葉 豐 溫州設計集團有限公司高級工程師
在以分層、分單元產(chǎn)權或出租為主的辦公建筑中,各小業(yè)主工作時間、使用習慣等差異較大,對空調(diào)使用的需求也各不相同。多聯(lián)式空調(diào)系統(tǒng)具有使用靈活、設備緊湊、安裝維護簡便以及可分區(qū)獨立控制和計費等特點,所以在個性化使用要求較高的辦公建筑中的應用越來越普遍。同時,針對某些分階段投用的辦公建筑,可以根據(jù)現(xiàn)場情況分期、分批、逐層安裝,且不影響其他樓層空調(diào)的使用,同時緩解項目資金壓力。
對于超高層建筑,需要考慮空調(diào)區(qū)域劃分、冷媒管長度衰減、室內(nèi)外機最大高低差等眾多要素,合理布置多聯(lián)式空調(diào)室外機位置,既能保證建筑外立面的美觀協(xié)調(diào),又能確??照{(diào)效果。
進深不大、窗戶面積較小的辦公空間,室內(nèi)熱環(huán)境差別不大。當房間進深較大(>9 m)、窗戶面積大時,在周邊區(qū)全年空調(diào)負荷受室外氣候、日射和冬季窗面下降冷氣流等影響下,需要在夏季供冷、冬季供熱,春秋過渡季可以減小供冷量或供熱量。而內(nèi)區(qū)受室外氣候和日射影響較小,設備照明和人體散熱等常年穩(wěn)定的散熱,需要全年供冷[1]。根據(jù)《民用建筑供暖通風與空氣調(diào)節(jié)設計規(guī)范》GB50736-2012 7.3.2條的要求:進深較大的開敞式辦公用房,內(nèi)外區(qū)負荷特性相差很大,宜分別設置空調(diào)風系統(tǒng)[2]。
當建筑物無明顯的內(nèi)區(qū)時,可根據(jù)產(chǎn)權或使用區(qū)域劃分多聯(lián)式空調(diào)系統(tǒng),此時,同一系統(tǒng)內(nèi)為同時制冷或制熱。當房間進深較大時,需按內(nèi)、外區(qū)分設多聯(lián)式空調(diào)系統(tǒng)或采用熱回收型(自由冷暖)多聯(lián)機系統(tǒng),以滿足同時制冷、制熱的需求。
風冷多聯(lián)式空調(diào)系統(tǒng)施工、運維便利,在超高層建筑的應用中,難點在于室外機的布置。超高層建筑中室外機通常為分層設置或就近集中設置于避難層、裙房及主樓屋面。分層布置較多應用于超高層住宅和公寓,受限于立面及樓層自下而上的氣流干擾,較少應用于超高層辦公建筑。以下著重探討外機在避難層的布置。
按照現(xiàn)行防火規(guī)范,兩個避難層之間的高度不宜>50 m。參考主流品牌多聯(lián)機室內(nèi)外機間最大高度差大致為50~70 m(外機在上)、40 m(外機在下)。按上述數(shù)據(jù),室外機就近布置于服務樓層上、下避難層時完全滿足最大高度差要求。
考慮避難區(qū)自然通風要求及設備用房的布置,室外機通常會雙排集中布置,參考布置如圖1、2所示。為保證散熱效果,室外機側(cè)百葉開口率需大于75%。
按圖1平面布置,利用CFD模擬軟件Airpak進行數(shù)值模擬。設定當?shù)叵募臼彝饪照{(diào)計算溫度為33.8 ℃,室外平均風速2.0 m/s。隨著建筑高度升高,空氣溫度下降及風速上升。分別按第一避難層(高度50 m,33.8 ℃,2.7 m/s)和第三避難層(高度150 m,33.2 ℃,3.5 m/s)進行模擬,模擬結(jié)果如圖3、圖4所示。
圖1 避難層空調(diào)外機布置圖
圖2 空調(diào)外機剖面
圖3 迎風面外機溫度模擬(左:第一避難層,右:第三避難層)
圖4 非迎風面外機溫度模擬(左:第一避難層,右:第三避難層)
在4種模擬工況中,進風溫度最高為第三避難層迎風面處外機,此時進風平均溫度(約42.7 ℃)仍滿足多聯(lián)機外機最高進風溫度要求。
如圖3所示,當外機處立面為迎風面時,進風溫度明顯高于非迎風面,且隨著高度升高,風速上升、進風溫度升高。
如圖4所示,當外機處立面為非迎風面時,隨著高度升高,進風溫度降低。綜上所述,當條件許可時,室外機應避免迎風布置。
當建筑立面不能接受風冷室外機所必需的百葉時,可設置水冷多聯(lián)空調(diào)系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過水循環(huán)系統(tǒng)換熱,無需考慮散熱排風需求,確保建筑物外立面和諧美觀。夏季由冷卻塔散熱,冬季建筑物內(nèi)發(fā)熱量不能滿足外區(qū)需熱量時,采用燃氣鍋爐、市政熱源等向系統(tǒng)補充熱量。
當條件許可時,也可以采用土壤源、地下水及地表水等可再生能源為系統(tǒng)補冷補熱。相對風冷系統(tǒng),其不受室外氣候限制,運行穩(wěn)定。同時,同一建筑內(nèi)多套多聯(lián)機系統(tǒng)并聯(lián),共用換熱水系統(tǒng),在過渡季節(jié)或其他內(nèi)外分區(qū)明顯的區(qū)域,系統(tǒng)可在水側(cè)完成熱回收,實現(xiàn)整體節(jié)能效果。
水冷多聯(lián)外機可放置于建筑內(nèi)區(qū),并能上下重疊擺放,有效節(jié)省機組占地面積。為盡可能縮短多聯(lián)機系統(tǒng)管長,外機首選設于服務樓層的空調(diào)機房內(nèi),當服務樓層無設置輔助用房條件時,外機亦可集中設置于避難層設備用房內(nèi)。
水冷多聯(lián)空調(diào)系統(tǒng)冷媒側(cè)設計同風冷系統(tǒng),一樣其設計難度主要在于水側(cè),對應風冷主機,水冷機每個模塊內(nèi)置板式或套管式換熱器,建議水系統(tǒng)采用閉式循環(huán),散熱采用閉式冷卻塔或開式冷卻塔加換熱機組。
根據(jù)某主流品牌水冷多聯(lián)式空調(diào)機組技術手冊,制冷制熱正常連續(xù)運轉(zhuǎn)進水溫度范圍為15~45 ℃。此時外機制冷效率(cop)隨進水溫度降低而升高,制熱效率(EER)隨進水溫度升高而升高。通常浙江地區(qū)開式冷卻塔供回水溫度設定在32 ℃/37 ℃。如按最小換熱溫差1.5 ℃選擇板換,則一次板換熱后供回水溫度33.5 ℃/38.5 ℃。為提高制熱效率,冬季補熱一次,換熱后供回水溫度取值45 ℃/40 ℃。根據(jù)技術手冊,設置冷工況室內(nèi)溫度為24 ℃、制熱工況室內(nèi)溫度20 ℃,對應以上一次換熱后供回水溫度,以10 HP外機為例,cop為4.36、EER為8.75。考慮水側(cè)承壓,二次板換設置于第二避難層(約100 m高度),假設二次換熱后供回水溫度分別為35℃/40℃、40℃/35℃,則對應cop為4.18、EER為8.51。
根據(jù)空調(diào)逐時負荷統(tǒng)計數(shù)據(jù)、水側(cè)供回水溫度及水冷外機的COP、EER值,進行冷卻塔、鍋爐、熱交換器及冷(熱)水泵選型。當采用土壤源等補冷、補熱時,需進行全年負荷計算。
水系統(tǒng)建議同程設置,采用一次泵變水量系統(tǒng),水泵采用臺數(shù)控制和變頻調(diào)節(jié)相結(jié)合,以減少運行能耗,但需要保證水冷外機最小流量要求。水冷外機進水管上設有電動二通閥與機組聯(lián)鎖,為了保證水冷外機的水流量恒定,建議在外機每個模塊出水管上設置定流量閥門,提高系統(tǒng)輸送效率。配管大樣如圖5所示。
圖5 水源多聯(lián)式空調(diào)模塊配管大樣
設計應重視冬季內(nèi)、外區(qū)同時存在的冷、熱負荷,實現(xiàn)熱量回收,提高系統(tǒng)的節(jié)能性。結(jié)合多聯(lián)機產(chǎn)品特性,設計合理的冷媒管長度,同時應滿足內(nèi)、外機高度差的要求。當采用風冷多聯(lián)系統(tǒng),在滿足建筑立面美觀性的同時,需注意室外機的散熱環(huán)境,避免系統(tǒng)長期運行在低效率區(qū)間。當條件許可時,室外機應避免迎風布置。當采用水冷多聯(lián)系統(tǒng),水側(cè)系統(tǒng)應考慮承壓分區(qū)設置并完善水力平衡設計。