溫濕度獨立控制空調(diào)系統(tǒng)在某高層寫字樓中的應(yīng)用

陳偉青，張良明，金紅波，丘 陵

( 廣州瀚華建筑設(shè)計有限公司，廣州 510665 )

引言

近年來，隨著中國經(jīng)濟的突飛猛進，GDP的增長，“節(jié)能減排”、“可持續(xù)發(fā)展”也越來越得到了人們的重視?！笆濉币?guī)劃中明確了節(jié)能減排目標(biāo)，指出到“十二五”期末，全國實現(xiàn)節(jié)約能源6.7億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，其中建筑節(jié)能需形成1.16億噸標(biāo)準(zhǔn)煤節(jié)能能力，占到了總節(jié)能目標(biāo)的17%。中央空調(diào)系統(tǒng)耗電一般占建筑總耗電的40%～60%，要降低建筑能耗，空調(diào)系統(tǒng)作為建筑的用能大戶，其節(jié)能減排理應(yīng)首當(dāng)其沖。

溫濕度獨立控制空調(diào)系統(tǒng)是一種新型的空調(diào)系統(tǒng)形式，該系統(tǒng)利用高溫冷源控制室內(nèi)溫度，利用經(jīng)過除濕處理的新風(fēng)控制室內(nèi)濕度，可以避免常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)中熱濕聯(lián)合處理造成的能耗損失，并且可以利用天然冷源或者高溫冷水機組制冷，從而帶來良好的節(jié)能效果；該系統(tǒng)溫度控制末端處于干工況運行，不會有潮濕表面滋生細(xì)菌、霉菌，提高了室內(nèi)空氣品質(zhì)[1]。筆者在廣州某高層寫字樓中設(shè)計采用了溫濕度獨立控制空調(diào)系統(tǒng)，并在設(shè)計過程中積累了一些經(jīng)驗、體會，希望能夠與廣大設(shè)計師和研究人員共同探討。

1 工程概況

本寫字樓位于廣東省廣州市，總建筑面積約13萬m2，建筑物總高度159.8m，屬于超高層建筑，地面建筑共計35層，地下3層。地下三層為機動車庫、非機動車庫及設(shè)備用房，其中制冷機房位于地下一層。地上部分，首層為商業(yè)及大堂配套設(shè)施，二層至六層為餐飲功能，七層、二十二層為設(shè)備層兼避難層，其余均為純寫字樓功能。

其中，F(xiàn)8～F35層的辦公區(qū)域采用了溫濕度獨立控制空調(diào)系統(tǒng)，該區(qū)域總空調(diào)面積約為65000m2，本文主要針對該部分空調(diào)區(qū)域的系統(tǒng)設(shè)計方法進行闡述。

2 空調(diào)設(shè)計參數(shù)與負(fù)荷計算

考慮到南方地區(qū)近期冬季頻繁出現(xiàn)低溫天氣，在空調(diào)設(shè)計時同時考慮夏季供冷與冬季供暖工況?？照{(diào)區(qū)域冬夏季室內(nèi)參數(shù)要求見表1，夏季室內(nèi)設(shè)計參數(shù)取26℃，55%。

在溫濕度獨立控制空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計時，需將室內(nèi)顯熱負(fù)荷與潛熱負(fù)荷分開計算。系統(tǒng)冷熱負(fù)荷計算結(jié)果如表2。

表1 室內(nèi)設(shè)計參數(shù)要求

夏季冬季干球溫度(℃)相對濕度(%)干球溫度(℃)相對濕度(%)25～2740～60 >2040～55

表2 系統(tǒng)冷熱負(fù)荷(單位:kW)

夏季室內(nèi)顯熱負(fù)荷室內(nèi)潛熱負(fù)荷新風(fēng)冷負(fù)荷70347855100冬季室內(nèi)熱負(fù)荷新風(fēng)熱負(fù)荷2672850

3 暖通新規(guī)范中關(guān)于溫濕度獨立控制系統(tǒng)的設(shè)計要求

《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范GB50736-2012》增加了溫濕度獨立控制空調(diào)系統(tǒng)的內(nèi)容，并對該系統(tǒng)的設(shè)計方法給出了指導(dǎo)意見。

1)條文7.3.14指出：空調(diào)區(qū)散濕量較小且技術(shù)經(jīng)濟合理時，宜采用溫濕度獨立控制空調(diào)系統(tǒng)。該條文說明指出：空調(diào)區(qū)散濕量較小的情況，一般指空調(diào)區(qū)單位面積的散濕量不超過30g/(m2·h)。

該項目人員密度約為0.16人/m2，室內(nèi)設(shè)計溫度為26℃，人均產(chǎn)濕量取109g/(h·人)，則單位面積產(chǎn)濕量為0.16×109=17.4g/(m2·h)<30g/(m2·h)，滿足規(guī)范要求。

2)7.3.15(2)條文說明中指出：當(dāng)室外新風(fēng)濕球溫度對應(yīng)的絕對含濕量低于要求的新風(fēng)送風(fēng)含濕量時，宜采用直接蒸發(fā)冷卻方式處理新風(fēng)；當(dāng)室外新風(fēng)露點溫度低于要求的新風(fēng)送風(fēng)露點溫度時，宜采用間接蒸發(fā)冷卻方式處理新風(fēng)；當(dāng)室外新風(fēng)露點高于要求的新風(fēng)送風(fēng)露點時，宜采用冷凝除溫、轉(zhuǎn)輪除濕或溶液除濕等。

廣州地區(qū)的室外新風(fēng)露點高于要求的新風(fēng)送風(fēng)露點，因此在除濕方式選擇時主要考慮冷凝除溫、轉(zhuǎn)輪除濕或溶液除濕三種方式。

7.3.15(3)條文說明中提到：采用冷卻除濕方式時，由于除濕空氣需被冷卻到露點溫度以下，才能除去冷凝水。為滿足新風(fēng)的送風(fēng)要求，除濕后的新風(fēng)需進行再熱處理后送到空調(diào)去，造成冷熱抵消現(xiàn)象，增加了系統(tǒng)能耗。轉(zhuǎn)輪除濕則需要依靠蒸汽或電再生，能耗相比冷卻除濕更大；溶液調(diào)濕的送風(fēng)相對濕度在55%～70%之間，送風(fēng)含濕量可做到4～8g/kg[2]，能夠滿足使用要求，送風(fēng)不需要再熱，溶液再生采用冷凝器排熱，不需要額外消耗蒸汽或電能，能耗較小。因此，筆者在本項目中，濕度控制系統(tǒng)選擇了溶液除濕方式。

3)條文8.5.1(3)指出：采用溫濕度獨立控制空調(diào)系統(tǒng)時，負(fù)擔(dān)顯熱的冷水機組的空調(diào)供水溫度不宜低于16℃；當(dāng)采用強制對流末端設(shè)備時，空調(diào)冷水供回水溫差不宜小于5℃。

條文中要求冷機的供水溫度不低于16℃，主要是為防止室內(nèi)末端結(jié)露。但是，當(dāng)室內(nèi)末端采用干式風(fēng)機盤管時，室內(nèi)末端是否結(jié)露不僅與供水溫度相關(guān)，也與室內(nèi)設(shè)計參數(shù)、盤管性能等因素相關(guān)。如果不考慮這些因素就將冷水供水溫度確定為16℃，盤管單位風(fēng)量供冷量較低，會增加室內(nèi)盤管數(shù)量與風(fēng)量，盤管造價、室內(nèi)噪音也隨之增加。因此，冷水機組供水溫度宜根據(jù)項目具體情況確定。

本項目室內(nèi)設(shè)計參數(shù)為26℃，55%，對應(yīng)露點溫度為16.3℃，濕球溫度為19.5℃，末端采用干式風(fēng)機盤管。盤管從由干工況到濕工況必然存在一個臨界工況，該臨界工況又稱作濕工況的等價干工況，該工況也是干、濕工況的判據(jù)[3]。文獻[4]基于該理論給出了干濕工況的判別方法，具體介紹如下。

在焓濕圖上，定義盤管進出口參數(shù)連線與100%相對濕度線的交點的溫度為t3，其計算方法為：

(1)

其中：t1為盤管進口空氣干球溫度，tL1為進口空氣露點溫度，ts1為進口空氣濕球溫度，tw1為冷凍水供水溫度，ε1為盤管干球溫度效率，ε2為盤管接觸系數(shù)。對于一定型號的風(fēng)機盤管機組，當(dāng)風(fēng)量、水量不變時，其干球溫度效率與接觸系數(shù)都是定值。

當(dāng)t3>tL1時，盤管為干工況；當(dāng)t3=tL1時，盤管為臨界工況；當(dāng)t3

(2)

表3 盤管臨界工況對應(yīng)的供水溫度

干球溫度效率接觸系數(shù)臨界供水溫度(℃)0.600.9510.50.600.9011.30.600.8512.1

注：《干式風(fēng)機盤管機組》(草擬稿)中，名義供冷工況條件下，對應(yīng)盤管干球溫度效率為0.60；草擬稿中未涉及到盤管的濕工況數(shù)據(jù)，無法直接計算出盤管接觸系數(shù)。表中接觸系數(shù)取經(jīng)驗值0.85～0.95。

參考規(guī)范《干式風(fēng)機盤管機組》(草擬稿)中的盤管性能進行計算，對應(yīng)高檔風(fēng)量條件下，保證本項目盤管不結(jié)露所需的冷凍水溫度見表3。保證盤管為干工況的臨界供水溫度為10.5～12.1℃，考慮一定安全余量，本項目供水溫度取為13℃。供回水溫差取為5℃，即冷機供回水溫度取13/18℃，該供回水溫度能夠保證盤管在高檔風(fēng)量下不結(jié)露，同時提高了盤管的供冷能力。

4 空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計要點

4.1 冷熱源設(shè)計

冷源方面，系統(tǒng)采用2臺2814 kW(800RT)的高溫水冷離心機組和1臺1406 kW(400RT)水冷螺桿式機組供冷，冷凍水進、出水溫度為13/18℃，承擔(dān)室內(nèi)顯熱負(fù)荷。新風(fēng)負(fù)荷以及室內(nèi)的濕負(fù)荷共計5885 kW，由熱泵式溶液調(diào)濕新風(fēng)機組承擔(dān)。制冷機房位于地下一層，每臺主機對應(yīng)冷卻水泵與冷凍水泵各1臺(小螺桿冷機增設(shè)1臺備用泵)，對應(yīng)5臺400m3/h的冷卻塔安裝于天面。

熱源方面，采用2臺1336 kW風(fēng)冷熱泵機組承擔(dān)室內(nèi)熱負(fù)荷，新風(fēng)加熱加濕負(fù)荷850 kW由熱泵式溶液調(diào)濕新風(fēng)機組承擔(dān)。風(fēng)冷熱泵機組設(shè)置于屋頂。

4.2 新風(fēng)量取值

根據(jù)《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》(GB50736-2012)中的要求，公共建筑中辦公室內(nèi)每人所需最小新風(fēng)量取30m3/(h·人)。采用溫濕度獨立控制空調(diào)系統(tǒng)后，除滿足上述規(guī)范要求外，還需滿足除濕新風(fēng)量要求[5]。滿足除濕要求的新風(fēng)量按下式計算：

(3)

式中，Gw為滿足除濕要求的新風(fēng)量，m3/h；W為建筑室內(nèi)產(chǎn)濕負(fù)荷，g/h；ρa為空氣密度，kg/m3；dn為室內(nèi)設(shè)計參數(shù)空氣含濕量，g/kg；ds為溶液除濕后送風(fēng)含濕量，g/kg，本項目取為8.0g/kg。

本項目室內(nèi)設(shè)計參數(shù)為26℃，55%，對應(yīng)室內(nèi)含濕量為11.6g/kg。室內(nèi)產(chǎn)濕量主要為人員產(chǎn)濕量，人均產(chǎn)濕量取109g/h，那么人均所需除濕新風(fēng)量按上式計算，為109/1.2/(11.6-8.0)=25.2 m3/h。

新風(fēng)量取規(guī)范中要求與除濕新風(fēng)量中的較大值，即30m3/(h·人)。

4.3 風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)形式選用干式風(fēng)機盤管加新風(fēng)系統(tǒng)，8～21層熱泵式溶液調(diào)濕新風(fēng)機組設(shè)置于7層和22層避難層，通過豎井送至每一層空調(diào)機房，再由離心風(fēng)機送至每個房間；23～35層新風(fēng)機組設(shè)置于偶數(shù)層，通過風(fēng)道送至奇數(shù)層，再送至每個空調(diào)房間，每個房間支管設(shè)置電動蝶閥調(diào)節(jié)新風(fēng)量。干式風(fēng)機盤管均采用方形散流器上送方式。所選熱泵式溶液調(diào)濕新風(fēng)機組帶全熱回收，每層均設(shè)排風(fēng)，排風(fēng)量按新風(fēng)量的72%計算。辦公區(qū)域風(fēng)機盤管及新風(fēng)機送風(fēng)管上安裝PHT光氫離子空氣消毒凈化裝置。

圖1為建筑新風(fēng)、排風(fēng)系統(tǒng)示意圖。在該系統(tǒng)中，熱泵式溶液調(diào)濕新風(fēng)機組對新風(fēng)進行集中處理，承擔(dān)所有新風(fēng)負(fù)荷和室內(nèi)潛熱負(fù)荷；室內(nèi)末端采用干式風(fēng)機盤管，通入高溫冷水機組提供的13/18℃冷水，承擔(dān)室內(nèi)顯熱負(fù)荷。

空調(diào)區(qū)域室內(nèi)分區(qū)域安裝CO2濃度傳感器、露點溫度傳感器，控制系統(tǒng)檢測室內(nèi)CO2濃度及露點溫度，任一條件不滿足設(shè)定要求，則新風(fēng)送風(fēng)管電動調(diào)節(jié)閥全開；露點溫度未達到設(shè)定要求時，干式風(fēng)機盤管冷凍水供水管電動閥關(guān)閉；當(dāng)露點溫度達到設(shè)定要求后，冷凍水供水管電動閥開啟，新風(fēng)送風(fēng)管電動閥開度隨室內(nèi)CO2濃度調(diào)節(jié)。

新風(fēng)機組的新排風(fēng)機為變頻風(fēng)機，根據(jù)風(fēng)道壓力與壓力設(shè)定值，經(jīng)DDC控制器PID運算輸出信號，控制變頻器頻率給定，使風(fēng)管靜壓保持在設(shè)定值；當(dāng)風(fēng)管靜壓高于設(shè)定值，調(diào)低風(fēng)機頻率，當(dāng)風(fēng)管靜壓低于設(shè)定值，調(diào)高風(fēng)機頻率。通過PI調(diào)節(jié)新/排風(fēng)閥，使回風(fēng)CO2濃度保持在設(shè)定值，當(dāng)回風(fēng)CO2濃度高于設(shè)定值，則增加新風(fēng)閥開度，反之則減少新風(fēng)閥開度；排風(fēng)閥開度隨新風(fēng)閥開度等比例變化。

4.4 水系統(tǒng)設(shè)計

由于該建筑為超高層建筑，層數(shù)多，總高度大，冷凍水管道產(chǎn)生的靜水壓力也較大。該項目中，冷凍水系統(tǒng)靜水壓力在160m左右，工作壓力為2MPa。如果采用普通承壓設(shè)備，其承壓能力最大值在1MPa左右，那么水系統(tǒng)就需要在豎向做高低分區(qū)，利用板換將低區(qū)供水換熱后送往高區(qū)，這就造成了能量品位浪費。具體到本項目，如果采用高低壓分區(qū)，高區(qū)冷凍水供水溫度為13/18℃，考慮到板換造成的1～2℃換熱溫差，低區(qū)冷機就需要提供11/16℃的冷水，這將導(dǎo)致冷水機組制冷效率下降。

該項目制冷機房內(nèi)冷卻水、冷凍水系統(tǒng)設(shè)備和閥門均采用耐壓2.5MPa設(shè)備，相比普通承壓設(shè)備，該設(shè)備造價提高了15%，折合建筑單位面積多了6.5元/m2。但是，冷凍水系統(tǒng)取消了分區(qū)，冷機供水溫度可提高2℃左右，其制冷效率可提高6%～10%[6]。

冷水機組的冷凍水泵采用一級泵變流量設(shè)計，泵與制冷機一對一布置，制冷機位于水泵吸入端，以降低制冷機組承壓；冷卻水泵也采用變頻流量調(diào)節(jié)措施。為防止冷機蒸發(fā)器與冷凝器出現(xiàn)運行故障，冷凍水與冷卻水的流量變化范圍取50%～100%。

圖1 新風(fēng)、排風(fēng)系統(tǒng)圖

控制策略方面，冷凍水泵與冷卻水泵均按定壓變頻設(shè)計。根據(jù)運行時間最短和設(shè)備無故障的情況排序，開啟相應(yīng)臺數(shù)的水泵，并優(yōu)先使用運行時間少的設(shè)備；當(dāng)供水壓力高于設(shè)定壓力時，調(diào)小水泵頻率；當(dāng)供水壓力低于設(shè)定壓力時，調(diào)大水泵頻率，若水泵達頻率上限后則加開一臺水泵。

5 設(shè)計體會與總結(jié)

本項目設(shè)計的優(yōu)點：

1)采用溫濕度獨立控制空調(diào)系統(tǒng)，利用高溫冷水機組制取13/18℃冷水供給室內(nèi)干式風(fēng)機盤管以控制室內(nèi)溫度，利用溶液調(diào)濕新風(fēng)機組制取干燥新風(fēng)以控制室內(nèi)溫度。這種空調(diào)形式一方面提高了冷機制冷效率，節(jié)省了系統(tǒng)能耗，另一方面消除了室內(nèi)盤管的潮濕表面，提高了室內(nèi)空氣品質(zhì)。

2)水系統(tǒng)采用高耐壓設(shè)備，制冷機房內(nèi)冷卻水、冷凍水系統(tǒng)設(shè)備和閥門均采用耐壓2.5MPa，取消了高低分區(qū)，避免了能量品位浪費。

3)水泵與風(fēng)機均采用變頻運行策略，可有效降低輸配系統(tǒng)能耗。

設(shè)計時需注意事項與系統(tǒng)不足：

1)在溫濕度獨立控制系統(tǒng)設(shè)計時，高溫冷水機組的供回水溫度設(shè)定是系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵。選擇水溫過高，則末端盤管數(shù)量增加，系統(tǒng)初投資與室內(nèi)噪音均會隨之增加；選擇水溫過低，室內(nèi)末端則會出現(xiàn)冷凝水問題，影響系統(tǒng)運行效果。冷水機組供水溫度需根據(jù)項目具體情況進行校核與調(diào)整。

2)在高層建筑設(shè)計時，水系統(tǒng)可采用高耐壓設(shè)備，可以避免高低分區(qū)，但是系統(tǒng)的初投資也隨之上升，在使用需采用耐壓范圍合理的設(shè)備，以避免初投資大幅度上升。

3)在計算室內(nèi)濕負(fù)荷時，本項目只考慮了室內(nèi)人員產(chǎn)濕，但當(dāng)用戶開窗時，會引入大量滲風(fēng)濕負(fù)荷，造成室內(nèi)濕度失控，因此建筑(尤其是夏季濕熱天氣時)需盡量減少開窗時間；室內(nèi)盤管也需要設(shè)置凝水管，以避免用戶開窗時盤管結(jié)露出現(xiàn)滴水。

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