无锡国际会议中心项目空调系统节能设计研究

徐啸

（清华大学建筑设计研究院有限公司）

1 无锡国际会议中心项目概况：

本项目位于无锡市尚贤河湿地公园东侧，南临清晏路，北接震泽路，东边为清舒道，总建筑面积116693平方米，其中地上67882平方米，地下48811平方米。本项目地上5层，主要功能为宴会厅、多功能厅、报告厅、大会堂、会议室，地下1层，主要功能为地下车库及设备用房。

上图为功能示意，其中北侧宴会厅、多功能厅，中间是中央大堂，南侧左边是报告厅，南侧右边是会议区。

2 空调系统介绍

2.1 空调负荷

本项目夏季空调冷负荷为11048kW，单位空调面积冷指标为211 W/m2；冬季空调热负荷为5045 kW，单位采暖面积热指标为96 W/m2.

2.2 冷热源系统

2.2.1 冷源：

空调系统夏季集中冷源设置在地下一层制冷机房内，选用3台离心式水冷冷水机组,单台制冷量为3340 kW（950RT），1台磁悬浮离心式水冷冷水机组,制冷量为1935 kW（550RT），冷冻水供回水温度为6/12 ℃。冷冻水采用一次泵变流量系统，水泵变频运行。

会议区存在空调内区，过渡季及冬季，采用冷却塔供冷，制冷机房内设置板式换热器，与冷却水进行换热。

2.2.2 热源

冬季热源为地下一层自建锅炉房。采用3台制热量1750 kW的燃气真空热水锅炉，供回水温度为60/50 ℃，供空调热水系统使用。

2.3 空调系统

2.3.1 多功能厅、宴会厅、中央大堂、序厅、大型会议区采用一次回风全空气系统，送风采用侧送、顶送，回风采用下回、顶回，保证室内气流组织均匀合理，满足室内热舒适要求。排风经由排风机排至室外，通过排风机变频实现与新风量变化的匹配。

2.3.2 大会堂、报告厅采用二次回风全空气系统，楼座及池座采用座椅送风，回风采用侧回风。排风经由排风机排至室外，通过排风机变频实现与新风量变化的匹配。

楼座及池座以置换通风原理为设计依据，采用座椅下送风、侧回风的空调形式，排风经由排风机排至室外，通过排风机变频实现与新风量变化的匹配。经空调机组处理后的空气送入地面下的静压箱内，通过座椅送风柱送入观众区，吸收人体散发的热、湿负荷后由观众厅高处侧向排风口排出，送风速度小于0.5 m/s，人员头部与足部温差不大于3 ℃。座椅送风静压箱内宜做隔声、吸声处理。

大会堂舞台采用全空气空调系统，空调机组设置于空调机房内。送风形式为侧送侧回。

2.3.3 办公用房、中小型会议区采用风机盘管加热回收式新风机组的空调方式。风机盘管均为卧式暗装，新风机组按照防火分区分层设置，通过送风管道送至空调区域。

2.3.4 地面辐射供冷供暖系统（后续重点分析）

本项目在中央大堂设置地面辐射系统，夏季供冷、冬季供暖。采用地面辐射供冷供暖系统，可减小室内温度梯度、提高热舒适性，减少冷热负荷、减小全空气系统容量、降低运行能耗。

2.4 空调水系统

空调冷热水系统为一次泵变流量系统，夏季供回水温度6/12 ℃，冬季供回水温度60/50 ℃，系统工作压力1.0 MPa。冷冻泵为变频泵，冷却水泵为定频泵。冷却塔风机变频运行。

3 本工程采用的适宜的节能技术

3.1 冷水机组采用3大1小的组合形式，小冷机为磁悬浮离心式水冷冷水机组。

磁悬浮冷水机组与普通的冷水机组相比，可以大幅度减少能耗，其名义工况下的COP值可以达到国家冷水机组1级能效，IPLV值可达到8～9，节能效果明显。方案之初讨论时，也考虑过冰蓄冷系统，但首先冰蓄冷系统并不节能，只是利用了峰谷电价差，节省了运行费用，其次冰蓄冷系统机房占地面积大，占用了地下车库的面积，显著降低了业主的经济效益，第三，初投资较普通冷水机组系统增加很大，约2倍左右，最后也是最重要的，冰蓄冷系统调控困难，其放冷和蓄冷速度开始时较快，到后期越来越慢，最后有相当一部分冷量无法使用，因此很多项目将制冰主机和蓄冰槽选的非常大，而且由于此问题，蓄冰时间通常要12小时以上，已经超出了谷时电价，经济性也得不到保证。因此，考虑到实际效果及成本需求，我认为采用冷水机组作为冷源是适合本项目的。

3.2 中央大堂采用地面辐射供冷供暖系统（此部分作为重点，后面详细讨论）。

3.3 通过遮阳，减少太阳辐射得热，提升热舒适。

中央大堂顶部为透明玻璃幕墙，太阳辐射得热巨大，因此考虑屋顶设置太阳能光伏发电系统，可并网发电。光伏板为透明形式，几乎不影响采光效果，如下图所示。

3.4 结合消防自然排烟要求，屋顶设置可开启的天窗面积达到地面面积的25 %，过渡季节加强自然通风，进入室内的阳光最终转化为热量，由于热气上浮，热量将堆积在顶部。通过促进自然通风，带走顶部堆积的热量。根据负荷计算，中央大堂夏季空调负荷1470 kW，现有开口面积可保证通风量1070000 m3/h，换气次数约4.5次，维持进出口温差6 ℃。

3.5 空调内区采用冷却塔供冷。本项目会议区存在空调内区，过渡季及冬季，可采用冷却塔供冷，制冷机房内设置板式换热器，与冷却水进行换热。会议区采用分区2管制空调水系统，空调内区冷源为1台小冷却塔，冬季使用时通过板换提供9/14 ℃空调水。

3.6 大空间采用分层空调技术。中央大堂高18.5米，顶部是幕墙，无法安装风管，因此考虑采用侧向送风，下部回风的形式。送风口设置于距地6米高度，结合精装效果风口为球形喷口，直径630 mm，风口数量75个（每跨4个均匀布置），回风口设置于地面附近，采用双层百叶形式并结合精装效果调整其外形尺寸。

3.7 新风排风采用热回收装置。

4 本项目技术难点

本项目内部存在中央大堂，连接北侧多功能厅及南侧大会堂，地面面积约5800平方米，高度18.5米，顶部为透明玻璃屋面，东西两侧均为玻璃幕墙。

采用天正暖通T20版本进行空调负荷计算，得出此区域夏季空调冷负荷为1470 kW，其中屋面及东西幕墙的冷负荷为1173 kW，根据此冷负荷，计算送风量：

室内状态点：干球温度25 ℃，相对湿度50 %，采用8度送风温差，得出送风量480000 m3/h，按照单台空调机组送风量不大于80000 m3/h考虑，需要设置6台全空气空调机组，每台空调机组电功率为75 kW，无锡地区2020年商业电价0.67元，夏季空调开启时间暂按6月～9月，每天8:00～18:00，则年运行费用为361800元，单位面积空调电耗93 kWh/m2.a。

其区域属于高大空间，空调系统投资大、运行费用高，达到了普通公建的2倍，因此必须要降低其能耗。

5 解决方案

5.1 负荷分析

分析夏季空调负荷的组成可以看出，太阳辐射占总负荷的80 %，此区域的空调负荷主要来自于太阳辐射，因此减少太阳辐射得热尤为重要。

5.2 技术方案

采用地板辐射供冷+全空气空调系统的组合形式为中央大堂供冷。地面辐射供冷系统供回水由冷水机组提供，经板换后供回水温为16/19 °，地板辐射管材采用PB管，管径为DN20，管间距200 mm，系统方案如下图：

此系统优点是：

1）用辐射水系统代替一部分全空气系统，减少了空调机组装机容量，降低了风机功耗；

2）相对于空气来说，以水作为媒介的输配能耗大幅度降低，约为输送空气能耗的20 %；

3）辐射代替对流换热，减少了换热环节，提高了空调换热效率；

4）采用地板辐射系统，夏季室内温度设定可提高2度，冬季可降低2度，因此室内空调冷热负荷降低，提高了室内热舒适性的同时也降低了空调能耗。

5）中央大堂冬季考虑采暖形式为地板采暖，因此利用此系统进行夏季供冷并未造成投资增加。

下图是地板辐射供冷量的统计，从中可以看出太阳直射区域可以达到120 W/m2以上，非太阳直射区域可达到50 W/m2以上

根据以上条件重新进行风量计算：

室内状态点：干球温度27 ℃，相对湿度50 %，采用10度送风温差，由于提高了室内设计温度，而且地面辐射供冷负担了部分冷负荷，空调室内负荷减少为1180 kW，计算得出送风量360000 m3/h，按照单台空调机组送风量不大于60000 m3/h考虑，需要设置6台全空气空调机组，每台空调机组电功率为50 kW，无锡地区2020年商业电价0.67元，夏季空调开启时间暂按6月～9月，每天8:00～18:00，则年运行费用为241200元。

但由于增加了地板辐射系统，需要增设板换及循环水泵，因此需要计算水泵的功耗15 kW，循环水泵的年运行费用为12060元。

因此此系统年运行总费用为241200+12060=253260元，单位面积空调电耗65 kWh/m2.a。

把以上两种系统形式列表对比如下：

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通过对比可以看出，采用地板辐射供冷后，运行费用比之前节省了30 %。

5.3 采用此系统也有隐患，需要注意防结露问题，因此需进行防结露验算：

室内设计温度为27 ℃，相对湿度50 %，露点温度为15.5 ℃

空调送风温度为17 ℃，地板表面温度为22 ℃，无结露危险。

实际工程设计中，我发现在中央大堂东西两侧门口附近有结露危险，因此采用以下2项措施：

1）在门口处设空气幕，阻止室外高温高湿空气侵入室内；

2）距离门口6～8米处尽量不辐射供冷盘管。

5.4 运行策略

当负荷较小或室内人数较少时（少于400人），应优先采用地面辐射供冷形式，随着室外温度升高、内部人员数量增加时，湿负荷逐渐增加，此时需要逐步开启全空气机组，利用对流换热才能消除湿负荷。

6 验证过程

为验证以上设计过程，采用CFD模拟软件对中央大堂的热环境进行模拟计算

模型建立条件如下：

大堂空调机组所承担负荷为1180 kW，总送风量360000 m3/h，送风温度19 ℃，

风口采用球形喷口，直径630 mm，风口数量75个，每个风口送风量4800 m3/h，均匀布置

送风口距地6.3米，回风口采用同侧下部回风，距地0.5米。

通过模拟计算分析，可以看出距地1.5高度，温度为24～26度，达到设计要求，满足人员舒适度要求。

通过模拟计算分析，可以看出距地6.3高度，温度为24～27度，虽然局部温度略高，但不在人员活动区，因此对人员舒适度没有影响。

通过模拟计算分析，可以看出临近地面区域，温度为22～26度，达到设计要求，满足人员舒适度要求。上部温度较高，是由于没有考虑顶部排风，当开启天窗后，情况会有改善。

通过模拟计算分析，可以看出临近地面区域，温度为22～24度，达到设计要求，满足人员舒适度要求。上部温度较高，是由于没有考虑顶部排风，当开启天窗后，情况会有改善。

由以上结果可看出，夏季总体温度分布均匀，横向温差基本在2 ℃左右，结果可以接受，同时也证明了设计的合理性。

模拟计算同时包含了冬季室温情况：

通过模拟计算分析，可以看出距地1.5米高度区域，温度为21～23度，达到设计要求，满足人员舒适度要求。

通过模拟计算分析，可以看处距地6.3米高度，温度为20～23度，达到设计要求，满足人员舒适度要求。

通过模拟计算分析，可以看出临近地面区域，温度为21～23度，说明热风可以送达人员活动动区域，达到设计要求，满足人员舒适度要求。

通过模拟计算分析，可以看出临近地面区域，温度为21～23度，说明热风可以送达人员活动动区域，达到设计要求，满足人员舒适度要求。

由以上结果可看出，冬季总体温度分布均匀，横向温差基本在2 ℃左右，结果可以接受，同时也证明了设计的合理性。

7 结论

综上所述，中央大堂区域夏季冷负荷中，太阳辐射所占比例较大，采用地板供冷+全空气机组的形式较为合理，不仅节省了投资，同时也减少了运行费用。在以上设计过程中，我主要起到的作用是带领团队、分析难点、解决困难。通过以上分析，希望为类似建筑空调系统的设计提供一些参考，目前工程尚未竣工，我将进一步跟踪该项目空调系统的实施及建成后的能耗统计工作，实际验证效果，为设计工作积累更多的经验，促进暖通空调新技术新思路在实际工程中的推广和应用。

今后工作展望：暖通空调技术正在经历不断的进步，节能环保、可持续发展将是永恒的发展主题，特别是今年提出的“碳达峰、碳中和”理论。今后本人的工作重心依然是全过程的暖通设计，从方案设计到施工图的执行，再到后期运行效果，在每个环节上，都尽力做到深钻细研，把控重点要点，做到一个技术带头人应尽的义务。