼的市场定位，选用了方案一，在初投资不高的情况下依然满足了高端客户要求。

5 空调冷水系统的压力分析及设备承压选择

由于该工程中间设备层的位置比较高，该层地面标高为160.50米，制冷机房地面标高为－5.00米，该冷水系统已经超过了普通设备的承压能力。设计中需要仔细核算设备的最大静压和工作压力，正确选择设备承压。

5.1 各设备承压能力

离心式制冷机组:普通型PN=1.0MPa;加强型PN=1.6MPa;特加强型PN=2.1MPa;

水泵、换热器:普通型PN=1.0MPa;加强型PN=1.6MPa;特加强型PN=2.5MPa;

风机盘管:普通型 PN=1.0MPa;加强型 PN=1.6MPa;

空调风柜:PN=1.0MPa;加强型 PN=1.6MPa;特加强型PN=2.5MPa;

5.2 本工程设备承压分析及选择

为了降低冷水系统运行的工作压力，冷冻水泵 (变频)采用抽出式接入系统、采用回水末端顶点定压方式，为了避免低区 (2～34层)的水力失调问题，空调立管采用同程式布置。通过借用采暖系统的水压图原理，可以计算出制冷机房内及末端底层设备的最大工作压力。水泵的流量和扬程在设计工况时，即水泵满负荷工况 (最大流量)而非变频工况时，此时系统的工作压力最大，该时刻低区系统 (34层以下)的压力分析详见图3，图4为本工程设计的空调冷水系统示意图。

图3 2－34层冷水系统压力分析

图4 本工程空调冷水系统示意图

在低区 (34层以下)空调系统中，制冷机(位置－5.0米)最大承受的静压为171.5米、工作压力为164.5米，设备承压选用 PN=2.1MPa。冷冻水泵 (位置 －5.0米)最大承受的静压为171.5米、工作压力为188.5米，设备承压选用PN=2.5MPa。一至四层大堂的空调风柜座落于二层，按照6.0米的高度计，则底层空调风柜最大承受的静压为160.5米、工作压力为172.5米，设备承压选用PN=2.5MPa，五层风机盘管 (位置25.0米)，其最大承受的静压为141.5米、工作压力为153.5米，设备承压选用 PN=1.6MPa。其他部位的末端设备承压核算同低区，本文不再详细介绍。

6 大温差对末端设备换热能力的影响

由于本工程主机的设计供回水温度为 6℃/14℃，经过板换后，中高区末端设备的供回水温度为7℃/15℃。以风机盘管为例分析当末端供回水温度为非标准工况，即采用大温差冷水系统时对末端设备换热能力的影响。

表4 不同工况的换热能力

表4是厂家提供的经过电脑选型软件计算的在进风工况为27/19.5℃时，不同冷水供回水温度以及调整风机盘管回路时的换热能力。由表4的数据看出，冷水大温差使得空调末端设备的全热、显热、潜热冷量都有不同程度的降低，但对潜热影响最大，除湿能力大大降低。无论冷水6℃/14℃工况还是7℃/15℃工况，其制冷能力和除湿能力均有较大降低，采取措施后，其末端设备的换热能力基本能够满足设计要求。

有以下几种方式可以提高末端设备的换热效率:a、增加盘管的排数;b、在水盘管内加装扰流器强化换热;c、改变盘管内的结构形式，通过调整表冷器的回路数，提高每个回路的水流速，从而增加表冷器的换热能力;d、采用亲水铝翅片。

7 结束语

本工程在设计过程中得到了同行专家的大力支持，以及空调厂家的协助，将冷水大温差、空调主机变频、一次泵变流量等多个节能理念应用在设计中，并在高级写字楼中应用了24小时空调水系统的设计理念，但由于建筑条件以及甲方初投资等多个因素的影响，有些空调系统仅为预留，待业主招租后深化设计。本工程为在建项目，还有很多问题需要在运行过程中发现及完善，本文将此工程的设计过程中一些心得与同行分享，请各位专家给予宝贵意见。

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