北京科学中心空调系统运行问题与分析

都旭超 孟凡兵

1 北京科学中心

2 中国航空规划设计研究总院有限公司

随着人民生活水平的日°C提高，舒适性空调系统的使用越来越普遍，然而有许多空调系统自安装完毕到竣工验收投入使用后就带病运行，不乏有一些重点工程、绿色建筑、优秀建筑也存在此类问题。由于过程管控不严，验收流于形式，调适缺失或不到位，最终影响使用效果，带病运行，造成投资浪费和能耗较高。特别是对于一些大型公共建筑，若想使空调系统发挥好作用，实现节能运行，在设计、订货、安装、调试、调适、运行等每个环节都应认真对待，空调系统的调试并非仅开机能运转、填报验收即可，而是从源头到末端系统的有序调适，严格控制过程细节是系统发挥实效的关键因素。

1 工程及空调系统概况

北京科学中心为原中国科学技术馆，在原建筑基础上进行了装修改造，工程于2018 年3 月通过竣工验收，于2018 年9 月正式对外开放运行。项目总建筑面积为43504 m2，其中：A 馆22592 m2、B 馆3823 m2。A馆为主展馆（图1），主要功能是展厅，地下一层，地上5层，建筑高度45 m，每层的建筑面积为：地下一层4265 m2、一层4055 m2、二层4150 m2、三层4090 m2、四层2607 m2、五层1464 m2。地下一层至四层层高均为7 m，五层的层高从7 m 到14 m 不等，成旋转上升形，从地下一层到五层上下空间连通。

图1 A 馆外景

A、B 馆设集中冷源，位于A 馆地下一层设置制冷机房内，总冷负荷3000 kW。机房内设置两台制冷量为1330 kW 和一台662 kW 的水冷螺杆式冷水机组，设置3 台立式离心冷冻水循环泵与1330 kW 冷水机对应，两用一备。设置两台立式离心冷冻水循环泵与662 kW 冷水机对应，一用一备。

空调冷冻水供回水温度为7/12°C，水系统为一级泵闭式循环系统，采用二管制水系统。冷源侧采用定流量运行，总供回水管之间设压差控制旁通阀。负荷侧空调机组末端设动态平衡电动调节阀，风机盘管设电动两通开关阀，负荷侧为变流量运行。建筑物内各层水系统设计为异程式，各层风机盘管支管回水管上设自力式动态压差平衡阀，以实现系统动态水力平衡。空调冷、热水系统的补水、定压、脱气装置设置在5层夹层内，系统设真空脱气机排除系统内气体。

其中A 馆，地下一层至四层，每层有两个空调机房，五层有一个空调机房。各层空调均为全空气系统，采用一次回风，过渡季可实现全新风运行，空调机组水管设计有动态平衡电动调节阀，可根据室温自动调节。图2 为A 馆空调水系统原理图。

图2 A 馆空调水系统原理图

2 夏季运行中的问题

1）上下层出现明显温度梯度。夏季A 馆空调系统运行时，出现地下一层到三层温度偏低，经实测展厅温度约22～24°C，四层在25～26°C较适宜，五层非常热，展厅温度达到30°C，影响使用。

2）各风口送风温差小。各层实测空调送风口温度和室温见表1（室内设计温度为26°C，6 月某日14:00点、7 月某日14:00 点、8 月某日15:00 点的室外温度分别为35°C、37°C、33°C）。

表1 夏季A 馆各层空调送风口温度和展厅内的测量

3 问题分析

针对出现的问题，北京科学中心的后勤保障部组织原项目的设计、施工、物业公司等相关人员共同进行了商讨。

经核查设计图纸，制冷机组总冷量满足计算负荷需求且有一定裕量，水系统配置满足计算和规范要求。

问题最为突出的五层展厅的空调机房内设置了一台风量为20000～30000 m3/h 的空调机组，该机组为双速风机，低速时为20000 m3/h，供冷量为185 kW，单位建筑面积冷负荷指标115 W/m2，空调面积冷指标为155 W/m2，经核算满足理论计算负荷且有一定裕量。风机压头、水管管径、风管等末端装置符合规范要求，且风系统阀门开关状态正确。

经相关人员进行现场查看，发现空调系统存在如下问题：

1）位于屋顶空调系统的高位定压水箱内水位见底，整个空调系统水压低，在五层空调机房回水管水未充满，出现倒空现象，影响空调机组的供冷效果。

2）软化水补水系统自动控制失灵，不能实现自动补水。但现场记录本上的每日例行检查签字正常。

3）五层空调机组设计为双速风机，分为高速和低速两档。经现场了解和发现，自系统安装完完毕后始终开启低速档运行，未根据室内外环境的需求自动调速，自控系统失灵。在室内负荷较大时，须开启高速模式，以保证送风量。

4）冷水机组冷冻水设计温度为7/12°C，经询问现场运行人员，平时大多开启一台1330 kW 的冷水机组，机组的供水温度设定为10°C，基本没有调整过，每日按时开关机。始终把另外机组当备用机组，担心开启两台或多台机组会引起管道超压漏水。问题在于机组设定的供水温度偏高，且冷水机组开机台数仅1 台，导致天气较热时供冷不足，影响空调机组供冷效果。

5）机房群控自动化设施未正常投入使用过，平时由运行人员手动开启和设定。运行人员根据直观判断认为一至四层空调很凉了，一台制冷机组够用了，认为五层较热是因空调机组小和送风口出了问题。

6）整个空调的水系统平衡缺少调试和调适，经询问，工程竣工后，虽经顺利验收，整个空调系统未进行有效的有负荷联动调试，也未能根据工况变化进行调适。由于地下一层～三层空调机组离制冷站较近，发现空调机房内冷冻水供回水管上阀门全部打开，未进行水力平衡调试，导致此几层的冷冻水流量过大。五层较远，出现冷冻水流量严重不足，甚至出现倒空，导致夏季时地下一层～三层空调的温度较低，五层出现过热现象。

7）A 馆所有空调机组的水阀均处于手动开启状态，且旁通阀打开，电动温控阀失灵，BA 系统未启用，进而加剧了五层冷水供应不足，另外电动温控阀与设计的动态平衡电动调节阀存在差异，不具备自动平衡功能。

8）低层区域送风温差过小，风量过大，造成过冷和风机能耗过大，应根据室温及时调整风机风速，使送风温差满足规范要求[1]，同时减少能源浪费[2]。

9）冬季运行并未反应冷热问题，因为开馆时间在9 月份，经过短暂的过渡季很快进入冬季，A 馆是上下连通的大空间建筑，受热压作用形成烟囱效应，只要底层（加上有散热器）和低区供热足够，热空气上浮，即便五层空调风量很小和水量不足，室温也会很高。夏季冷空气是下沉，五层应加大供冷量，下几层应减少供冷量，与冬季正相反。

4 问题的解决

针对以上问题，设计方结合现场实际情况与工作组共同进行了分析并给出了解决方案和措施，后勤保障部及物业公司及时进行了调整，调整过程如下：

1）保证A 馆空调系统运行时水系统的压力，对顶层的定压水箱及时进行了补水，并让物业运行人员每天定期检查水箱水位情况，做到及时补水。

2）进一步完善定压补水自动监控系统，实现高低水位报警和自动补水。

3）根据室外气象条件，及时对冷水机组供水温度进行调整，优化冷水机组和冷冻泵的运行台数，保证冷冻水供水温度和流量，完善机房群控系统，不仅保证了冷冻水的供给，而且进一步实现优化节能运行。

4）及时根据室内负荷状态对空调机组的送风量进行调整，空调机组为双速风机，根据负荷需求调整高、低速。尤其是五层区域，冬季和夏季不同工况，受屋面负荷和大空间热压作用，存在较大差异，及时调整空调机组风量。

5）对水系统进行平衡调试，结合现场实际情况，根据末端阻力，压差和供回水温差逐层有序调整阀门开度，做到层间相平衡，从而避免低区过流，供回水温差过小，进而修正回水温度，避免由于回水温度较低，冷水机组误判末端负荷较小，造成仅开启一台冷水机组，不能满足实际需求，影响舒适。

6）关闭所有空调机组水管内旁通阀，完善自动温控阀，实现自动调节功能，进一步更换控制阀，实现动态平衡。

5 小结

1）经过上述调整后，对A 馆室内温度进行了重新测试，各层空间人员活动区域温度在25～26°C，满足了舒适性需求。

2）设计、建造、安装是投入过程，运行调试非常重要，空调系统的调试并非仅开机运转即可，而是从主机到末端系统有机调适。同时要加强系统运行中各项工作，如：做好运行记录，定时检查关键设备的运行状况，并责任到人。系统停用后，要按规定进行保养，如：进行反复冲洗，阀杆阀门黄油保护等工作。根据系统特点制定各种方案和操作规程，做好系统运行事前计划、事中控制、事后保养等工作。

3）调试不等于调适，空调系统的运行应通过调适，满足各个工况的自适应运行，同时系统运行随工况变化大时要及时调适。

4）对于大空间上下连通的建筑，冬季受热压作用，夏季受屋面负荷和温度梯度自然分层的影响[3]，同时结合大空间内部面积和功能使用的实际情况，及时调整空调系统运行工况。

5）水系统的静态和动态水力平衡是空调系统正常运行的关键因素，系统不平衡，会造成系统各管路、设备流量不合理分配，出现不同空调区域产生冷热不均等现象，影响舒适度，而且造成输送能耗浪费。

6）自动控制系统是高投入系统，应注重点对点，有效控制，使自控系统发挥作用，避免成为摆设，运行人员凭感觉运行。

7）加强对物业运行人员的技术培训工作，空调系统运行前，让物业运行人员熟悉系统竣工图纸、产品说明书等技术资料，必要时请设计人员讲解设计意图。掌握系统的流程，管道的走向与布局，阀门的分布，设备的型号，规格和数量等以及风管系统走向和布局。熟悉冷水机组、水泵、空调机组等设备的性能与有关技术参数，对于一些专业设备邀请厂家专业人员一同进行调试。同时根据空调系统的大小，特点，编制调试计划，计划的内容应说明调试的目的，项目、方法、进度和人员情况等[4]。

通过本工程案例，深刻认识到设计、施工、监管运行调试与调适以及物业运维管理有机结合的重要性。如果各个环节过程管控不利，造成事倍功半，验收变成形式，从而影响使用效果，造成能量浪费。

在今后的工程中，我们应吸取教训，不以用户投诉为唯一检验标准，提高过程把控，加强调试调适和维护管理，使设计理念落到实效，使投入的设备技术发挥功效。