变风量系统分区设计对某超高层办公建筑空调能耗的影响

1、变风量系统分区设计对某超高层办公建筑空调能耗的影响0引言高层办公建筑普遍具有较大面积的内区空间，由于受外围护结构负荷影响较小，内区的负荷特性与外区显著不同，在设计全空气变风量空调系统时，合理的内外分区方案对于房间的热舒适性及空调系统能耗有很大影响。而在新风处理方案的选择上，排风热回收系统近年来被广泛用于民用空调领域，但在实际工程中设计人员逐渐发现其局限性。本文以实际工程为例，分析不同的空调系统分区及新风处理方案对全年运行能耗及费用的影响。1工程概况该工程为北京地区某超高层力公建筑，总建筑面积28.5万m2,其中地下面积7.2万m2,地上面积21.3万m2。超高层塔楼地上32层（不含避难层），建

2、筑高度158.7m,功能主要包括办公、公寓、会所等，本文以1532层办公区域的标准层为研究对象。1.1冷热源塔楼办公区域设置独立冷源,由2台单台制冷量为2813kW的双机头离心式冷水机组和1台制冷量为972kW的螺杆式冷水机组组成，供/回水设计温度为5c/13C；供暖季热源为市政热力，过渡季热源为2台单台制热量为1800kW的承压燃气（油）热水锅炉，供/回水设计温度为60C/45C。空调水系统为四管制，异程式布置。1.2空调形式由于该项目定位为高端办公楼,办公区拟采用全空气变风量空调系统，而变风量系统的分区形式及新风处理方式则存在多种选择，本文以办公区标准层为计算单元，利用DeST软件建立模型

3、，模拟计算标准层各分区全年的逐时冷热负荷，并获取北京地区全年逐时室外气象参数，针对不同方案进行技术经济比较，以期找到最合理的系统形式。2全年负荷模拟分析2.1设计参数1）建筑层高为4.5m,窗墙面积比为0.65,体形系数为0.35,外墙传热系数为0.45W/（m2K）,外窗传热系数为1.7W/（m2K）,外窗太阳综合得热系数为0.35。2）办公区域根据建筑朝向及进深划分为4个外区和1个内区，南、北外区面积为290m2,东、西外区面积为300m2,内区面积为900m2。3）人员密度为10m2/人，人均新风量为30m3/h,照明+设备功率为30W/m4）室内空气设计参数夏季为26C,相对湿度为50

4、%,冬季外区为20C,内区为22C,相对湿度为30%。系统运行时间为07:00-20:00,全年连续运行。2.2负荷模拟根据建筑分区情况及室内外空气设计参数，模拟计算各分区全年逐时冷热负荷（包含房间负荷及新风负荷），计算结果如图1所示。_学口|II,J1IILIJ0FRFMBsssassfiBg*a比6时111b国外区叫川舟d北外区热贝荷冷负荷E三工图1标准层各分区全年逐时冷热负荷分布内9H含用/患I机器h内万甘中同旧木造.讣M方单网道再热现未承内外区合用审蔚桐军内区田单随合川埔.孙区为印风道再爆邪末端内内风号苴中蠲Ak内坏区内为单风沿末吟内外H分;机力内刘$沙为卬或后布衣a方案1,2北京区内

5、区嬴产-3空调系统方案比选该工程办公区采用全空气变风量空调系统，分层设置组合式空调机组（一次回风单风机），送风机采用可变静压控制方式变速运行，新风机组（直流式/热回收式）及配用排风机，过渡季全新风工况新、排风机均设置于避难层机房内，经竖向新风管道分别送至各层变风量空调机组；空调机组新风管上设定风量阀，当送风量变化时，保证新风量恒定；此外，每台空调机组另设新风支管，并配置电动开关阀，在过渡季可切换至大新风比工况，最大新风比为50%。在方案比选阶段，针对不同系统分区、变风量末端、新风系统划分及新风处理方式选了4种备选方案进行对比分析，系统配置如表1所示，空调系统平面及原理如图2,3所示。表1不同变

6、风量系统形式及新风处理方案蔚凤处押Jj窠内外I*统设时直流占风机如和茂用褶风抓取全新凤I：发新.排风机内外区统一设ST转轮式全热1川收新风机组及全新K工双新，排风机内区设直流新风机班及能用持风机,外区设置转轮苴仝落。收新风机机.小”霜个商M1上新,神风机全新风祝新，排风帆图2空调系统平面图:5,端算中调冈用空曜孔力，丹ASPi同白Hte-ki-SjfjfeasTMj_旗_frp(_图3空调系统原理图3.1 变风量系统方案1,2中建筑内外区合用空调机组，送风干管采用环状布置，内区采用单冷型单风道变风量末端，外区采用再热型单风道变风量末端。为了满足内区的供冷要求，空调机组需常年送冷风，而在外区需要

7、供热时，通过再热盘管的加热来保证外区的温度要求。该方案对于不同朝向的外区房间，室温可以得到精准的控制，但是外区再热盘管加热的空气是通过空调机组集中冷却过的，存在冷热抵消浪费能源的现象，外区热水盘管再热量（同空调机组额外消耗的制冷量）的具体计算过程如下：1）东、南、西、北外区各设置6台再热型单风道变风量末端，一次送风温度为15C,最小送风量比例为40%,变风量末端参数见表2。表2不同外区变风量末端参数m7h末端最大送风时末端最小送风让东外区17()()(180四外区南外M17So北外区11002）空调机组常年供冷，当外区需要供热（或冷负荷较小）时，为了避免过多的冷热抵消，变风量末端一般以最小送风

8、量运行。3.2 新风系统假设不同方案中新风机组（直流式/热回收式）及配用排风机，全新风工况新、排风机根据室内外空气比始切换控制工况，不同方案、不同分区的控制策略及全年运行时间如表3所示，并作为后续能耗计算的依据。表3不同方案新风系统设备运行控制策略条件时长Ei曼14世声一-1Ma旗新风机性H妆新网机过箱季新耳加方案1夏季ft-.-AtaFJhl开启关也筌季h.，“nd.开启关间过渡fAM：=:AwhArtfEl：n开白用内.变超斜书/且方案之良季hAnq9hl打门.回收冷早美闭挈拿；,：1;启.树粒融世无团过革机小.Z.A马1L开（bl通克册打开开门.变收鹃34城方案3电学W内医开启1扑区开启

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10、应为理论热回收量与空调系统热负荷两者之间的最小值，当空调系统无热负荷时，有效热回收量为零。此外，设置全热回收装置增加了新风与排风支路的阻力，增加了新风机和排风机的运行能耗。2）全新风供冷。根据表3中的运行控制策略，在过渡季（内区含冬季）开启全新风工况承担室内冷负荷，假设新风机风量可根据室内冷负荷需求作变频调节，即新风系统承担的室内冷负荷为房间冷负荷和全新风可承担的最大冷负荷中的较小值。4全年能耗对比分析以不同分区全年逐时冷热负荷及北京地区逐时室外气象参数为基础，根据式（1）（8）计算不同方案下各分项全年累计冷热量，4种方案全年能耗结果见表47。表4方案1全年能耗计算结果kWh蚱抖两外国南外区北

11、外一内H总计VH将如a3751547MlHOfJti293H387317U22也总苗5运1-,0JS7100.-:.八22itrS1新风彼性小叱71IU310,3H510比6260S5SHI冷物帐荒il却,S1J|7951J56nHUT?71杆少的全”俄用取.13：；1：（5512251:玷1H179112GZ231G2B生电热世2S1JU22V：a176用130L22W95K996d6表5方案2全年能耗计算结果kWh东外区西外M南外日北外区内乂ait冷热抵消他2034217g5iM64S1107fi冷M收川192斗19号,ir.11L;6S7S1.1.热惮收M-9764S761a13gJM冏

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14、二硬谓cIJ歹f_L4.1 空调分区方案对比方案1,2内外区共用空调系统，由于负荷特性相差较大，该系统不能同时匹配内外区不同的冷热需求。为了保证内区供冷，空调机组常年提供一次冷风，当外区需要供热时，只能通过热水盘管对一次冷风进行再热，因此存在冷热抵消现象，且能耗数值很大。方案3,4内外区分设空调系统，可以较好地匹配内外区不同的冷热需求。在内区系统供冷的情况下，外区机组可根据需要灵活地切换供冷、供热工况，避免了前2种方案中内外区冷热抵消的现象。该方案存在的问题为外区合用空调机组且末端无再热盘管，当不同朝向外区冷热需求不同时，系统无法满足要求。但考虑到在北京地区上述时间段相对较短，可以牺牲极为短暂

15、的温度不可控时间来换取投资和能耗的减少。4.2 新风处理方案对比方案1,2内外区合用新风机组，前者采用直流式，不进行热回收，而后者采用全热回收式。方案2夏季可有效地回收部分冷量以减小系统供冷负荷，但由于夏季工况时间较短且室内外比烙差不大，因此回收的冷量有限；冬季工况虽然机组回收的热量可观，但实际上有效热回收量仅占总热回收量的一小部分，多余热回收量反而降低了新风的冷却能力，为了保证室温不至过高，空调系统还需要提供额外的供冷量，该现象在内区尤为明显。两方案在过渡季全新风工况运行时，新风可以承担相当一部分空调冷负荷，但由于内外区合用新风机组，冬季内区无法单独切换至全新风工况，新风的免费制冷能力未得到

16、充分利用。方案3,4内外区分设新风机组，与前2种方案相比主要优势在于内区新风机组可根据需要单独切换至全新风工况，充分利用新风的冷却能力。在热回收方面，外区设置的热回收新风机组，同样面临着多余热回收量的问题；而方案4中内区设置的热回收新风机组仅在夏季工况可回收少量冷量，整体利用效率并不高。4.3 小结图4给出了4种不同方案全年的供冷、供热量及其详细构成。柱形图中正值为贡献值，负值为消减值，折线为最终的累加值。多余热回收昂一过渡季新风供冷炭I有效热问收量冷【可收量冷热抵消T：今年热负荷一全昨供冷量一全年供热量图4不同方案全年供冷、供热量构成5经济分析本文采用综合制冷性能系数SCOP=4.5估算空调

17、冷源部分(含输送能耗)的全年耗电量。北京地区商业用电价取平均值1.2元/(kW-h);热价取北京非居民热计量收费热价69.45元/GJ(0.25元/(kW-h)。考虑排风热回收装置及过渡季全新风机所增加的运行电耗，对比4种方案全年运行费用(全年运行费用仅包括空调系统冷热源及由于各方案设备设置和运行时间不同所造成的运行费用)，见表8。表8不同方案全年运行费用对比方案！方案2方案3方案4总供冷盘YkWh)2315282741651501昌总供热MYkWh)996668134783n8545供冷耗电匕(kW*h)32117609263311231931热网收装置增加耗电量(kW卜03品工232.2807过渡季新排风耗电量CkW-h)781378431222112221总耗电量(kWh)3950726624795316979耗电费用万元7.2(8.723.753.61供热费用万元2J92.010.210.21总运行费用力元9,6910,763.976结论与展望1)对于北京或类似地区有较大内区的办公建筑，当采用