某办公楼全空气空调系统设计

摘要
中国的建筑行业正处于飞速发展的阶段，人们对生活环境的要求也越来越高，而生活环境最主要的就是居住环境，这种需求带动了中国的空调制冷业的发展。

几种空气调节系统，全空气系统中的空气不仅承担室内的显热负荷而且承担着潜热负荷，空气—水系统有几种:一种是将新风处理到室内空气状态的等焓线，新风只承担室内显热负荷。

此时的风机盘管有凝结水容易长霉不利于室内卫生。

一种是将新风处理到室内空气状态的等湿线，新风承担显热负荷和部分潜热负荷。

一种是将新风处理到室内空气状态的等湿线以下，空气承担室内的潜热负荷，风机盘馆是干燥的，但此时处理空气的冷源温度较低全空气系统一般用于高大空间，如体育馆影剧院大剧院之类的。

空气—水系统一般用于宾馆酒楼写字楼等小空间又需新风的场所。

全空气系统的空气处理是在中央空调的集体处处理。

关键词：建筑居住环境；空调制冷；全空气系统；空气—水系统
1.绪论
1.1我国暖通空调的现状及其发展
进入90年代后，我国的居住环境和工业生产环境都已广泛地应用空调，空调技术已成为衡量建筑现代化水平的重要标志之一。

90年代中期，由于大中城市电力供应紧张，供电部门开始重视需求管理及削峰填谷，蓄冷空调技术提到了议事日程。

近年来，由于能源结构的变化，促进了吸收式冷热水机组的快速发展，以及热泵技术在长江中下游地区的应用。

随着生产和科技的不断发展,人类对空调技术也进行了一系列的改进,同时也在积极研究环保、节能的空调产品和技术,已经投入使用了冰蓄冷空调系统、燃气空调、VAV空调系统、地源热泵系统等。

暖通空调技术的发展，必然会受到能源、环境条件的制约，所以能源的综合利用、节能、保护环境及趋向自然的舒适环境必然是今后发展的主题。

1.2建筑空调系统节能国内外研究现状
1.2.1建筑空调系统节能国外研究现状
能源是整个经济系统的基本组成部份，作为一个能源消耗大国，美国在节能和提高能源利用率方面投入了大量的人力、物力。

在美国的整个能源消耗中，有约1/3以上消耗在建筑能耗上，这些能耗用来满足人们的热舒适、空气品质、提高人们的生活质量。

美国暖通空调制冷工程师协会、美国制冷协会、美国冷却塔协会等组织、美国能源部以及众多暖通空调设备生产厂家如York,Carrier等都为建筑节能做出了很大贡献。

特别是美国制冷设备生产厂商投入了大量的资源研究高性能冷水机组，
使得冷水机组单位制冷量的能耗仅为20世纪70年代的62.3%。

美国在空调冷源水系统方面的研究也卓有成效，在冷却水系统方面着重于降低冷却水流量，以达到减少冷却水泵能耗的目的。

日本是一个资源贫困的国家，其主要能源来自进口，同时又是一个能源高消费国家。

因此，节能和提高能源的利用率对日本来讲有着重要的意义。

长期以来，在建筑节能方面，日本做了大量工作，颁布了许多节能法规，提出了建筑节能的评价方法。

日本的一些设备生产厂家对空调和制冷设备的投入也很大。

Daikin 公司首推的变频VRV系统，为中小型建筑安装集中式空调系统创造了条件；Sany公司则在直燃式冷水机组上成绩卓著。

世界各国大力发展可再生能源作为空调冷热源用能。

地源热泵供暖空调是一种使用可再生能源的高效节能、环保型的工程系统。

在美国地源热泵系统占整个空调系统的20%左右;瑞士40%的热泵为地祸热泵，瑞典65%的热泵为地祸热泵。

1.2.2建筑空调系统节能国内研究现状
我国是一个人均资源相对贫乏的国家，因此节能降耗有着十分重要的意义。

近年来，由于国民经济的快速发展，使我国的能源显得越来越紧张。

1）建筑空调系统节能国内研究现状概况
随着经济建设的不断深入和人们生活水平的不断提高，空调建筑物越来越多，建筑物消耗的能量也越来越大，甚至出现了空调系统与经济建设争抢电力资源的情况。

因此，在建筑物节能显得十分迫切。

在我国建筑总能耗中，空调系统的能耗占有相当大的比重，因此研究探讨空调系统的节能就显得十分重要。

在建筑物空调系统运行能耗中，冷源系统的能耗是最大的。

近年来，我国暖通空调学术界和工程界在空调冷源系统的节能方面做了大量的研究工作。

研究工作主要集中在冷源系统的形
式选择上，对压缩式冷水机组和吸收式冷水机组的技术经济比较研究较多，通过对众多方案的分析已经基本达成共识：吸收式冷水机组节电而不节能，对其在我国的应用应区别对待，对于有余热可以利用的地区，应大力提倡使用吸收式冷水机组，而一般建筑物则应采用蒸汽压缩式制冷。

当然，在进行冷热源系统的选择时，还要考虑建筑物所在地的气象条件、电力供应状况、能源情况、空调系统有无采用余热回收的可能性等方面的问题。

2）我国建筑空调系统节能研究有待解决的问题
通过对一些地区空调系统的调查发现，设计人员在涉及选用冷水机组时多考虑其额定工况下的全负荷性能，而对其部分负荷性能的考虑较少。

在风冷式冷水机组和水冷式冷水机组的选择应用上我国制冷工程界也存在着认识上的差异。

我国在冷源水系统方面的研究目前较少，一般都是按冷水机组的样本提供的冷却水量和冷冻水量进行冷却水泵和冷冻水泵的选择。

对于水系统的水泵是否运行节能则关注不多。

事实上，对于冷水机组的运行而言，冷凝器和蒸发器都要求定流量，因此，对于冷水机组部分负荷状态运行时，水泵的输出都是全负荷输出，水系统的全年运行能耗是相当大的。

因此水系统的节能具有很大的潜力。

1.3空调系统的设计与建筑节能
空调制冷技术的诞生是建筑技术史一项重大进步，它标志着人类从被动适应宏观自然气候发展到主动控制建筑微气候，在改造和征服自然的过程的又迈出了坚实的一步。

但是对空调的依赖也逐渐成为建筑能耗增长的最主要的原因。

制冷空调系统的出现为人们创造了舒适的空调环境，但20世纪70年代的全球能源危机，使制冷空调系统这一能源消耗大
户面临严重考验，节能降耗成为空调系统设计的关键环节。

据统计，我国建筑能耗约占全国总能能耗的35%，空调能耗又约占建筑能耗的50%～60%左右。

由此可见，暖通空调能耗占总能耗的比例可高达22.75%。

因此，建筑中的空调系统节能已成为节能领域中的一个重点和热点。

于是降低空调能耗也被纳于建筑节能的任务中，如何更好的利用现在的空调技术服务人类同时又能满足建筑能耗的要求，是现阶段专业技术人员的工作要点。

而暖通空调设计方案的好坏直接影响着建筑环境的质量和节能状况。

随着科学技术的迅速发展以及对节能和环保要求的不断提高，暖通空调领域中新的设计方案大量涌现，针对同一个设计项目，往往可以有很多不同的设计方案可供选择，设计人员要进行大量的方案比较和优选工作，设计方案技术经济性比较正在成为影响暖通空调设计质量和效率的一项重要工作。

如何对暖通空调设计方案进行科学的比较和优选，是暖通空调设计人员在实际设计工作中经常遇到的一个重要技术难题。

1.4空调的发展和前景
1.4.1变频空调的发展
变频空调是目前空调消费的流行趋势。

它与一般空调比，有着高性能运转、舒适静音。

节能环保、能耗低的显著特点，它的出现改善了人们的生活质量。

日本作为变频空调强国，从20世纪80年代初开始到现在，变频空调已占其空调市场的90％左右。

变频空调在我国发展速度相当快，不到8
年时间就达到与日本先进水平同步。

进入2000年，国内个别企业将直流变频技术与PAM控制技术结合应用，使空调完全进入变频空调的最高领
域。

它不仅使直流变频压缩机的优越性能充分发挥，更能利用数码特点，准确提高能效，达到节能51％的目的。

1.4.2无氟空调的发展
臭氧层破坏是当前全球面临的重大的环境问题之一，由于以前空调业所采用的传统制冷剂对臭氧层有破坏作用及产生温室效应，对大气造成破坏，因而无氟空调是众所期待的产品。

近年来以海尔空调为代表的无氟空调的出现，标志着无氟空调时代的来临。

1.4.3舒适性空调的发展
健康是空调业发展的主题之一。

以前的空调采用了多种健康技术，如负离子、离子集尘、多元光触媒等，这些技术的运用使空调产品的健康性能得到了极大提升。

海尔空调把负离子、离子集尘、多元光触媒、双向换新风、健康除湿等领先技术在内的高科技手段组合起来使用，发挥了巨大的威力，而未来空调进步的一个方向也就是对各种技术的灵活使用。

空调气流的舒适度是健康空调的另一个标准。

传统空调的送风方式简单直吹人体，易引起伤风、感冒、头痛、关节痛等不舒适状态，因此新近推出的风可以从周围环绕，而不是对人直吹，通过改善空调送风的气流分布，令人感觉更舒适的空调——环绕立体送风、三维立体风的健康空调成了热销产品也就不足为奇了。

1.4.4一拖多
空调器的发展从一个侧面反映了我国居民居住环境的巨大变化，也为自身发展指明了方向。

1993年以前，中国空调市场主要以一拖一为主，1993年海尔推出一拖二空调后，率先将空调业引入了一拖多时代。

目前海尔一拖多空调产量突破了百万台足以证明其市场消费能力。

海尔MRV
网络变频一拖多中央空调的出现以及众多厂家的家用中央空调产品使得家庭中央空调迅速普及。

1.4.5其它空调新技术的发展
1）HEPA酶技术
HEPA酶杀菌技术，对于0.3微米以上的粉尘吸附率可达99.9％，对结核菌、大肠菌等有害细菌具有高效杀菌能力，对霉菌的生长也有很强的抑制作用。

2）冷触媒技术
冷触媒这一技术采用日本专利，是一种低温低吸附的材料，根据吸附--催化原理，在常温下就能对甲醛等有害物质边吸附边分解成二氧化碳和水，这种触媒不需要再生，不需更换，使用寿命长达十年以上。

3）体感温度控制技术
智能装在遥控器上的感温元件，感知室内人们活动范围的温度，并将信息发射到主机接收器上，使主机随时调整运行状态，实现真正的体感温度控制自动化。

4）人感控制技术
人感控制技术利用双红外感应器控测人的方位，自动调节送风方向（左送风、中送风、右送风或全方位送风），风随人行。

5）PTC电辅助加热技术
PTC电辅助加热技术，可在超低温条件下迅速制热，效力强劲，安全可靠，可长期使用。

总之，伴随着科技和社会的进步，节能、环保、健康、智能控制已成为空调发展的大趋势。

1.5空调系统的应急措施（风机盘管＋新风系统）
进入空调降温时，面对“非典”蔓延的高峰期，不适当的运行空调，很可能导致“非典”的交叉感染，扩大“非典”传播，必须对此有高度重视。

需要非常注意的是各大型商业建筑、公共建筑，这些建筑一般设集中制冷站，再通过送风系统和冷水系统把冷量送到各个房间。

这时，就很容易通过空调系统使建筑物内空气互相掺混，某处有污染的空气很有可能通过空调系统传播到其它房间，从而导致交叉感染。

尤其是有些高层建筑不能开窗，或有许多无外窗的内区房间，更容易出现问题。

必须引起高度重视。

防治“非典”的一个很有效的措施就是加强通风，其原理就是通过大量的室外空气进入室内，将室内可能存在的“非典”病毒通过换气排出室外，从而抑制了其发作的可能性。

然而如果是内部循环通风，则不能起到排出病毒的作用，反而会使病毒积累，甚至使浓度逐渐增加。

因此正确地运行空调通风系统至关重要。

下面针对风机盘管＋新风系统方式介绍应采取的相应措施。

多数办公楼、宾馆客房、医院病房都采用这种空调方式，该方式有单独的新风机将新鲜空气送入房间，风机盘管有不同的回风方式。

一种回风方式是各房间单独安装风机盘管，各房间的回风经过盘管冷却后送出，回风仅在自身房间内循环，不同房间之间互不流通。

另一种回风方式是各个楼层的多个房间统一通过吊顶掺混回风后经过风机盘管冷却后送入各个房间，不同房间之间的回风有交叉。

不论何种方式的风机盘管加新风系统，首先都要注意避免新风系统混入从建筑排出的污染空气，同时要注意风机盘管的清洁。

根据不同的回风方式，风机盘管加新风方式在运行时要注意如下问题具体：
1）各房间单独回风的系统
首先要保持新风入口清洁，不被污染。

新风机房位于大楼的地下或者顶部，一般直接通过风道从室外取新风。

要注意取风口的位置，不要
使其吸入建筑排风。

有些系统是从风机房内取新风，对这种形式应防止楼内空气通过机房门进入机房并吸入新风机，应严格保证新风机房密闭，同时要保证新风机房清洁，必要时安装新风道，从室外取风，此外，新风过滤网也要作到定时清洗。

新风竖井或者新风风道要注意清洁通畅。

风机盘管加新风系统的排风系统多数是和厕所排风合用，为保证通风效果，建议将厕所排风系统全天连续运行。

此外凝结水盘是污垢存积的地方，也要保持清洁。

由于凝水是从房间回风在通过盘管制冷后凝结产生的，目前还难以确认空气中的病毒是否会在凝水中存活，为防患未然，建议运行管理人员对各风机盘管的凝结水盘统一清洁，消灭病毒生存的载体。

2）吊顶统一回风的系统
有一些小型办公楼采用此类系统，和各房间单独回风的方式不同，采用这种方式的建筑基本上隔断仅到吊顶，吊顶上空是互相连通的，各房间的空气相互交叉。

这种系统和全空气系统相同，也存在各房间空气相互掺混，污染物有可能在建筑各区域之间传播，潜在危险较大。

对于这类系统，除了要注意保持新风不被污染、凝结水盘清洁外，要尽可能地停用风机盘管。

可通过降低冷冻水温度，加大冷冻水流量，寻找增大新风量的途径等手段增加新风供冷能力来满足供冷要求。

2全空气变风量空调系统分析
为了实现全新风空调系统的设计目标，在满足室内环境对冷负荷与新风量需求的同时最大限度地降低能耗，自控系统需求对系统风量、送风温度与新风量进行去耦控制，将被控制对象的参数波动限定在允许范围内。

2.1风量控制策略
在全空气变风量空调系统中采用的系统风量控制策略主要有定静
压差法、变定静压法、总风量法、变静压法。

不论以何种方式，控制参数都采用送风量通过对送风机的变频调试来实现。

如何选择控制参数是各个控制策略的差异所在。

（1）定静压法。

定静压法是经典的系统风量控制，该系统采用送风管中的最低静压点测量値作为被控参数，表征负荷的风量需求。

其难点在于寻找稳定、合适的最低压点位置，可根据ASHRAE90.1-2001标准规定“静压传感器位置的设定静压不应大于风机总设计静压的1/3”，在实测中确定。

定静压法控制简单，但是在运行工况中静压波动，而不同工况下静压设定值却没有相应变化，导致定静压法的实践成果变差。

（2）变定静压法。

变定静压法以末端装置中的最大风门开度作为被控参数，表征最不利的负荷需求风量，以此调节静压设定値来满足最不利点的负荷需要，解决静压设定值需要跟随工况条件而变化的问题，但依然采用了静压传感器作为控制系统的设定基准。

变定静压法同样无法处理静压波动引起的系统波动问题静压波动。

（3）总风量法。

总风量法直接对末端装置的静压值作为基准参照点。

尽管总风量法取消了静压传感器而回避了静压波动问题，但是忽略了最
不利点的负荷需求，在最不利点变化趋势与总需求风量变化趋势相反时容易产生误动。

（4）变静压法。

变静压法采用超驰控制技术，以末端装置的需求风量求和作为正常工况下的主调节参数，在非正常工况下以最不利点的风门开度微调主调节参数作为优选调节项，结合总风量法与变定静压法的各自优势解决了设定值与设定值变化两大难题。

但是，由于受到DDC的计算容量制约,变静压法尚无法应用于大系统。

2.2送风温度控制策略
针对混合新风而言,通过变频器调节送风机实现对风量的随动控制,通过冷水阀的温度调节实现对温度的定值控制,在形式上温度控制与风量控制构成比值控制系统。

在本质上，风量控制的最终对象也是温度，因此这是典型的串级调节系统。

内环系统通过系统风量控制构成对供冷量的细调，外环系统通过送风温度调节构成对供冷量的粗调。

（1）送风温度调节。

针对相同的冷负荷，较低的送风温度可减少系统量较高的送风温度需要较大的系统风量，建议在负载系数较高时调低送风温度来降低风机能耗，在负载系数较低时调高送风温度以便维持必要的系统风量。

送风温度按照系统送风温度设定值来调节，由于各个末端装置所需要的最佳送风温度常常相互矛盾，按照末端装置的最低设定温度最高设定温度、各种设定温度平均值来确定送风温度设定值都不合理，因此通常依据节能规范要求预设系统启动设定温度，也可以采用投票法设定该值。

根据各个末端装置的许可送风温度范围，加入各个末端装置占系统风量的权重，根据不同温度范围的得票率确定整个系统的最大许可送风温度范围，结合系统的负载率，根据许可送风温度范围的上限或下限来确定系统所需的最佳送风温度。

（2）送风温度设定值的动态调节。

由于混合新风可以同时影响室内新风与温度两个被控数，随着室内环境的变化，在保持送风量的基础上调节送风温度就产生了新问题，具体而言就是保持设定温度的随动性调整。

依据末端装置的设定温度与负荷温度进行调节，依然存在众口难调的问题，由于系统风量调节与送风温度调节构成耦合参数，直接利用风量与冷量作为送风温度调节参数将引起系统失稳而被禁止。

在工程实例中主要有高低负荷和最大负荷法高低负荷法根据变频器的上下限值确定风量调节的控制范围，超过这个范围才进行设定温度值的时间累进调节。

最大负荷法按照末端装置的最大负荷率确定温度设定值的修正值，依据积分时间进行温度调节。

两者所采用的都是时间调节参数，动作相对缓慢，如何选择设定值调节机制还需要作进一步研究。

2.3新风量控制策略
在变风量系统中，送风量根据室内温度而随动调节，随着温度趋近于设定值而不断降低送风量，在小风量工况下如何保障新风供应就成了变临的主要问题。

建议采用选择控制系统，在正常工况下根据总风量与最大固定新风比来调节新风阀开度，以最不利点的空气质量低于最小新风量作为非正常工况的判断依据，根据偏差值针对新风阀实施PID调节,同时保持排风阀与混风阀的比例随动性。

3变风量空调系统自控工艺与实现
空调系统自控工艺采用DDC控制系统，以正常工况的室内温度控制与非正常工况的室内空气质量控制为辅助实施选择控制。

空气处理机采用变频调节，根据各个VAV-DDC所提供的参数实施变静压风量控制，同时该楼层排风机采用随动控制变频调节。

温度控制通过PI调节处理机的冷水阀来实现，温温度设定值依据投票法确定，设定值调节量采用最大负荷法进行调整。

新风调节是该系统的设计重点，由于竖向通道没有典型性静压点可做参照，而且传感器的安装与检修也极其困难，因此不采用静压点控制技术。

新风阀以正常工况的总风量与最大固定新风与非正常工况下的最不利点的空气质量构成选择控制系统来调节新风阀开度，保持排风阀与混风阀的比例随动。

新风机采用总新风量控制阀实施变频调节，根据各楼层的新风量需求实施随动控制。

在过度季节，采用全新风控制策略，关闭新风阀与混风阀，全开排风阀与过度季节新风阀。

通过对系统风量、送风温度、新风量等３个方面的自动控制，可以实现变风量系统的设计目标，但是要求变风量系统本身具有一定的系统控制裕量，同时保持系统传递函数的时间特性在一定范围之内。

针对全空气变风量空调，系统规模过大则由于容积滞后较大而无法及时响应负荷变化，系统规模过小则系统裕量偏低而容易波动失稳，且无法实现全空气空调系统的规模效益与优势。

要求空调控制系统按照合理的同时使用系数进行设计，在空气处理机、新风量、风管容量上按照恰当比例留出控制裕量。

此外，应针对室外的季节性负荷变化室内突发性高密度负荷变化采取补充性空调策略，避免整个系统的传递函数发生突变而引起系统过载失控。