王費(fèi)佳

漢諾國(guó)際工程咨詢(xún)（北京）有限公司上海分公司

上海屬亞熱帶季風(fēng)性氣候，溫和濕潤(rùn)，春秋較短，冬夏較長(zhǎng)。冬季辦公室常有以下體會(huì)，下午的時(shí)候，西邊靠窗坐的員工覺(jué)得很熱，需要開(kāi)冷空調(diào)，而東邊靠窗坐的員工覺(jué)得很冷，需要開(kāi)熱空調(diào)。產(chǎn)生此種現(xiàn)象的主要原因?yàn)樘?yáng)輻射。為確?？照{(diào)設(shè)計(jì)可匹配人們實(shí)際的熱舒適需求，需要對(duì)辦公樓層進(jìn)行負(fù)荷分析，并根據(jù)負(fù)荷差異將整個(gè)空調(diào)區(qū)域合理地劃分為若干個(gè)分區(qū)，配置相應(yīng)的空調(diào)末端以有效應(yīng)對(duì)負(fù)荷變化。結(jié)合近年來(lái)VAV 變風(fēng)量系統(tǒng)以其優(yōu)秀的空氣品質(zhì)和舒適性備受高檔辦公樓青睞的現(xiàn)狀，本文以上海某總部辦公大樓設(shè)計(jì)方案為例，詳細(xì)介紹包括辦公樓負(fù)荷計(jì)算，空調(diào)分區(qū)及 VAV 空調(diào)末端選擇的系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程，并做相關(guān)設(shè)計(jì)總結(jié)。

1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

本項(xiàng)目為某集團(tuán)總部樓，共有 7 個(gè)單體建筑，其中 1#-5# 樓為辦公、6# 樓為研發(fā)設(shè)計(jì)室及宿舍、7# 樓為會(huì)所。本次報(bào)告主要對(duì) 1～5# 樓辦公的空調(diào)形式進(jìn)行詳細(xì)介紹。該五棟辦公樓建筑信息如下：1# 樓高 43.35 m，共十層，2# 樓高 23.95 m，共五層，3 # 樓高 19.80 m，共 4 層，4 # 樓高 36.60 m，共八層，5 # 樓高 23.95 m，共五層。

2 辦公標(biāo)準(zhǔn)層負(fù)荷計(jì)算及分析

2.1 負(fù)荷模擬分析方法

本項(xiàng)目通過(guò)能耗模擬軟件IES VE 對(duì)辦公樓進(jìn)行了整體建模分析，并對(duì)辦公標(biāo)準(zhǔn)層的全年逐時(shí)冷熱負(fù)荷進(jìn)行了模擬輸出，以分析其冬季外區(qū)負(fù)荷分布狀況。圖1 為建模圖形。

圖1 IES VE 建筑模型

IES VE 由英國(guó) IES 公司開(kāi)發(fā)，是英國(guó)以及歐洲大陸市場(chǎng)占有量最大的集成化建筑模擬分析軟件之一。其通過(guò)了ASHRAE 的“建筑能耗分析軟件評(píng)價(jià)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)”（即 ANSI/ASHRAE 140 標(biāo)準(zhǔn)），因此具有準(zhǔn)確性和權(quán)威性。

2.2 負(fù)荷模擬輸入?yún)?shù)

模擬軟件中按本項(xiàng)目實(shí)際設(shè)計(jì)參數(shù)輸入，具體參數(shù)如表1～2 與圖2：

表1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能表

表2 室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)表

圖2 時(shí)間表

公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中將距外圍護(hù)結(jié)構(gòu) 3～5 m 的范圍內(nèi)劃為外區(qū)，其所包圍的為內(nèi)區(qū)[1]，同時(shí) ASHRAE 90.1-2013_TABLE G3.1[2]中建議內(nèi)區(qū)范圍為據(jù)外圍護(hù)結(jié)構(gòu) 5 m 外，外區(qū)為距離外圍護(hù)結(jié)構(gòu) 5 m 范圍內(nèi)。本項(xiàng)目依據(jù)以上規(guī)范結(jié)合對(duì)室外氣象參數(shù)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能及內(nèi)擾影響的考慮，在內(nèi)外分區(qū)建模時(shí)，以據(jù)外圍護(hù)結(jié)構(gòu)4 m（局部5 m）為內(nèi)外區(qū)界限。

2.3 負(fù)荷計(jì)算結(jié)果

根據(jù)負(fù)荷模擬計(jì)算結(jié)果，1# 樓為例，得到供暖季節(jié)不同朝向的冷熱負(fù)荷分布圖（計(jì)算時(shí)間為每年11 月到次年2 月），如圖3：

圖3 供暖季不同朝向冷熱負(fù)荷分布圖

由圖3 可知，外區(qū)不同的供熱/供冷需求在整個(gè)供暖季都是普遍存在的現(xiàn)象。為具體分析辦公外區(qū)從早到晚的負(fù)荷變化特性，選取了一個(gè)冬季典型日做詳細(xì)分析。為更直觀地查看室外天氣狀況對(duì)外區(qū)負(fù)荷受的影響，導(dǎo)出了冬季典型日室外天氣參數(shù)，如圖 4 所示，虛線為太陽(yáng)輻射量，實(shí)線為室外干球溫度。

圖4 冬季典型日室外太陽(yáng)輻射及干球溫度曲線

該天氣狀況下，計(jì)算出辦公外區(qū)各個(gè)朝向的冷熱負(fù)荷。以1#樓（圖5）為例分析，在早上7:30 時(shí)空調(diào)開(kāi)始運(yùn)行時(shí)，四個(gè)朝向外區(qū)均為制熱需求。到9:30 時(shí)受太陽(yáng)輻射的影響，在東/ 西/北區(qū)需要制熱時(shí)，南區(qū)出現(xiàn)制冷需求。隨著時(shí)間的推移南區(qū)制冷負(fù)荷先變大后變小。另外，西區(qū)受太陽(yáng)輻射影響，在下午也出現(xiàn)了制冷需求。通過(guò)查看2～5#樓輸出的負(fù)荷結(jié)果，也可以得到類(lèi)似結(jié)果。

圖5 1#樓外區(qū)典型日不同朝向冷熱負(fù)荷

鑒于以上不同朝向外區(qū)的負(fù)荷分布結(jié)果，若采用空調(diào)箱來(lái)系統(tǒng)的迎合外區(qū)負(fù)荷變化，按每層設(shè)置3 臺(tái)空調(diào)箱考慮，最優(yōu)化設(shè)置為東向及北向設(shè)置1 臺(tái)空調(diào)箱，南向單獨(dú)設(shè)置1 臺(tái)空調(diào)箱，西向單獨(dú)設(shè)置1 臺(tái)空調(diào)箱。該空調(diào)系統(tǒng)設(shè)置占用標(biāo)準(zhǔn)層機(jī)房面積較大，且會(huì)使各臺(tái)空調(diào)箱風(fēng)量不一致，并仍存在少量時(shí)段熱舒適較差。故認(rèn)為應(yīng)對(duì)外區(qū)同時(shí)有供冷/供熱需求狀況，最優(yōu)化的空調(diào)設(shè)計(jì)是用外區(qū)空調(diào)末端來(lái)契合負(fù)荷變化。

3 辦公標(biāo)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 VAV 空調(diào)系統(tǒng)末端形式介紹

依據(jù)以上負(fù)荷特性，本項(xiàng)目辦公外區(qū)適用及常用的VAV 末端形式有單風(fēng)道再熱末端和并聯(lián)型風(fēng)機(jī)動(dòng)力型末端。

外區(qū)配置單風(fēng)道再熱型末端的VAV 系統(tǒng)，系統(tǒng)全年供冷，通過(guò)末端調(diào)節(jié)匹配各區(qū)負(fù)荷需求。夏季時(shí)，內(nèi)、外區(qū)末端均送冷風(fēng)。過(guò)渡季和冬季時(shí)，內(nèi)區(qū)送冷風(fēng)，外區(qū)的熱負(fù)荷抵消了部分內(nèi)熱冷負(fù)荷，外區(qū)末端送冷風(fēng)量調(diào)小直至系統(tǒng)允許的最小風(fēng)量，當(dāng)室溫繼續(xù)降低時(shí)，末端裝置開(kāi)啟加熱，提高送風(fēng)溫度，保證外區(qū)舒適性。該外區(qū)末端裝置構(gòu)造簡(jiǎn)單、體積小、價(jià)格便宜，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)噪聲底，但存在冷、熱混合損失現(xiàn)象，小風(fēng)量運(yùn)行時(shí)室內(nèi)氣流組織較差。

外區(qū)配置并聯(lián)型風(fēng)機(jī)動(dòng)力型末端的 VAV 系統(tǒng)，統(tǒng)全年供冷，通過(guò)末端調(diào)節(jié)匹配各區(qū)負(fù)荷需求。夏季時(shí)，內(nèi)、外區(qū)末端均送冷風(fēng)。過(guò)渡季和冬季時(shí)，內(nèi)區(qū)送冷風(fēng)，外區(qū)末端送冷風(fēng)量調(diào)小直至系統(tǒng)允許的最小風(fēng)量，在供冷小風(fēng)量時(shí)，為改善室內(nèi)氣流組織，末端配置的風(fēng)機(jī)運(yùn)行，抽取吊頂內(nèi)二次風(fēng)，與系統(tǒng)一次風(fēng)混合后送入外區(qū)。該外區(qū)末端能有效改善室內(nèi)氣流組織分布，但其仍存在冷、熱混合損失現(xiàn)象，且初投資高，內(nèi)置的風(fēng)機(jī)還增加了能耗及噪聲。

3.2 VAV 空調(diào)系統(tǒng)末端選型計(jì)算

辦公外區(qū)的 VAV 末端形式與冬季外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱負(fù)荷量有關(guān)，本項(xiàng)目以 1# 樓為例，得到其外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱負(fù)荷量如表3 所示：

表3 外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱負(fù)荷量表

末端加熱量估算如下[3]：

1#樓外區(qū)進(jìn)深 4 m，辦公送風(fēng)量約 30 m3/h/m2，則每米外區(qū)設(shè)計(jì)送風(fēng)量G0=1×4×30=120 m3/h。

每米外區(qū)加熱量：Q=1.01×ρ×G×ΔT，其中ρ為空氣密度，G為外區(qū)每米送風(fēng)量，ΔT為熱風(fēng)送風(fēng)溫差（按 8 ℃）。

單風(fēng)道末端供熱時(shí)，送風(fēng)量設(shè)置為最大風(fēng)量的 30%～50%[4]。

并聯(lián)式風(fēng)機(jī)動(dòng)力型末端供熱時(shí)，一次風(fēng)最小風(fēng)量運(yùn)行（約為最大風(fēng)量的 30%），內(nèi)置風(fēng)機(jī)風(fēng)量一般為最 大風(fēng)量的60%，其總送風(fēng)量可達(dá)最大送風(fēng)量的90%。

單風(fēng)道末端加熱量=1.01×1.2×(30%～50%)×120/3600×8×1000=97～162 W/m

并聯(lián)式風(fēng)機(jī)動(dòng)力型末端加熱量=1.01×1.2×(90%×96)/3600×8×1000=290 W/m

如上計(jì)算可知，辦公外區(qū)采用單風(fēng)道再熱末端，可滿(mǎn)足舒適性需求，但冬季需調(diào)整其最小送風(fēng)量需為最大風(fēng)量的 50%。將末端最小新風(fēng)比由 30%提高到 50%，會(huì)使這些末端裝置所服務(wù)區(qū)域過(guò)早地成為“過(guò)冷再熱”區(qū)域，再熱的冷熱混合損失將增加70%。

3.3 VAV 空調(diào)末端形式經(jīng)濟(jì)性比較

3.3.1 初投資估算

以 1# 樓標(biāo)準(zhǔn)層外區(qū)空調(diào)末端配置為例，并聯(lián)式風(fēng)機(jī)動(dòng)力型末端+再熱盤(pán)管與單風(fēng)道+再熱盤(pán)管的初投資對(duì)比如表4。

表4 末端初投資對(duì)比表

由表 4 可知，并聯(lián)動(dòng)力型再熱系統(tǒng)比單風(fēng)道再熱系統(tǒng)每個(gè)辦公標(biāo)準(zhǔn)層（面積約 1350 m2）多增加4.62 萬(wàn)元初投資。

3.3.2 冷熱混合損失計(jì)算

圖6 為冬季設(shè)計(jì)工況下，內(nèi)區(qū)送風(fēng)空氣處理焓濕圖。辦公內(nèi)區(qū)常年供冷，室內(nèi)負(fù)荷來(lái)源主要為人員，燈光及設(shè)備，負(fù)荷較為穩(wěn)定。如圖所示，室外新風(fēng)由新風(fēng)機(jī)組預(yù)熱并通過(guò)高壓微霧等焓加濕度至干球溫度 7.7 ℃，相對(duì)濕度90%后送入空調(diào)箱與室內(nèi)回風(fēng)混合后降溫至送風(fēng)點(diǎn)（干球溫度為12.3 ℃）送出。本文以理論定性分析為主，以上空氣處理過(guò)程未考慮管道及風(fēng)機(jī)溫升。且實(shí)際冬季運(yùn)行會(huì)適當(dāng)提升內(nèi)區(qū)送風(fēng)溫度。

圖6 冬季內(nèi)區(qū)空氣處理過(guò)程圖

當(dāng)外區(qū)有再熱需求時(shí)，外區(qū)回風(fēng)需回到空調(diào)箱被制冷后再送至外區(qū)VAV BOX，故存在過(guò)冷量=1.01×外區(qū)送風(fēng)量×(混風(fēng)溫度-送風(fēng)溫度)。同時(shí)，冷風(fēng)到達(dá)外區(qū)后，再熱盤(pán)管需把該過(guò)冷的送風(fēng)進(jìn)行再熱，存在再熱熱量損耗（等于過(guò)冷量）。其中，由內(nèi)區(qū)空氣處理過(guò)程得混風(fēng)溫度為17.4 ℃，送風(fēng)溫度為12.3 ℃。

則辦公標(biāo)準(zhǔn)層冷熱混合損失估算如下：

過(guò)冷損失能耗量=1.01×1.2×30%×Gw×(Tc-Ts)×h×(1+70%)

再熱損失能耗=過(guò)冷損失能耗

其中Gw為標(biāo)準(zhǔn)層外區(qū)送風(fēng)量=外區(qū)面積×30 m3/h/m2=17364 m3/h=4.82 m3/s；Tc=17.4 ℃；Ts=12.3 ℃；依據(jù)逐時(shí)負(fù)荷計(jì)算，供暖季再熱時(shí)長(zhǎng)h約為240 h；最小新風(fēng)比由 30%提高到 50%，冷熱混合損失將增加 70%。

由以上數(shù)據(jù)可得：供暖季過(guò)冷損失能耗量=再熱損失能耗=3647 kWh

3.3.3 冷熱混合損失能耗費(fèi)用估算

過(guò)冷損失能耗費(fèi)用=過(guò)冷損失能耗量÷ 制冷系統(tǒng)制冷性能系數(shù)×電價(jià)

本項(xiàng)目制冷采用離心式水冷機(jī)組，依據(jù)公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，夏熱冬冷地區(qū)電冷源綜合制冷性能系數(shù)不小于4.6。考慮冷水泵能耗，結(jié)合項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，制冷系統(tǒng)制冷性能系數(shù)約為4.2。上海單一制工商業(yè)及其他用電中10 kV 電價(jià)為1.08 元/kWh。

故，辦公標(biāo)準(zhǔn)層過(guò)冷損失能耗費(fèi)用=3647÷ 4.2×1.08=938 元。

再熱損失能耗費(fèi)用=再熱損失能耗量÷ 制熱系統(tǒng)效率÷ 天然氣燃燒熱值×燃?xì)鈨r(jià)格

本項(xiàng)目制熱采用燃?xì)鉄崴仩t，鍋爐效率大于 90%，考慮輸送能耗及損失，制熱系統(tǒng)效率約為 85%，天然氣燃燒熱值約為 8190 大卡/m3（9.5 kWh/m3）。上海燃?xì)獾膬r(jià)格為 3.82 元/m3（自2019 年5 月1 日起開(kāi)始執(zhí)行）。

故，辦公標(biāo)準(zhǔn)層再熱損失能耗費(fèi)用=3647÷ 85%÷ 9.5×3.82=1725 元。

綜上可得，辦公標(biāo)準(zhǔn)層冷熱混合損失能耗費(fèi)用約為938+1725=2663 元。

已知本項(xiàng)目并聯(lián)式風(fēng)機(jī)動(dòng)力型末端較單風(fēng)道末端每層多增加4.62 萬(wàn)元初投資，并聯(lián)式風(fēng)機(jī)動(dòng)力型末端每層每年可減少冷熱混合損失造成的運(yùn)行費(fèi)用 2663 元，其靜態(tài)投資回收期約為 17 年，若考慮并聯(lián)式風(fēng)機(jī)動(dòng)力型末端內(nèi)置風(fēng)機(jī)增加的能耗，其投資回報(bào)期可能更長(zhǎng)。故從經(jīng)濟(jì)性角度，本項(xiàng)目外區(qū)優(yōu)先考慮采用單風(fēng)道再熱末端。

4 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

本項(xiàng)目經(jīng)舒適性及經(jīng)濟(jì)性比較，最終采用了內(nèi)區(qū)單風(fēng)道變風(fēng)量末端，外區(qū)單風(fēng)道變風(fēng)量末端裝置帶再熱盤(pán)管的系統(tǒng)形式。

由以上設(shè)計(jì)過(guò)程可知，本項(xiàng)目選用的單風(fēng)道再熱系統(tǒng)存在一個(gè)主要問(wèn)題為冬季外區(qū)再熱時(shí)的冷熱抵消。依據(jù)其產(chǎn)生的原因，建議以下兩種方法優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)置。

建議1：設(shè)置外區(qū)溫度高于內(nèi)區(qū)[3]

如圖 7 所示，若外區(qū)溫度設(shè)置高區(qū)內(nèi)區(qū)，在熱壓差作用下，外區(qū)上部的熱空氣將進(jìn)入內(nèi)區(qū)，內(nèi)區(qū)下部的冷空氣也會(huì)進(jìn)入外區(qū)，該狀況下，加大了外區(qū)制熱需求以及內(nèi)區(qū)制冷需求，冷熱混合損失增大。反之，若外區(qū)溫度設(shè)置低于內(nèi)區(qū)，殘生反向氣流循環(huán)，外區(qū)制熱需求及內(nèi)區(qū)制冷需求均減小，可獲得混合得益。

圖7 混合損失及混合得益示意圖

建議2：優(yōu)化末端控制方式

為滿(mǎn)足外區(qū)舒適度需求，本項(xiàng)目將外區(qū)末端最小新風(fēng)比由30%提高到50%，增加了冷熱混合損失。若優(yōu)化末端控制方式，在再熱盤(pán)管未開(kāi)啟時(shí)，使末端送風(fēng)量隨負(fù)荷變化，但同時(shí)滿(mǎn)足最小送風(fēng)量需求。另，當(dāng)檢測(cè)到再熱盤(pán)管開(kāi)啟后，保持最高送風(fēng)溫度，根據(jù)室內(nèi)溫度要求增大送風(fēng)量，直至供熱最大風(fēng)量（50%設(shè)備最大風(fēng)量）。

5 結(jié)論及建議

對(duì)于冬季外區(qū)存在同時(shí)供冷供熱需求的項(xiàng)目，當(dāng)采用 VAV 空調(diào)系統(tǒng)時(shí)，若外圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱負(fù)荷小于 200 W/m2，建議采用內(nèi)區(qū)單風(fēng)道，外區(qū)單風(fēng)道帶再熱盤(pán)管的空調(diào)系統(tǒng)，同時(shí)通過(guò)設(shè)置外區(qū)溫度高于內(nèi)區(qū)及優(yōu)化系統(tǒng)末端控制方式進(jìn)一步節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用。