某超高层项目空调水系统节能设计

曾 菲 仇 宇 宁太刚

(浙江大学建筑设计研究院有限公司，浙江 杭州 310028)

1 概述

杭州市某超高层建筑主要包括主塔楼、副塔楼两栋超高层塔楼及多层配套裙房，主塔楼高度299 m，副塔楼高度280 m，地下4层。冷热源为离心机组和锅炉，离心机组和锅炉均设置在地下冷冻机房内，与副塔楼最高层相对高差350 m，冷却塔位于裙房4层屋顶，且冷却塔采用开式冷却塔。考虑到空调末端、机组承压，开式冷却塔防止倒灌的问题，本塔楼水系统需在不同标高设置不同的板换进行热(冷)量交换，将热(冷)量输送到末端。本文就以副塔楼空调水系统为例，在末端设备不变的情况下，以制冷(制热)效率最优为条件分析换热板换的位置及供回水温度。

2 空调系统设计

2.1 空调水系统设计

副塔楼空调系统根据目前避难层及功能需求不同，将空调水系统分段设计：裙房系统(1层～3层)，办公低层系统(4层～10层)，办公中低层系统(12层～21层)，公寓中层系统(24层～33层)，公寓中高层系统(35层～44层)，公寓次高层系统(46层～55层)，办公高层系统(57层～64层)，泳池65层系统。办公(3层～21层)末端采用半集中式空气系统，风机盘管加新风系统，新风机组设置在22层～23层避难层，通过土建管道内衬新风管把新风送到每个楼层，末端采用风机盘管，可根据后期办公区域装修划分系统。

住宅公寓(24层～55层)及高层办公(57层～64层)采用水冷变冷媒流量多联式中央空调(VRF)系统。因公寓定位为高端公寓，业主来自全球各地，故对房间温度需求不一致，存在不同房间之间制冷制热同时进行的情况，故采用一套公寓设置一台水冷变冷媒流量多联式中央空调(VRF)系统，并将大概9层或10层上下相连的公寓室外机接到同一水循环回路中。此系统室内机侧可同时制冷制热，在大部分制冷、少数制热时，可将制冷运转过程中产生热量通过制冷剂回收用于制热；在大部分制热、小部分制冷时，可将制热过程中产生的冷量通过回收用于制冷。水侧这边室外机同时向水载体放热或吸热，故此系统即可进行冷媒侧热回收还可进行水侧热回收，实现双重热回收，更有利于节能。因冷媒管长度配置高差及长度要求[1]，主机与室内机最大高低差不大于40 m，故VRF室外机设置在22层(92 m)，34层(139 m)，45层(182 m)，56层(225 m)各个避难层，65层泳池为其他功能，单独设置风冷热泵机组。

住宅公寓新风热交换机组分别设置在避难层34层(139 m)及56层(225 m)，通过土建管井内衬风管将新鲜空气送到各个楼层，排风从公共区域收集，后期根据精装修户型送到各个房间，保证人员新风量要求。

根据空调末端设备不同，办公水系统与公寓水系统干管分开独立设置。办公(3层～21层)水系统根据建筑设计负荷计算，夏季冷水机组供回水温度7 ℃/12 ℃，冬季锅炉供回水温度60 ℃/50 ℃。因办公水系统独立控制，末端形式风盘确定，且供回水温度为国标规范[2]设置，相对恒定，在此情况下风盘的换热效率最大。

公寓及高层办公(24层～64层)(后简称公寓水系统)采用同一供回水干管系统，夏季利用开式冷却塔给水冷变冷媒流量多联式中央空调(VRF)系统室外机供冷水，冬季利用锅炉给水冷(VRF)系统室外机供热水，同时为了满足高端客户的需求，公寓设置地暖水系统。综上所述，公寓共采用两套水系统，一套供回水服务于(VRF)系统室外机,一套供回水服务于地暖系统。公寓冬季地暖供热系统本身承压不超过0.8 MPa且地暖供回水温度宜设置在35 ℃～45 ℃之间[3]，故在避难层设置热交换机组，将热源60 ℃/50 ℃高温水热交换50 ℃/40 ℃低温水，供给各层地暖末端分集水器。每个热交换机组负责两个避难层之间公寓系统的冬季热负荷，每个热交换机组二次侧水系统为独立水系统，此水系统最高与最低地暖分集水器高差在60 m左右，满足地暖承压要求及温度要求。因地暖水系统独立控制，末端形式确定，故此水系统温度设定改变对于整个水系统的运行能耗无太大影响。本文着重分析水冷VRF系统因换热板换位置高度不同，造成经过VRF室外机的水温流量不同，对系统制冷(制热)效率的影响。

2.2 水冷VRF水系统温度的设计

根据市场上某个厂家水冷变冷媒流量多联式中央空调(VRF)系统室外机实验室数据[4]分析，在水流量一定(循环水流量6 m3/h)，夏季制冷室内温度24 ℃，冬季制热室内温度18 ℃情况下，水冷VRF系统室外机的夏季制冷COP及冬季制热EER与温度之间的关系如图1,图2所示。

由图1，图2可知，VRF系统室外机适合水温在10 ℃～45 ℃之间。水冷VRF系统室外机制冷效率(COP)随进水温度的升高而降低，制热效率(EER)随进水温度的升高而升高，此流量下水温在10 ℃～50 ℃之间运行效率较高，低于或高于此温度范围效率急剧下降。水冷VRF系统室外机制冷效率(COP)在进水水温7 ℃～45 ℃之间时，值在7.1～4.1之间浮动，高于45 ℃时急剧下降；水冷VRF系统室外机制热效率EER在水温10 ℃～45 ℃之间时，值在5.1～9.1之间浮动，低于10 ℃时急剧下降。

夏季此系统有冷冻机组和冷却塔两个冷源，考虑到冷冻机组本身也需要消耗其他冷源且换算成一次能源的利用率，为了更好的节能，夏季冷源选择开式冷却塔通过换热板换直接将冷量供给水源变频多联式VRF系统室外机。冷却塔的出水温度和当地最高湿球温度有关，此项目位于杭州市，极端情况下，冷却塔夏季出水温度32 ℃，一般考虑5 ℃温差，则开式冷却塔供回水温度设定在32 ℃/37 ℃。冷却塔设置于裙房4层屋顶，VRF室外机位置远远高于4层屋顶，此冷却水需经过一次板换后再与水冷VRF室外机进行热量交换。一是为了防止冷却水系统倒灌，二是开式冷却塔中冷却水杂质较多，直接进入水冷VRF室外机换热水管，后期容易堵塞，增加检修难度。根据换热器特性[5]，若采用最小换热温差1.5 ℃，经过一次板换后冷却水供回水温度为33.5 ℃/38.5 ℃，二次板换后水系统供回水温度升为35 ℃/40 ℃。换热器承压不大于2.0 MPa,根据建筑避难层房间条件限制，故在22层(92 m)设置二次板换。一次板换后冷却水(33.5 ℃/38.5 ℃)可直接供给22层(92 m)，34层(139 m)VRF系统室外机，二次板换后冷却水(35 ℃/40 ℃)可供给45层(182 m)，56层(225 m)VRF系统室外机，由图1可知，在标准情况下，制冷时，进水温度33.5 ℃下，水冷VRF系统室外机COP为4.36，进水温度35 ℃下，水冷VRF系统COP为4.18。

冬季热源锅炉供回水温度60 ℃/50 ℃，经一次板换换热后热水管道与夏季冷却水管道共用，且此项目冬季负荷远远小于夏季负荷，冬季水流量也远远小于夏季水流量，故换热后供回水温度设计为45 ℃/40 ℃，二次换热板换与夏季系统22层(92 m)的换热板换共用，二次换热后供回水温度40 ℃/35 ℃。由图2可知，在标准情况下，制热时，进水温度40 ℃下，水冷VRF系统COP为8.33，进水温度45 ℃下，水冷VRF系统COP为8.57。

2.3 水系统冷热源设备的设计

此项目位于杭州，公寓水系统夏季计算冷负荷Ql，冬季计算冷负荷Qr，夏季根据式(1)计算板换换热量，式(2)计算夏季水流量，式(3)计算冬季板换换热量，式(4)计算冬季水流量。

Qhl=Ql(1+1/COPl)

(1)

Ll=Qhl/(thl-tgl)

(2)

Qhr=Qr(1-1/COPr)

(3)

Lr=Qhr/(tgr-thr)

(4)

夏季冷负荷高于冬季热负荷，板换换热量根据夏季负荷通过式(1)计算的结果选择容量和流量，冷却塔的换热量为Qhl。

锅炉同时为地暖和水冷变冷媒流量多联式中央空调(VRF)系统提供热量，则此锅炉供热量为Qr。此系统运行时，负荷端供热量远远小于锅炉供热量，故热水侧单独设置热水泵，且设置变频装置，根据末端可调节水流量。

水冷变冷媒流量多联式中央空调(VRF)系统单个室外机侧水板换为定流量系统，在夏季制冷或冬季制热开启时，通过室外机侧板换水流量恒定，故此单个室外机末端水管上仅设置关断阀。当末端VRF室内机负荷变化时,先通过制冷剂流量的改变来调节，再通过对进出水温度的改变来实现末端能量的变化。当室内不供冷供热时，连锁关闭水流量阀，完全关掉室外机侧供水管，防止室外机侧水空流。

为了满足水系统变流量节能需求，本塔楼9层或10层室外机为同一回路供回水系统。此回路水系统制冷时，当总回水温度上升超过额定温度时，通过调节此回路供水总管上电动调节阀降低水流量，实现水冷(VRF)系统水侧水系统变流量运行。

3 结语

1)考虑超高层建筑功能后期无序划分且单独计量的使用要求，办公采用风机盘管加新风系统，公寓采用水冷变冷媒流量多联式中央空调(VRF)系统附加地暖系统。

2)水冷变冷媒流量多联式中央空调(VRF)系统可实现双层热回收，节能效果显著。

3)在设备承压限制，分析供水方式和供水温度的不同对系统效率的影响。

4)分析此系统设计中采用的节能措施，为后续此类建筑类型水系统设计提供引导方向。