高层建筑暖通空调系统绿色节能设计

高层建筑暖通空调系统绿色节能设计

发表时间：2018-05-25T13:47:28.077Z 来源：《基层建设》2018年第6期作者：史亚州[导读] 摘要：随着社会的进步，人们生活水平的提高，人们对生存环境污染越来越重视，绿色节能理念开始融入建筑工程设计与建设之中。

广东深圳 518000

摘要：随着社会的进步，人们生活水平的提高，人们对生存环境污染越来越重视，绿色节能理念开始融入建筑工程设计与建设之中。文章通过结合工程实例，就绿色节能理念在高层建筑暖通空调系统中的应用展开探究，着重就绿色节能理念的设计及实现进行论述，可供参考。

关键词：绿色环保；节能理念；系统设计

随着我国经济的快速发展,能源的耗用量在不断的增加,随之环境污染情况也越来越严重，影响和威胁着人们的日常生活和社会经济发展。然而，想要对环境污染问题的发生有效抑制,保护我们赖以生存的环境，保持可持续发展，就必须大力提倡绿色节能理念，采取绿色建筑措施，建设经济环保绿色节能的建筑工程。

1.工程概况

本工程建筑总高度为129.2m，总建筑面积7.2万m2。该工程裙房四层，一至三层设置证券期货交易所，四楼为多功能厅、会议室及厨房。主楼一层为大厅，二层为物业办公，三层为开放式办公，四层为餐饮用房，主楼5~15层为SOHO办公，16~32层为普通办公，11、23层为避难层。按照绿色建筑二星级标准设计。

2.空调冷热源

(1)空调冷热源概况

考虑到该工程场地以及周边冷热源情况，经前期方案论证，该工程空调冷热源按以下三部分考虑：主楼设置地源热泵空调系统。裙房证券交易中心设置风冷热泵空调系统。裙房餐饮和配套附属用房,考虑到经营的灵活性，单独设置了多联机空调系统。

(2)空调负荷

主楼设置地源热泵的建筑面积：33100m2。夏季空调冷负荷：3528kW，冷负荷指标107W/m2。冬季空调热负荷：2570kW，热负荷指标78W/m2。该工程功能复杂，考虑一定的同时使用系数，冷负荷按照3528×0.8=2822kW。地源热泵同时承担该工程SOHO办公部分的生活热水负荷580kW，冬季尖峰热负荷：2822kW，考虑0.85的同时使用系数，冬季总热负荷按照2822×0.85=2399kW。

(3)地源热泵机组选型

本工程按空调冬季工况选型，为最大限度地弥补制取生活热水从土壤中的吸热，设置三台螺杆式地源热泵机组，考虑到该项目需要全年24小时提供生活热水，为保证空调系统经济合理运行，单独设置全热回收型螺杆式高温地源热泵机组，夏季热回收提供生活热水并辅助制冷，过渡季和冬季按照供热模式运行制取生活热水。

(4)地源热泵热平衡措施

通过计算该工程的地源热泵系统土壤吸放热量，同时考虑到生活热水需求的不确定性，设置了一台冷却塔作为夏季制冷冷却水的补充来源和辅助调节热平衡措施，同时为保证热泵主机的正常运行，防止冬夏由于水系统的切换造成冷却水对主机蒸发侧的污垢影响，采用闭式冷却塔，冷却塔容量为最大的单台热泵机组额定冷却水量。由于工该工程地下室基本占据了整个用地红线范围，地源井设置在建筑地下室底板下部。

3.空调系统设计

(1)空调水系统设计

地源热泵空调水系统为一次泵变流量系统，立管为异程式，水平环路为同程式，空调水系统采用落地式定压罐补水定压，地源热泵空调冷水供回水温度为6/12℃，冬季供水温度48℃，23层以下冷热水由热泵机组直供。为有效降低设备承压并尽可能的减少二次换热承担的空调建筑面积，23层避难层以上通过板式换热机组获得7.5/12.5℃的空调冷水和45℃的热水。夏季供冷时，地源侧冷却水供回水温度29/34℃，冬季供热时，地源侧供水温度10℃。

(2)空调风系统设计

主楼5~16层SOHO办公采用传统的风机盘管＋新风空调系统，新风由设置在机房内的新风机组承担，17层以上为传统的办公用房，设置风机盘管＋全热回收新风空调系统，新风由设置在机房内的吊顶式全热交换机组承担。一层大堂，设置全空气空调系统。

4.空调系统绿色节能措施分析

(1)大温差供冷

本工程冷热源设置在地下一层的地源热泵机房内，塔楼顶部与地下室的相对高度为135.7m，若空调系统在竖向不进行分区，系统最大工作压力将达到1.7MPa左右，系统中的热泵主机，循环水泵，分集水器等设备以及塔楼底部的所有空调末端设备的承压须达到2.0MPa以上才能确保系统安全运行，同时也会导致设备初投资增加。若系统长期运行于较高压力工况，将存在一定的安全隐患。鉴于以上分析，对该工程的空调水系统进行了竖向分区，在23层的避难层（标高89.1m)设置了板式换热机组对23层上下区域进行分隔，这样，低区的静水压力约为0.95MPa，考虑水泵扬程后低区系统承压不超过1.6MPa，高区承压在0.8MPa以内，分区后的水系统都在相对安全的常规压力工况下运行。

表1 不同供回水温差条件下热泵机组制冷工况能耗比较

注：COP由某地源热泵机组厂家根据选型软件选型后确定。

分区虽能保证系统的安全运行，但为了保证换热后的冷水温度仍具有一定的除湿能力，同时尽可能的使板式换热器具有较大的冷水换热平均温差而降低板换的设备投资，须降低一次侧冷水温度，本工程采用低区大温差供冷，降低水泵能耗，减少水系统管材和设备的一次性投资。冷水常规供回水温差为5℃，对应供回水温度为7/12℃，本工程拟采用标准地源热泵机组适当降低供水温度运行，冷水供回水温差的加大可能会对热泵机组的性能系数及末端设备换热效率产生一定的影响。表1为5/12摄氏度，6/12摄氏度摄氏度，7/12摄氏度三种工况的热泵机组能耗情况比较。

采用大温度冷水系统的另一个作用是可以降低冷水泵的输送能耗，而水泵的输送功率和冷水流量和管路阻力成正比。冷水流量的降低同时会带来管径尺寸的减小，降低初投资。水泵的功率N按下式计算：

N=pgGH/η(1)

式中：p为水的密度；g为重力加速度；G为水的流量；H为水泵扬程；η为水泵的效率

由式（1)可知，若采用大温度，流量相应减少，因p,g,H三项基本不变，因此，水泵功率仅与流量成正比，详见表2;

表2 不同供回水温差条件下冷水循环泵制冷工况能耗比较

通过表1和表2的比较可以看出大温差并没有降低系统综合耗功率，许多学者的研究也得出了同样的观点。作为高层分区换冷，这也是不得已的选择，综合来看，6/12℃制冷工况综合配电功率和标准工况基本相当，5/12℃制冷工况综合配电功率由于机组COP的降低反而增加了，综合考虑管道直径尺寸的减小以及中间板换的参数需求，选择6/12℃作为冷冻水供回水温度。在加大供回水温差的同时，应注意大温差对于末端风机盘管、空调机组制冷能力的影响[2]，本工程末端选型时，适当考虑了水温和水量变化对末端设备出力的影响，由于6℃温差对末端设备的出力影响较小，此处不再赘述。

(2)夏季冷凝热回收提供生活热水

随着经济的不断发展，人们对生活热水的需求越来越大，用于生活热水供应的一次能源也越来越多。据估计，在发达国家生活热水供应能耗将成为继室内供暖空调能耗之后的第二大建筑能耗，在国内，也有学者对高档旅馆、酒店等大型集中空调系统的冷凝热回收用于生活热水供应进行了预测，通过分析空调制冷机冷凝热与生活热水耗量的匹配关系，并经过实际的工程论证，认为利用空调冷凝热来加热生活热水是可行的，具有很好的节能效果和经济价值。冷水机组冷凝热回收系统就是利用制冷循环中制冷工质冷凝放热过程释放的热量来制备生活热水，对于地源热泵系统来说，采用冷凝热回收系统可有效减少排入地下的热量，改善地源热泵热堆积效应，热泵机组过渡季和冬季以供热模式运行，相当于人为增加了从地下提取的热量，对于寒冷地区，可有效地改善地埋管系统的吸放热量平衡。地埋管系统全年吸放热量的基础是全年负荷和全年能耗，笔者利用专业能耗软件模拟了该工程主楼的全年动态负荷和全年能耗，全年动态负荷见图1。

图1主楼全年负荷图

以全年负荷和全年能耗计算为基础，笔者分别比较了地源热泵热泵考虑夏季热回收以及其它季节供热模式运行制取生活热水和常规的地源热泵系统情况下两者的地埋管吸放热情况.

地源热泵提供生活热水后，地源热泵系统的理论热平衡性得到了极大的改善，同时回收了夏季冷凝热，但也应该注意到，热泵机组冷凝热回收同时也降低了机组的运行效率。

(3)新风节能措施

新风能耗约占本工程空调总能耗的25%~30%，加之本工程主要功能为证券交易中心，SOHO办公，高级办公，对新风的需求比较高，本工程设置了新风全热交换器回收排风中的能量,对于人员密集的多功能厅、大堂等全空气系统空调新风设置了CO2浓度探测器并与新风电动阀开度联锁，达到节能的要求。

(4)空调能耗计量，倒逼用户行为节能

在现有的设置了中央空调的公共建筑中，绝大部分是按面积收费，每年交给物业公司的空调费是固定的。当然，按照面积收费也有不