連載· 44 |《變風量空調系統》——7.2 珠江城大廈柔性中央空調系統設計應用
2018-05-11
7.2.1工程簡介
珠江城大廈是中國煙草總公司廣東省公司投資的經營性項目，定位為國際超甲級寫字樓，并配套商務餐飲、商務會所、高級會議中心、環景大廳等功能。珠江城大廈位于廣州珠江新城核心區，作為廣州未來的中央商務區（CBD），代表了這個生機勃勃南方大都市的品質和尊貴。
珠江城提出的“零能耗”設計理念大打“節能低碳牌”， 綜合運用風力發電、太陽能發電、輻射制冷結合變風量置換通風、高性能幕墻、日光感應及人員感應控制等先進技術，是國際上首座綜合運用這些技術的超高層建筑。珠江城不僅室內環境高品質，而且空調全面能耗還很低。2017年經廣東建科院測試，每平方建筑面積空調年耗電量28.4kWh。
大樓標高309.4m，地下6層、地上71層，總建筑面積214355m2，其中地上建筑面積為169243m2，地下建筑面積為45112m2。
7.2.2 基于絕對含濕量VAV控制的柔性中央空調設計
1、冷熱源系統
工程制冷系統總裝機冷負荷為15964kW，由3 組共6臺640RT 的大溫差串聯冷水機組制冷系統以及2 臺螺桿式熱泵機組提供，冷水進出水溫度為16/6℃；大樓59~71 層辦公樓的空調總裝機冷負荷為1872kW，新風處理冷源由帶全熱熱回收溶液除濕新風機組提供。
工程供熱系統總裝機熱負荷為 2000kW，由2 臺284.5RT 的螺桿式水冷熱泵冷機組提供，熱水進出溫度為34/39℃；大樓59~71 層辦公樓的空調總裝機熱負荷為453kW， 由帶全熱回收的風冷熱泵式溶液除濕新風機組提供。
冷熱源系統原理如圖7-9 所示，其主要設備如圖7-10 所示。
圖7-9 冷熱源系統原理圖
圖7-10 主要設備
2、干式末端系統
工程9F-70F辦公區域的空調系統采用溫、濕度獨立控制的柔性空調系統。新風承擔室內的全部濕負荷和部分顯熱負荷，其余顯熱負荷由冷輻射板和主動冷梁承擔（見圖7-11、圖7-12）。本工程的空調系統分內、外區系統，外區采用主動冷梁、內區采用金屬吊頂冷輻射系統，外區主動冷梁可以及時的捕獲外圍護結構的得熱和滲透進來的熱濕空氣，并加以處理，確保內區冷輻射板的安全運行。
圖7-11 冷輻射板
圖7-12 主動冷梁
冷輻射空調系統房間的舒適溫度通常可比傳統空調高 1~2℃，這樣可以降低空調冷 負荷，節省能源消耗；由于冷輻射系統為自然對流和輻射傳熱，沒有循環風機，可以節 省大量的風機能耗；另外溫、濕度獨立控制系統使用冷凍水的品位高低分明，冷輻射板 和主動冷梁的供回水溫度為 16/19℃，為大溫差冷凍水系統和冷凍水梯級利用系統創造 了條件，大大提高了系統綜合效率。
3、VAV新風系統
工程新風采用 VAV 地板置換新風系統（見圖 7-13、圖 7-14），VAVTMN 的送風量 由房間絕對含濕量確定。另外采用壓力控制的排氣系統，控制房間的正壓。
圖 7-13 VAV 地板置換新風系統示意圖
圖 7-14 VAV 新風系統控制原理圖
VAV 新風系統采用雙級靜壓控制策略。第一級：樓層變風量控制，根據新風 VAV 閥門開度調節樓層電動風閥開度（變靜壓控制策略）；第二級：新風機組變頻控制，根 據新風管靜壓變化調節新風機組風機頻率（定靜壓控制策略）。如圖 7-15、圖 7-16 所示。
圖 7-15 新風壓力無關 VAV 濕度控制模式
圖 7-16 新風 VAV 變靜壓控制策略邏輯圖
7.2.3 空調系統運行測試
廣州建設工程質量安全檢測中心有限公司，于 2013 年 9 月 2 日至 9 月 7 日，對珠 江城項目進行檢測，并出具《珠江城基于絕對濕度控制的冷輻射空調系統測試報告》。
檢測依據：GB 50411—2007《建筑節能工程施工質量驗收規范》；DBJ 15-65—2009《廣東省建筑節能工程施工質量驗收規范》；GB 50189—2005《公共建筑節能設計標準》； DBJ 15-51—2007《〈公共建筑節能設計標準〉廣東省實施細則》；GB 50243—2002《通風與空調工程施工質量驗收規范》；項目相關技術資料（設計圖樣等）。 項目測試階段只有 11~13 樓投入使用，因此選定 13 層作為測試樓層。測試過程中將 14~22 層和 9~10 層的各層新風支管上的定風量調節閥的風量值設定為額定風量的 30%，11~13 層按原設計運行。
7.2.3.1新風對房間含濕量控制的穩定性測試
當室內濕度發生變化時，測試 VAV 風量控制室內絕對含濕量的穩定性。先將房間濕度處理到7.8g/kg 以下，當室內人員密度發生變化時，室內濕負荷也發生相應變化。開啟VAV并將室內絕對含濕量設定為7.8g/kg，觀察并記錄房間溫濕度變化、VAV 閥門開度以及風量變化情況。
下午14:20，觀測房間內無人，此時溫度為24.4℃，含濕量為7.4g/kg。14:30 房間內陸續有人進入，房間濕負荷升高，15:30 以后室內人員陸續走出房間，房間濕負荷降低，檢測這段時間內房間溫、濕度的變化情況；通過電腦終端觀察各新風TMN 的閥位狀態，整理于圖7-17。
圖 7-17 房間溫度、含濕量、相對濕度變化曲線
圖7-17顯示：在房間濕負荷升高又降低的變化過程中，房間的干球溫度和絕對含濕量基本保持恒定，房間含濕量一直保持在設定值7.8g/kg 以下，達到了恒溫恒濕的設計要求。
圖 7-18 新風 TMN 的閥位和風量變化
從圖7-17、圖7-18 可以看出，當房間人員增多導致濕負荷升高后，房間含濕量有上升趨勢，此時新風TMN 及時響應，增大閥位開度，新風量隨之增大，很好地穩定了室內的絕對含濕量，使得室內含濕量一直保持在7.8g/kg左右；當15:30 房間內的人員陸續走出房間后，房間濕負荷變小，TMN 閥位和新風量也相應的減小了。
7.2.3.2 VAV-TMN風量測試
于9月22~26日，對13層的1號~35號VAV-TMN風量進行時間間隔為1h的測試，表7-10為1號~6號TMN9月22日的測試數據；圖7-19 為1號、2號、4號、6號TMN9月22~26日的測試數據。
表7-10 1號~6號VAV-TMN風量（9月22日）
圖7-19 1號、2號、4號、6號VAV-TMN風量（9月22~26日）
從以上測試結果可以看出，在白天剛打開空調時，由于濕負荷較大，新風量根據除 濕需求而定，此時新風量為全天最大值，隨著新風機組的運行，房間濕負荷逐漸降低，新風量降低，維持在最小新風量上下運行。
7.2.3.3新風機組頻率測試
于9月22~26日，對4 臺新風機組的風機頻率及13層VAV總新風量進行時間間隔為1h 的測試，表7-11 為9 月22日的測試數據；圖 7-20為9月22~26日的測試結果。
表7-11 新風機組風機頻率及13層總新風量（9月22日）
圖7-20 新風機組頻率變化（9月22~26日）
從以上測試結果可以看出：由于該辦公樓只有11~13樓投入使 用，14~22 層和9~10層的各層新風量值設定為額定風量的30%，在整個測試期間風機頻率一直在17.2~22.3 Hz之間變化；白天剛開起新風機組時，房間濕負荷較大，風機頻率相對較高，隨著新風機組運行時間的推移，風機頻率逐漸降低，直至穩定在一個頻率下運行。
因此，新風機組風機變頻控制實現了按需控制新風量、降低風機能耗的目的。
7.2.3.4新風除濕過程測試
對除濕新風系統的新風狀態進行測試，整理得夏季新風的除濕處理過程如圖7-21所示。室外高溫、高濕氣體經新風機組內置的帶熱回收熱泵預冷除濕后，由新風機組內冷盤管進一步降溫除濕后，利用內置熱泵的熱回收加熱升溫后，達到送風狀態送入室內，承擔房間全部濕負荷與部分冷負荷。
圖7-21 實測新風機的新風處理過程
7.2.3.5空調房間熱舒適性驗證測試
工程VAV系統運行效果較優，空調房間溫度和濕度均能滿足舒適性需求，尤其對于9~70F 采用溫濕度獨立控制系統的辦公區域，房間濕度可準確控制在限定值以下，房間干球溫度可控制在設定值上下0.3℃范圍內。圖7-22 為13 層辦公區域各房間參數的控制界面截圖，表7-12為測試房間白天空調時間內溫、濕度數據。
圖 7-22 大樓 13 層控制界面截圖
表 7-12 測試房間溫、濕度數據表
由表7-12可看出，測試房間的設定絕對含濕量上限為12g/kg 干空氣，實際室內絕對含濕量在7.5~11.7g/kg之間，均未超過設定上限值；室內干球溫度設定值為26℃，實測室內干球溫度全天在 25.7~26.3℃之間波動，即干球溫度在設定值±0.3℃范圍內波動。
7.2.4案例小結
珠江城辦公樓空調系統采用溫濕度獨立控制空調方式，利用冷輻射板（內區房間）和主動冷梁（外區房間）控制房間溫度、VAV 新風系統控制房間絕對含濕量，實現了冷凍水的大溫差、梯級利用，大大提高系統能效。
經測試，結果表明：
（1）在房間人員負荷波動的情況下，房間濕度可準確控制在限定值以下，房間干球溫度可控制在設定值上下 0.3℃范圍內。
（2）采用新風控制房間絕對含濕量的控制模式，可真正實現需求化通風，降低新風負荷。
（3）新風機采用壓力控制變頻系統，降低新風冷卻除濕能耗的同時減少風機的運行能耗。
（4）新風機組可完全承擔房間濕負荷，除濕過程中利用余熱回收對新風進行再熱，降低除濕能耗。
本工程采用的柔性中央空調系統可將空調房間溫、濕度穩定控制在舒適范圍內，同時具有非常顯著的節能效果。
