上海高層建筑空調設計新方法(一)

1、上海高層建筑空調設計新方法(一)內容提要：當代空調的發(fā)展離不開兩個可說是永恒的主題：一個是室內空氣品質；另一個則是節(jié)能運行。所以，涉及空調的幾乎一切新技術、新方法均是圍繞著這兩個主題，力求創(chuàng)新。本文主要介紹近幾年來境外設計單位在承接上海某些高層辦公樓設計中所采用的一些新設計方法，并結合國外的最新空調工程設計節(jié)能規(guī)范和個人的心得體會予以綜合評述。本文的目的主要在于羅列并介紹筆者近年來對于上海地區(qū)這類高級民用與工業(yè)空調領域中的一些有關新技術、新方法的見聞，并結合國外最新的空調工程設計節(jié)能規(guī)范，淺談個人的認識和見解。關于空調平面分區(qū)概況在歐美和日本，對于像諸如商場、餐飲、辦公樓等大面積空間的空調設計

2、都遵循一個基本前提平面分區(qū)。所謂平面分區(qū)主要有兩層含義： 根據(jù)負荷狀態(tài)下的不同進行分區(qū)。譬如，在某些場合，考慮到太陽輻射熱負荷可能隨朝向和時間有很大變化，故按朝向可分成東區(qū)、西區(qū)、南區(qū)、北區(qū)，以利分別單獨控制；但是應用得更多的是按冬季室內負荷性質不同而進行分區(qū)，分成內區(qū)和周邊區(qū)。 在同一區(qū)（譬如內區(qū)或周邊區(qū)）內，為了考慮節(jié)能運行，又人為地把一大塊面積的空間假想地按 150-250m2 劃分成一個個小區(qū)。每 1 個小區(qū)內由 1 臺代表該區(qū)溫度的溫度傳感器來控制該區(qū)的溫度。對此，部分國家的空調設計節(jié)以有規(guī)范中還明確地規(guī)定了這種分區(qū)的最大面積的限值。關于這一點，其實也是很容易理解的。如果一個很大的空

3、間僅由1 臺裝在某處的溫度傳感器來代表整個大空間的溫度進行溫度控制，那么由于氣流組織和各個局部負荷的差異，各處的溫度差別可能會很大，在同一時期內可能出現(xiàn)一處過冷，另一處過熱的現(xiàn)象。這種過冷、過熱，顯然便導致了能源的浪費。對此，這里不打算進行評述，下面擬著重討論內區(qū)和周邊區(qū)的問題。1幢大樓標準層平面一般至少得有 500-1000m2，其進深少則幾米，多則十幾米。經驗表明，緊鄰外墻、外穿的區(qū)間，冬季由于室外氣溫低于室內，通過外墻、外窗的傳滲透等影響，室內需要供暖，才能保持室內所需的溫度。但是，遠離外墻、外窗的區(qū)間，冬季卻沒有這炎熱損失，所以，它沒有供暖要求。非但如此，現(xiàn)有的現(xiàn)代化大廈的使用實踐經驗

4、表明，隨著辦公設備的迅速進步，室內使用的自動化辦公設備的種類和數(shù)量愈來愈多，如計算機、復印機、打印機、文件破碎處理機、傳真機等等。這些辦公設備的用電自然最終還是以熱的形式散發(fā)出來。另外，現(xiàn)代化大廈室內照明的照度標準也遠遠高于一般常規(guī)建筑。這樣大功率的照明燈具顯然也是全年穩(wěn)定的散熱源。所以，就這部分區(qū)間而言，冬季不但不需供暖，而且還得供冷，否則室內便會過熱?；诙具@兩個部分區(qū)間的兩種截然不同的空調要求，現(xiàn)在歐美、日本等國家的規(guī)范化做法都是首先在平面上劃分為周邊區(qū)和內區(qū)。內區(qū)需全年供冷，周邊區(qū)則是冬季供暖、夏季供冷。至于周邊區(qū)和內區(qū)的具體劃分方法，大致是把距周邊外圍護結構內表面 3-5m 的這一

5、區(qū)間定為周邊區(qū)，其余的面積則統(tǒng)稱內區(qū)。由于周邊區(qū)和內區(qū)冬季的運行工況不同，所以，在空調水系統(tǒng)的設計上必須作出相應的考慮和安排。譬如，在水系統(tǒng)方面，盡管對個別空調機組而言，一般都是采用雙管制；但是，對于整個中央空調的水系統(tǒng)，這時便不是雙管制所能滿足要求的了。因為在這種情況下，冬季一方面要考慮周邊區(qū)的供暖，需要供熱水；而另一方面又要顧及內區(qū)的供冷，必須供冷水。所以，從這一層意義上來主產，采用如此分區(qū)的空調工程的中央空調水系統(tǒng)必須是四管制。空調風系統(tǒng)在論及空調風系統(tǒng)的變化和新進展時，需要再重申一點，即我們的討論主要是針對以辦公為主要功能的高層辦公樓建筑而言，需要把以居住為主要功能的賓館客房撇開不談。

6、因為對于賓館、公寓之類建筑的空調方式，可以說至今還沒有出現(xiàn)其他任何一種能比風機盤管這種水空氣方式更為成熟、適用和經濟有效的空調方式。一、變風量空調方式的應用眾所周知，一般辦公樓在建筑和使用功能上不同于賓館、酒樓客房的一大特點就是空間大、面積大、內裝修講究、隔間的分隔要求能靈活多變。對于這類建筑，過去一直難于找到合適的空調方式。如果采用常規(guī)的全空氣方式，一方面送風管、回風管截面積大，很難適應高層建筑層高低的狀。另一方面，那么大的一個多區(qū)系統(tǒng)，各區(qū)的溫度控制要求也實在是眾口難調。因此，至今為止，不少辦公樓還都不得不采用帶獨立新風的風機盤管系統(tǒng)這樣的空調方式。然而，風機盤管系統(tǒng)存在不少問題，其中最大

7、的問題就是滴水問題。引起滴水的原因很多，譬如冷凍水供、回水管和滴水管的保溫不好，凝結不排水管安裝坡度不夠，滴水盤排水口積灰堵塞等等。這種種因素都會導致凝結水的滴漏并污染吊頂。另外，辦公樓開間大，其隔間隨用戶的變換，需頻繁改變，如果采用風機盤管機組，則其固定的送風口和回風口將很適應隔間的調整?；谏鲜龇N種因素的考慮，現(xiàn)在有些高級辦公樓的空調工程已決定擺脫風機盤管系統(tǒng)，取而代之的是如圖1 所示的變風量空調方式。按筆者的分析與歸納，這一系統(tǒng)具有一個很明顯的特征，即系統(tǒng)的層次清楚。概括起來講，可以歸納為3 個層次：樓、層、區(qū)。其具體的含義是： 第 1 層起，全樓設一套中央新風處理機組，這是一個定風量式

8、（CAV）系統(tǒng)，專門用于向各層送固定數(shù)量的新風。 第 2 層次，每層設 1 套或 2 套空氣處理機組和相應的一次送風系統(tǒng)。這是一個變風量式（ VAV）系統(tǒng)，其送風量可根據(jù)送風干管內的靜壓傳感器進行自動調節(jié)。另外，其送風溫度可由 1 只溫度傳感器進行預先設定的定值控制。 第 3 層次，每 1 個分區(qū)設 1 臺風機混合箱，或其他類型的終端，后者也像風機盤管一樣，暗裝在吊頂內。風機混合箱根據(jù)所在分區(qū)的溫度狀況，由溫度傳感器控制一次風的風量，然后通過軟管分別送到各個送風口。風機混合箱有兩種：一種用于內區(qū)，其中只有1 臺風機和過濾器，不含任何熱交換器；另一種適用于周邊區(qū)，其中除風機和過濾器外，還裝有一組

9、加熱器。另外，在一次風的接口風管上裝有風量調節(jié)閥，后者可根據(jù)各相應分區(qū)的溫度控制器的指令動作，調節(jié)一次風的風量。對每一個分區(qū)或每個風機混合箱而言，盡管其一次風量根據(jù)溫度控制的要求，隨時都在變化，但其總的送風量卻不會變化。這種系統(tǒng)的優(yōu)點主要表現(xiàn)在如下幾個方面：a.用全空氣方式取代了水 空氣方式的風機盤管， 從而從根本上杜絕了凝結水滴漏的可能性。b.它不同于一般的全空氣方式的空調系統(tǒng)，前者利用吊頂空調作回風室，基本上可省去回風管，而且一次風可采用低溫送風，溫度可以較低，因而一次風量可減少，從而可縮小送風干管的截面尺寸。c.與一般全空氣方式的多區(qū)系統(tǒng)不同，可實現(xiàn)各分區(qū)的獨立的溫度控制，從而改善室內溫

10、度分布狀態(tài)，并且可節(jié)能。d.可適應辦公室隔間的變化， 因為風機混合箱的安裝部位及回風口的位置均與其下面的隔墻無關，即使要改變送風口位置，也只需調整送風軟接管的走向即可。當然，這種系統(tǒng)也有其不足之處。首稱，在冬季，由于內區(qū)需供冷，周邊區(qū)需供暖，周邊區(qū)的一次風需要冷卻后再進行加熱，這顯然構成了能源的浪費。其次，在多數(shù)情況下，其造價要高于一般的風機盤管系統(tǒng)。二、雙風機的全空氣式系統(tǒng)在上海較早建成的一些高層辦公大樓里，現(xiàn)在反映比較普遍的一個主要問題就是新鮮空氣量不足，這引起了辦公樓內的工作人員的投訴和抱怨，這個問題已被專門的實測結果所證實。造成這種室內空氣品質問題的原因可能有多種，主要的還是空調系統(tǒng)設

11、計上的毛病。這主要表現(xiàn)在以下幾方面：a.在設計之初，雖然設計師在設計中也都按規(guī)定的標準考慮了必要的新風量；另外，衛(wèi)生間也按規(guī)范要求的換氣次數(shù)設計了排風。這樣的設計看似一切均按規(guī)范進行，并無什么不妥。但實際上，這只是紙上談兵。問題在于，若按僅有的幾處衛(wèi)生間的排風，其總的排風量還是太小，無論如何也平衡不了整個樓層所需的最小新風量。待建筑物建成投入運行后，往往由于無法開窗，新鮮空氣不能如設計上計算的那樣如數(shù)供應，導致大樓辦公區(qū)內新鮮空氣嚴重不足，住戶們成天抱怨頭昏頭痛。一旦查出原因，人們就不得不紛紛搬離這種惡劣的工作環(huán)境。b.在一些較早建成的豪華辦公大樓里，也許是由于機房面積過小， 難以安排；也許是

12、由于設計師為了省事，新風管往往不是直接接入空調機組內，而僅僅通入機房內，新風完全靠機房內的負壓吸入。這樣的做法，省事倒是省事，然而，實際效果卻令人遺憾。說起來，設計也是按規(guī)范取用新風量，但實際情況卻大相徑庭。c.所謂的變風量空調器不顧場合的濫用。對于高層辦公大廈， 先姑且不談其塔樓部分，且說那些高層辦公大樓幾乎必備的裙房部分。裙房一般均用作商店、餐飲、娛樂、集會場所。對于這些公共場所的空調，早期因缺少經驗采用風機盤管加新風的方式比較多。后來，大多數(shù)有經驗的設計單位在設計文件中往往都宣稱須要用的是全空氣變風量方式。但實際上采用的卻是所謂的 “變風量空調機組 ”。其實，這種變風量空調機組在功能上與

13、風機盤管類似，只能視作大型風機盤管機組，無法真正變風量。采用這種簡易式的空調機組是不能滿足全年節(jié)能運行和充足的新風要求的。那么，舒適性全空氣方式空調系統(tǒng)的標準模式應該是怎樣的呢？歸納起來，一個規(guī)范化的舒適性全空氣式空調系統(tǒng)應該是完全自動控制并帶有雙風機，可實現(xiàn)全年新風量調節(jié)，冬、夏季能確保最少新風量，春、秋季能實現(xiàn)節(jié)能經濟運行的系統(tǒng)。這一系統(tǒng)的基本組成及其簡單易行的控制原理見圖2.其相應的調節(jié)機構的控制作用見圖3、圖 4 和圖5.需要說明的是，關于舒適性空調的節(jié)能自動控制方法，根據(jù)氣象分區(qū)的不同，可有多種多樣的多工況自動邏輯程序控制方式。這些方式在微機的支持下盡管實現(xiàn)起來并不難，但卻顯得十分繁

14、雜。比較簡單易行、實用的當首推如圖2 中所示的三種工況分程控制。不管是模擬式控制，還是直接數(shù)字式控制，其動作的原理都可用圖3、圖4和圖5比較直觀地反映出來。分程控制的特點是靠執(zhí)行機構上的定位器（電子式或氣動式）預設的信號響應范圍（電壓或氣壓值范圍），來確保各調節(jié)機構（如聯(lián)動的新風和排風閥F1、F2，加熱閥 V1 和冷卻閥 V2）不同時間、有序地相繼動作。在這里一共采用了三個調節(jié)器101、102、103.調節(jié)器 101 的作用主要在于確保冬夏季最小新風量的設定。調節(jié)器103 的作用在于根據(jù)室外溫度， 對室內溫度傳感器設定值進行自動再調。新風閥 F1 和排風閥 F2（還有與之聯(lián)動，但作用相反的回風

15、閥F3）在過渡季根據(jù)室內熱負荷狀況逐步加大開度，以充分利用室外低溫空氣的自然供冷能力來代替制冷機運行。 這種作用在國外統(tǒng)稱為 “免費供冷 ” （freecooling）。“免費供冷 ”這是如今各國空調工程設計節(jié)能規(guī)范中必有的非常重要的一條。加拿大 1995 年國家空調工程設計節(jié)能規(guī)范對非居住建筑空調系統(tǒng)的節(jié)能經濟運行的相應規(guī)范條文是這樣記述的：除用于公寓、旅館、汽車旅館之外的， 風量在 1200l/s（4320m3/h）、供冷容量在 20kW 以上的所有空調系統(tǒng)都應在設計中考慮按照下列途徑，利用室外空氣，以求減小機械供冷的能耗：1、直接利用室外空氣供冷（新風節(jié)能運行系統(tǒng)）a.直接利用室外空氣以

16、降低機械供冷能耗的系統(tǒng)。 在采用新風與回風混合的過程中應能使室外空氣取用量達到 100%的程度，以獲得室內空調所需的進風溫度。b.在如上所述的系統(tǒng)中應設有自動控制裝置以使當室外空氣溫度高于回風溫度，或者當室外空氣值大于回風空氣值時，能自動地把新風量控制在滿足室內空氣品質要求的最小限度。c.除下述情況（即直接膨脹式系統(tǒng)， 為避免因新風取用量過大而導致融霜的情況）外，在如上述各條文中規(guī)定的系統(tǒng)設計條件下，應能在即使機械供冷裝置已準備妥當隨時可用的情況下，也可做到使新風和回風混合后的溫度盡可能接近室內空調所需的送風溫度。2、間接利用室外空氣供冷（水側節(jié)能運行系統(tǒng)）關于第 2 種新風供冷能力的利用方法

17、這里暫不討論，擬留在后面論及水系統(tǒng)時再予評述。另外，說來十分有趣，而且也很值得引起注意的是，在美國加州 1991 年的空調設計節(jié)能規(guī)范中，除上述類似的條文規(guī)定外，對如何確保室內新風量還作了若干十分明確的具體規(guī)定。規(guī)范要求，系統(tǒng)在投入使用前，必須進行認真的調試，以確保風量的平衡和新風量的導入。否則，每個系統(tǒng)必須在目的地安裝帶有讀數(shù)的就地或可遙測的新風量計測儀表，以利隨時直接觀察和監(jiān)測。由此可見，國外對于確?？照{新風量的問題也像國內一樣，受到普遍的關切，在一些新建的豪華大廈中對這一點怎么強調也不過分。顯然，采用帶自動控制的雙風機全空氣式系統(tǒng)是為滿足上述規(guī)范要求所必須的，因為這一方面可滿足關于新風供

18、冷的節(jié)能經濟運行的要求；另一方面又可隨時自動保持系統(tǒng)新風和排風之間的平衡，確保最小新風量的導入。也許正是因為如此，如今已有越來越多的場合，不僅像那些具有較好客觀安裝條件的高層建筑裙房部分，以及全年不允許開窗生產的工業(yè)廠房舒適性空調中趨向于采用如圖2 所示的系統(tǒng)，甚至某些新建的高層辦公大樓塔樓部分也開始出現(xiàn)采用這種系統(tǒng)的動向。例如，本市正在建筑中的某一超高層辦公樓的設計方案是通過國際設計招標，由德國一家設計公司中標而確定下來的。在該方案中，設計師提出了如圖 6 所示的雙風機全空氣空調方式結合采用降溫吊頂（ CoolingCeiling）方式。該空調方式有兩個特點：一是每13 層設 1 套全空氣式

19、空調系統(tǒng)，機房設于中間一層，分別向上面6 層和下面 6 層送風和排風；二是各室設置降溫吊頂，以作為夏季最熱期間的輔助降溫裝置。為防止冷水盤管表面結露，其入口水溫需自動控制保持高于 16。所用全空氣式系統(tǒng)全年送風溫度范圍為 1624。過渡期可利用 100%的全機關報風。 冬季和夏季則用乙二醇溶液循環(huán)裝置對排風的廢熱進行回收利用。三、大溫差或低溫送風近年來，國外基于節(jié)省熱媒輸送能耗，推行大溫差小流量系統(tǒng)。對于空氣介質而言，這類系統(tǒng)便是大溫差的低溫送風系統(tǒng)。具體的做法是有時用 5的低溫水，有時也可用 7的通常冷水把空氣處理到 10左右，作為一次風送入風機混合箱與回風混合，稍升溫后送入室內；也可直接通

20、入變風量末端裝置，以誘導室內空氣與之混合，迅速減少送風溫差。低溫送風的好處主要有 3 點： 可減小送風量，降低風機動力消耗； 可減小送風管截面尺寸， 有利于高層建筑層高的有效利用； 有利于降低室內相對溫度，改善舒適度。如今在上海采用低溫送風的工程有諸如 88 層的金茂大廈、上海證券大廈、原萬國金融大廈等高層和超高層建筑，也有像在建的上海兒童醫(yī)學中心這類高標準的現(xiàn)代化醫(yī)院建筑。四、置換式通風空調系統(tǒng)置換式通風空調不同于通常的混合式空調方式，主要表現(xiàn)在如下幾點：a.采取下送上回的送風方式， 可使清潔的送風氣流首先進入室內人員呼吸帶和有效活動區(qū)，形成有利于改善工作區(qū)的空氣品質。b.采用低速送風，導致

21、氣流緩慢擴散上升， 形成垂直方向上的溫度成層和溫升梯度，提高了排風和回風溫度，可節(jié)省夏季運行能耗。c.由于是下送風，送風溫度相對較高，對于全空氣式系統(tǒng)的運行，加大了過渡季利用新風自然供冷的潛力，延長了其節(jié)能經濟運行的周期，從而可更加縮短全年機械供冷的時間，進一步增大了節(jié)能效益。鑒于上述特點，置換式通風空調方式普遍適用于一切以舒適性為目的公共場所，如影響劇院、體育館等。據(jù)悉，在建的上海大劇院建筑設計方案為法國建筑師的作品，其觀眾廳采用的即是座椅下送風的置換式空調方式。另外，據(jù)認為，置換式通風空調方式應用于一般被視作難題的中庭空調，可獲得獨特的效果?？傊谥脫Q式通風空調方式的諸多優(yōu)點，預計隨著其送風分布器的逐步國產化，必將在我國為人們所廣泛接受。五、 “地板下空調裝置 ”這是日本一家設計公司在上海某高層建筑設計方案國際招標活動中標投標書中所提出的一種新