上海某办公楼 VAV 空调系统设计

王费佳

汉诺国际工程咨询（北京）有限公司上海分公司

上海属亚热带季风性气候，温和湿润，春秋较短，冬夏较长。冬季办公室常有以下体会，下午的时候，西边靠窗坐的员工觉得很热，需要开冷空调，而东边靠窗坐的员工觉得很冷，需要开热空调。产生此种现象的主要原因为太阳辐射。为确保空调设计可匹配人们实际的热舒适需求，需要对办公楼层进行负荷分析，并根据负荷差异将整个空调区域合理地划分为若干个分区，配置相应的空调末端以有效应对负荷变化。结合近年来VAV 变风量系统以其优秀的空气品质和舒适性备受高档办公楼青睐的现状，本文以上海某总部办公大楼设计方案为例，详细介绍包括办公楼负荷计算，空调分区及 VAV 空调末端选择的系统设计过程，并做相关设计总结。

1 项目简介

本项目为某集团总部楼，共有 7 个单体建筑，其中 1#-5# 楼为办公、6# 楼为研发设计室及宿舍、7# 楼为会所。本次报告主要对 1～5# 楼办公的空调形式进行详细介绍。该五栋办公楼建筑信息如下：1# 楼高 43.35 m，共十层，2# 楼高 23.95 m，共五层，3 # 楼高 19.80 m，共 4 层，4 # 楼高 36.60 m，共八层，5 # 楼高 23.95 m，共五层。

2 办公标准层负荷计算及分析

2.1 负荷模拟分析方法

本项目通过能耗模拟软件IES VE 对办公楼进行了整体建模分析，并对办公标准层的全年逐时冷热负荷进行了模拟输出，以分析其冬季外区负荷分布状况。图1 为建模图形。

图1 IES VE 建筑模型

IES VE 由英国 IES 公司开发，是英国以及欧洲大陆市场占有量最大的集成化建筑模拟分析软件之一。其通过了ASHRAE 的“建筑能耗分析软件评价测试标准”（即 ANSI/ASHRAE 140 标准），因此具有准确性和权威性。

2.2 负荷模拟输入参数

模拟软件中按本项目实际设计参数输入，具体参数如表1～2 与图2：

表1 围护结构热工性能表

表2 室内设计参数表

图2 时间表

公共建筑节能设计标准中将距外围护结构 3～5 m 的范围内划为外区，其所包围的为内区[1]，同时 ASHRAE 90.1-2013_TABLE G3.1[2]中建议内区范围为据外围护结构 5 m 外，外区为距离外围护结构 5 m 范围内。本项目依据以上规范结合对室外气象参数，围护结构热工性能及内扰影响的考虑，在内外分区建模时，以据外围护结构4 m（局部5 m）为内外区界限。

2.3 负荷计算结果

根据负荷模拟计算结果，1# 楼为例，得到供暖季节不同朝向的冷热负荷分布图（计算时间为每年11 月到次年2 月），如图3：

图3 供暖季不同朝向冷热负荷分布图

由图3 可知，外区不同的供热/供冷需求在整个供暖季都是普遍存在的现象。为具体分析办公外区从早到晚的负荷变化特性，选取了一个冬季典型日做详细分析。为更直观地查看室外天气状况对外区负荷受的影响，导出了冬季典型日室外天气参数，如图 4 所示，虚线为太阳辐射量，实线为室外干球温度。

图4 冬季典型日室外太阳辐射及干球温度曲线

该天气状况下，计算出办公外区各个朝向的冷热负荷。以1#楼（图5）为例分析，在早上7:30 时空调开始运行时，四个朝向外区均为制热需求。到9:30 时受太阳辐射的影响，在东/ 西/北区需要制热时，南区出现制冷需求。随着时间的推移南区制冷负荷先变大后变小。另外，西区受太阳辐射影响，在下午也出现了制冷需求。通过查看2～5#楼输出的负荷结果，也可以得到类似结果。

图5 1#楼外区典型日不同朝向冷热负荷

鉴于以上不同朝向外区的负荷分布结果，若采用空调箱来系统的迎合外区负荷变化，按每层设置3 台空调箱考虑，最优化设置为东向及北向设置1 台空调箱，南向单独设置1 台空调箱，西向单独设置1 台空调箱。该空调系统设置占用标准层机房面积较大，且会使各台空调箱风量不一致，并仍存在少量时段热舒适较差。故认为应对外区同时有供冷/供热需求状况，最优化的空调设计是用外区空调末端来契合负荷变化。

3 办公标空调系统设计

3.1 VAV 空调系统末端形式介绍

依据以上负荷特性，本项目办公外区适用及常用的VAV 末端形式有单风道再热末端和并联型风机动力型末端。

外区配置单风道再热型末端的VAV 系统，系统全年供冷，通过末端调节匹配各区负荷需求。夏季时，内、外区末端均送冷风。过渡季和冬季时，内区送冷风，外区的热负荷抵消了部分内热冷负荷，外区末端送冷风量调小直至系统允许的最小风量，当室温继续降低时，末端装置开启加热，提高送风温度，保证外区舒适性。该外区末端装置构造简单、体积小、价格便宜，系统运行时噪声底，但存在冷、热混合损失现象，小风量运行时室内气流组织较差。

外区配置并联型风机动力型末端的 VAV 系统，统全年供冷，通过末端调节匹配各区负荷需求。夏季时，内、外区末端均送冷风。过渡季和冬季时，内区送冷风，外区末端送冷风量调小直至系统允许的最小风量，在供冷小风量时，为改善室内气流组织，末端配置的风机运行，抽取吊顶内二次风，与系统一次风混合后送入外区。该外区末端能有效改善室内气流组织分布，但其仍存在冷、热混合损失现象，且初投资高，内置的风机还增加了能耗及噪声。

3.2 VAV 空调系统末端选型计算

办公外区的 VAV 末端形式与冬季外围护结构的热负荷量有关，本项目以 1# 楼为例，得到其外围护结构的热负荷量如表3 所示：

表3 外围护结构的热负荷量表

末端加热量估算如下[3]：

1#楼外区进深 4 m，办公送风量约 30 m3/h/m2，则每米外区设计送风量G0=1×4×30=120 m3/h。

每米外区加热量：Q=1.01×ρ×G×ΔT，其中ρ为空气密度，G为外区每米送风量，ΔT为热风送风温差（按 8 ℃）。

单风道末端供热时，送风量设置为最大风量的 30%～50%[4]。

并联式风机动力型末端供热时，一次风最小风量运行（约为最大风量的 30%），内置风机风量一般为最 大风量的60%，其总送风量可达最大送风量的90%。

单风道末端加热量=1.01×1.2×(30%～50%)×120/3600×8×1000=97～162 W/m

并联式风机动力型末端加热量=1.01×1.2×(90%×96)/3600×8×1000=290 W/m

如上计算可知，办公外区采用单风道再热末端，可满足舒适性需求，但冬季需调整其最小送风量需为最大风量的 50%。将末端最小新风比由 30%提高到 50%，会使这些末端装置所服务区域过早地成为“过冷再热”区域，再热的冷热混合损失将增加70%。

3.3 VAV 空调末端形式经济性比较

3.3.1 初投资估算

以 1# 楼标准层外区空调末端配置为例，并联式风机动力型末端+再热盘管与单风道+再热盘管的初投资对比如表4。

表4 末端初投资对比表

由表 4 可知，并联动力型再热系统比单风道再热系统每个办公标准层（面积约 1350 m2）多增加4.62 万元初投资。

3.3.2 冷热混合损失计算

图6 为冬季设计工况下，内区送风空气处理焓湿图。办公内区常年供冷，室内负荷来源主要为人员，灯光及设备，负荷较为稳定。如图所示，室外新风由新风机组预热并通过高压微雾等焓加湿度至干球温度 7.7 ℃，相对湿度90%后送入空调箱与室内回风混合后降温至送风点（干球温度为12.3 ℃）送出。本文以理论定性分析为主，以上空气处理过程未考虑管道及风机温升。且实际冬季运行会适当提升内区送风温度。

图6 冬季内区空气处理过程图

当外区有再热需求时，外区回风需回到空调箱被制冷后再送至外区VAV BOX，故存在过冷量=1.01×外区送风量×(混风温度-送风温度)。同时，冷风到达外区后，再热盘管需把该过冷的送风进行再热，存在再热热量损耗（等于过冷量）。其中，由内区空气处理过程得混风温度为17.4 ℃，送风温度为12.3 ℃。

则办公标准层冷热混合损失估算如下：

过冷损失能耗量=1.01×1.2×30%×Gw×(Tc-Ts)×h×(1+70%)

再热损失能耗=过冷损失能耗

其中Gw为标准层外区送风量=外区面积×30 m3/h/m2=17364 m3/h=4.82 m3/s；Tc=17.4 ℃；Ts=12.3 ℃；依据逐时负荷计算，供暖季再热时长h约为240 h；最小新风比由 30%提高到 50%，冷热混合损失将增加 70%。

由以上数据可得：供暖季过冷损失能耗量=再热损失能耗=3647 kWh

3.3.3 冷热混合损失能耗费用估算

过冷损失能耗费用=过冷损失能耗量÷ 制冷系统制冷性能系数×电价

本项目制冷采用离心式水冷机组，依据公共建筑节能设计标准，夏热冬冷地区电冷源综合制冷性能系数不小于4.6。考虑冷水泵能耗，结合项目经验，制冷系统制冷性能系数约为4.2。上海单一制工商业及其他用电中10 kV 电价为1.08 元/kWh。

故，办公标准层过冷损失能耗费用=3647÷ 4.2×1.08=938 元。

再热损失能耗费用=再热损失能耗量÷ 制热系统效率÷ 天然气燃烧热值×燃气价格

本项目制热采用燃气热水锅炉，锅炉效率大于 90%，考虑输送能耗及损失，制热系统效率约为 85%，天然气燃烧热值约为 8190 大卡/m3（9.5 kWh/m3）。上海燃气的价格为 3.82 元/m3（自2019 年5 月1 日起开始执行）。

故，办公标准层再热损失能耗费用=3647÷ 85%÷ 9.5×3.82=1725 元。

综上可得，办公标准层冷热混合损失能耗费用约为938+1725=2663 元。

已知本项目并联式风机动力型末端较单风道末端每层多增加4.62 万元初投资，并联式风机动力型末端每层每年可减少冷热混合损失造成的运行费用 2663 元，其静态投资回收期约为 17 年，若考虑并联式风机动力型末端内置风机增加的能耗，其投资回报期可能更长。故从经济性角度，本项目外区优先考虑采用单风道再热末端。

4 优化设计方案

本项目经舒适性及经济性比较，最终采用了内区单风道变风量末端，外区单风道变风量末端装置带再热盘管的系统形式。

由以上设计过程可知，本项目选用的单风道再热系统存在一个主要问题为冬季外区再热时的冷热抵消。依据其产生的原因，建议以下两种方法优化系统设置。

建议1：设置外区温度高于内区[3]

如图 7 所示，若外区温度设置高区内区，在热压差作用下，外区上部的热空气将进入内区，内区下部的冷空气也会进入外区，该状况下，加大了外区制热需求以及内区制冷需求，冷热混合损失增大。反之，若外区温度设置低于内区，残生反向气流循环，外区制热需求及内区制冷需求均减小，可获得混合得益。

图7 混合损失及混合得益示意图

建议2：优化末端控制方式

为满足外区舒适度需求，本项目将外区末端最小新风比由30%提高到50%，增加了冷热混合损失。若优化末端控制方式，在再热盘管未开启时，使末端送风量随负荷变化，但同时满足最小送风量需求。另，当检测到再热盘管开启后，保持最高送风温度，根据室内温度要求增大送风量，直至供热最大风量（50%设备最大风量）。

5 结论及建议

对于冬季外区存在同时供冷供热需求的项目，当采用 VAV 空调系统时，若外围护结构热负荷小于 200 W/m2，建议采用内区单风道，外区单风道带再热盘管的空调系统，同时通过设置外区温度高于内区及优化系统末端控制方式进一步节省运行费用。