空调节能技术在超高层建筑中的应用

庄秋鹏

(厦门佰地建筑设计有限公司 福建厦门 361009)

0 引言

当今社会经济高速发展，人口大量涌入城市，为了解决城市拥挤问题，超高层建筑日益增多。作为建筑能源消耗大户的空调系统，因为超高层空调体量大、运行时间长的特点，其能源消耗表现得更加明显，因此如何合理利用空调节能技术降低超高层建筑的空调能耗，实现节能已成为超高层建筑空调设计中的重点。本文将从工程实际应用及节能的角度，分析以下5种空调节能技术在超高层建筑中的应用及其产生的节能效果。

1 工程概况

厦门杏林湾营运中心12#楼位于厦门杏林湾路南侧，园博园以北，总建筑面积：159 380m2，地下室面积：43 320m2，地上面积：116 060m2。建筑高度：262.05m。建筑层数：地上54层，地下3层。首层为入口大堂、配套商业及消控室；二层为配套商业、电梯大堂；3～4层为配套商业、员工餐厅；5～6层为会议室及办公配套会所；7～53层为办公用途,54层为观光大厅；16F、27F、42F,为避难层。

2 空调节能技术应用

2.1 大温差小流量中央空调冷水系统

(1)大温差小流量中央空调冷水系统与传统空调冷水系统(5℃温差)的性能比较

冷水机组提供的冷量与冷冻水流量及冷冻水供回水温差有关，冷量计算公式(1)[5]如下：

Q=CP·L·△T

(1)

式中：Q——冷量，kW；

CP——冷冻水的比热容，4.2×103J/(kg·℃) ；

△T——供回水温差，℃。

由式(1)可知，CP为常数，当提供相同的冷量Q时，△T越大所需的冷冻水流量L越小，则冷冻水泵的流量L就相应减少，根据水泵功率计算公式(2)[5]如下：

N=L·g·h/(3.6·η)

(2)

式中：N——水泵的功率，kW；

L——水泵的流量，m3/h；

g——重力加速度，9.8m/s2；

h——水泵的扬程，m。

由式(2)可知，当水泵扬程一样，流量越小则水泵的耗功率越小。同理，冷却水泵及未端设备的风机功率也相应减少。因此，大温差、小流量中央空调冷水系统能收到明显的节能效果。

(2)工程实例比较

该工程办公部分空调冷冻水管路为二管制、变流量、闭式机械循环系统。冷冻水系统竖向分为高、低二区。低区：地下1层(-5.8m)至27层(119.8m)；高区：27(119.8m)层至机房层(249.8m)；低区冷冻水供回水温度5/12℃，高区冷冻水供回水温度6/13℃，其冷冻水供回水温差为7℃。空调冷却水系统采用10台横流式冷却塔，冷却水进、出水温度40/32℃，其冷却水供回水温差为7℃。

相同条件下的大温差、小流量空调冷水系统(以下简称方案一)与传统温差的空调冷水系统(以下简称方案二)设备组成、能耗及其初投资比较，如表1～表3所示。

表1 设备组成比较

注：①本表中的设备功率由文献[4]及文献[7]中相关设备选型得出。 ②空调冷水系统中的板式热交换器由于没有消耗电量，本表未作为比较项。

表2 主机设备运行能耗比较 k

元

(3)结论

经了解，厦门的空调季从5月1日～10月1日共约1500h，厦门电价按0.8元/kWh计算，则空调冷水系统部分每年可以节约的费用为：(2759-2524)×1500×0.8=282 000元，同时其初投资更少，不存在回收期。

大温差、小流量空调冷水系统降低了空调水系统的流量，进而降低了设备如冷水机组、冷冻水泵、冷却水泵的耗电量达到明显的节能效果。

其中，冷却塔由于进、出水温度为40/32℃，温差增加至8℃，因此，相同的耗功率下制造的冷却水流量减少。同时，由于增加通风换热面积造成初投资相应增加，因此，从初投资角度冷却塔部分并不节能，但从整个系统角度分析，还是产生明显的节能效果。

2.2 变风量空调系统

(1)变风量空调系统与定风量空调系统的性能比较

定风量空调系统和变风量空调系统，都有系统供给负荷平衡公式(3)[3]：

Qs=1.01G·(tN-t0)

(3)

式中：Qs——空调系统负荷，kW；

G——空调系统送风量，kg/s；

tN——室内温度，℃；

t0——送风温度，℃。

由式(3)可知，当室内冷量发生变化时，定风量空调系统送风量不变，只能通过调节冷冻水流量改变送风温度来匹配冷量变化，需要冷水系统设备随房间负荷变化而不变调整运行状态，显然很浪费冷量及运行费用。而VAV空调系统可以通过调节区域送风量来适应冷量变化，冷水系统却只需维持送风温度t0不变即可；同时，由于送风量减少，其风机运行功率也相应减小，因此可以很明显地降低运行费用；加之，VAV空调系统中各个不同的空调房温度可独立控制，在正常应用情况下，节能效果较好。

(2)工程实例比较

该工程办公室采用变风量空调系统，空调机组采用变频风机设置在各楼层空调机房内, 系统由变风量空调机组、单风道节流型变风量末端(压力无关型)、风机动力型末端(外区)组成，具体标准层平面图如图1所示。

图1 标准层空调系统平面图

相同条件下变风量空调系统(以下简称方案一)与传统定风量空调系统(以下简称方案二)，设备组成、能耗与初投资比较如表4～表6所示。

表4 标准层未端设备组成比较

注：本表中的设备功率由文献[4]及文献[6]中相关设备选型得出。

表5 标准层未端设备运行能耗比较 kW

注：经查文献[1]，VAV空调系统平均运行于70%的设计风量，空气处理机能耗相应减小。

表6 初投资比较 元

(3)结论

由表4～表6计算可知，采用VAV空调系统增加的初投资费用为：254 285-209 600=44 685元。

采用VAV空调系统每年节约的费用为：

(18.5-8.5)×1500×0.8=12 000元

因此，可在3.7年回收VAV空调系统初投资增加的费用。

变风量空调系统通过改变送入房间的风量来适应负荷的变化，而空调系统大部分时间都是在部分负荷下运行，因此，风量的减少带来了风机能耗的降低，从而达到明显节能效果。

2.3 地板式送风空调系统

该工程办公区气流组织为下送上回方式(地板式送风空调系统)形式。通过网络地板与楼板形成的静压腔将空气处理机组处理过的冷风送至各个办公区，办公室空调系统剖面图如图2所示。

图2 办公区空调系统剖面图

地板式送风空调系统是新型的中央空调系统，它最大特点就是将传统的上送风方式改变为下送风。由于它具有热力分层特性，空调冷风只要在人员停留的区域即可，上部的灯具等设备所产生的热量还未到达地面就被排出，提高了排风温度，减少了总冷负荷，降低空气处理机组冷量，减小了制冷机组容量，从而达到节能目的。同时，由于地送风采用的是地板静压箱送风系统，系统阻力小，导致风机能耗降低，减少风机能耗。

2.4 变风量空调系统分区供冷

该工程采用的变风量空调(VAV)系统是一种节能的空调系统。VAV系统各调节区域负荷改变时，各区域的VAV Box(变风量末端)调节送入到各区域的风量来适应区域负荷改变。对于一般的VAV空调系统，送风静压控制器调节空气处理机送风风机转速保持送风风道某处的静压为设定的恒定值，但这样的控制方式存在一定的缺陷。由于风道中静压恒定，会出现负荷很大的区域(如靠近玻璃幕墙区域)的VAV Box风阀开到最大时仍然满足不了负荷需要的情况，因而满足不了调节区域的舒适性要求；而当所有VAV区域中的最大负荷小于设定静压下VAV Box可提供的供冷(热)量时，所有VAV Box的风阀未开启到最大，增加系统风道阻力，也就增加了空气处理机能耗。因此，该工程将办公区域进行合理规划区分，将办公区域靠近玻璃幕墙一侧划归为办公区域外侧，如图1～图2所示。并且，安装若干风机动力型末端，仅以少数风机动力型末端随室外日照热气进行变风量运行来承担该部分负荷，而不用所有变风量未端一起随着日照热气进行变风量运行，进而降低空气处理机能耗。

2.5 新排风热回收系统

新排风热回收系统是通过回收排风中冷量，并把回收的冷量作为新风冷源加以利用的系统。在《公共建筑节能设计标准 》中，明确规定了“设有集中排风的空调系统经技术比较合理时应设置空气—空气能量回收装置。”[4]

该工程办公区新风及排风系统由4台转轮式全热交换器承担，分别设于16、27、42及屋顶层，经竖向新风竖井、排风竖井与各层联接。

通过对相同条件下的新排风热回收系统(以下简称方案一)与不带热回收新排风系统(以下简称方案二)，进行经济技术分析比较如表7～表8所示。

表7 新排风系统组成

注：本表中的设备功率由文献[6]及文献[7]中相关设备选型得出。

表8 经济及能耗分析

转轮式全热交换器是一种高效的热回收装置，能回收80%的排风余热，该工程的总新风量:LX=168 000m3/h,总排风量:LP=134 400m3/h。经核实该工程的室外新风焓值h1=89kJ/kg,办公区室内排风焓值h2=59kJ/kg，空气的密度ρ=1.29kg/m3。

根据回收能量计算公式[3]，可以得出回收的冷量为：

Qh=ρ·LX·(h1-h2)/3600=

1.29×168 000×(89-59)/3600=1806kW

冷水系统(包括冷水机组、冷水泵、冷却塔等)全年的综合性能系数COP=4W/W，则新排风热回收系统每年节约费用：1806÷4×1500×0.8=541 800元，风机能耗增加费用：(192-118)×1500×0.8=88 800元，则每年节约电费453 000元，采用转轮热回收系统增加初投资320 000元，因此，1年内可回收初投资成本。

综之，新排风热回收系统，减少全年的运行费用的同时，减少冷水机组、冷却水泵、冷冻水泵、冷却塔等容量，减少初投资。

目前厦门杏林湾营运中心12#楼已竣工，即将投入运营。

3 结语

随着空调节能技术发展，空调节能技术效果变好的同时其初投资将变低，像大温差、小流量空调冷水系统这种新型的空调节能技术在产生明显节能效果的同时，其初投资比传统冷水系统更低。VAV空调系统虽然初投资比空风量空调系统略大，但通过地板式送风空调系统及分区供冷这两项技术的辅助，能明显降低运行能耗，提高空调房间的舒适性。新排风热回收系统对于超高层这种大体量的建筑，其节能效果更加明显，因此，对于超高层空调系统这是一项很实用的节能技术。

[1] 刘天川.超高层建筑空调设计[M].北京：中国建筑工业出版社，2004.

[2] GB50189-2015 公共建筑节能设计标准[S].北京：中国建筑工业出版社，2015.

[3] 陆耀庆.实用供热空调设计手册(第二版)[M].中国建筑工业出版社，2008.

[4] 特灵空调系统(中国)有限公司.空调设备产品手册[Z].2014.

[5] 北京环都拓普空调有限公司，热回收式新风换气机[Z].2016.

[6] 美国皇家集团.VAV变风量系统产品手册[Z].2012.

[7] 荏原机械(中国)有限公司.水泵选型手册[Z].2015.