上海高层建筑空调设计新方法

上海高层建筑空调设计新方法内容提要：当代空调的发展离不开两个可说是永恒的主题：一个是室内空气品质；另一个则是节能运行。所以，涉及空调的几乎一切新技术、新方法均是围绕着这两个主题，力求创新。本文主要介绍近几年来境外设计单位在承接上海某些高层办公楼设计中所采用的一些新设计方法，并结合国外的最新空调工程设计节能规范和个人的心得体会予以综合评述。本文的目的主要在于罗列并介绍笔者近年来对于上海地区这类高级民用与工业空调领域中的一些有关新技术、新方法的见闻，并结合国外最新的空调工程设计节能规范，浅谈个人的认识和见解。关于空调平面分区概况在欧美和日本，对于像诸如商场、餐饮、办公楼等大面积空间的空调设计都遵循一个基本前提——平面分区。所谓平面分区主要有两层含义：①根据负荷状态下的不同进行分区。譬如，在某些场合，考虑到太阳辐射热负荷可能随朝向和时间有很大变化，故按朝向可分成东区、西区、南区、北区，以利分别单独控制；但是应用得更多的是按冬季室内负荷性质不同而进行分区，分成内区和周边区。②在同一区（譬如内区或周边区）内，为了考虑节能运行，又人为地把一大块面积的空间假想地按150-250m2划分成一个个小区。每1个小区内由1台代表该区温度的温度传感器来控制该区的温度。对此，部分国家的空调设计节以有规范中还明确地规定了这种分区的最大面积的限值。关于这一点，其实也是很容易理解的。如果一个很大的空间仅由1台装在某处的温度传感器来代表整个大空间的温度进行温度控制，那么由于气流组织和各个局部负荷的差异，各处的温度差别可能会很大，在同一时期内可能出现一处过冷，另一处过热的现象。这种过冷、过热，显然便导致了能源的浪费。对此，这里不打算进行评述，下面拟着重讨论内区和周边区的问题。1幢大楼标准层平面一般至少得有500-1000m2，其进深少则几米，多则十几米。经验表明，紧邻外墙、外穿的区间，冬季由于室外气温低于室内，通过外墙、外窗的传渗透等影响，室内需要供暖，才能保持室内所需的温度。但是，远离外墙、外窗的区间，冬季却没有这炎热损失，所以，它没有供暖要求。非但如此，现有的现代化大厦的使用实践经验表明，随着办公设备的迅速进步，室内使用的自动化办公设备的种类和数量愈来愈多，如计算机、复印机、打印机、文件破碎处理机、传真机等等。这些办公设备的用电自然最终还是以热的形式散发出来。另外，现代化大厦室内照明的照度标准也远远高于一般常规建筑。这样大功率的照明灯具显然也是全年稳定的散热源。所以，就这部分区间而言，冬季不但不需供暖，而且还得供冷，否则室内便会过热。基于冬季这两个部分区间的两种截然不同的空调要求，现在欧美、日本等国家的规范化做法都是首先在平面上划分为周边区和内区。内区需全年供冷，周边区则是冬季供暖、夏季供冷。至于周边区和内区的具体划分方法，大致是把距周边外围护结构内表面3-5m的这一区间定为周边区，其余的面积则统称内区。由于周边区和内区冬季的运行工况不同，所以，在空调水系统的设计上必须作出相应的考虑和安排。譬如，在水系统方面，尽管对个别空调机组而言，一般都是采用双管制；但是，对于整个中央空调的水系统，这时便不是双管制所能满足要求的了。因为在这种情况下，冬季一方面要考虑周边区的供暖，需要供热水；而另一方面又要顾及内区的供冷，必须供冷水。所以，从这一层意义上来主产，采用如此分区的空调工程的中央空调水系统必须是四管制。空调风系统在论及空调风系统的变化和新进展时，需要再重申一点，即我们的讨论主要是针对以办公为主要功能的高层办公楼建筑而言，需要把以居住为主要功能的宾馆客房撇开不谈。因为对于宾馆、公寓之类建筑的空调方式，可以说至今还没有出现其他任何一种能比风机盘管这种水—空气方式更为成熟、适用和经济有效的空调方式。一、变风量空调方式的应用众所周知，一般办公楼在建筑和使用功能上不同于宾馆、酒楼客房的一大特点就是空间大、面积大、内装修讲究、隔间的分隔要求能灵活多变。对于这类建筑，过去一直难于找到合适的空调方式。如果采用常规的全空气方式，一方面送风管、回风管截面积大，很难适应高层建筑层高低的状。另一方面，那么大的一个多区系统，各区的温度控制要求也实在是众口难调。因此，至今为止，不少办公楼还都不得不采用带独立新风的风机盘管系统这样的空调方式。然而，风机盘管系统存在不少问题，其中最大的问题就是滴水问题。引起滴水的原因很多，譬如冷冻水供、回水管和滴水管的保温不好，凝结不排水管安装坡度不够，滴水盘排水口积灰堵塞等等。这种种因素都会导致凝结水的滴漏并污染吊顶。另外，办公楼开间大，其隔间随用户的变换，需频繁改变，如果采用风机盘管机组，则其固定的送风口和回风口将很适应隔间的调整。基于上述种种因素的考虑，现在有些高级办公楼的空调工程已决定摆脱风机盘管系统，取而代之的是如图1所示的变风量空调方式。按笔者的分析与归纳，这一系统具有一个很明显的特征，即系统的层次清楚。概括起来讲，可以归纳为3个层次：楼、层、区。其具体的含义是：①第1层起，全楼设一套中央新风处理机组，这是一个定风量式（CAV）系统，专门用于向各层送固定数量的新风。②第2层次，每层设1套或2套空气处理机组和相应的一次送风系统。这是一个变风量式（VAV）系统，其送风量可根据送风干管内的静压传感器进行自动调节。另外，其送风温度可由1只温度传感器进行预先设定的定值控制。③第3层次，每1个分区设1台风机混合箱，或其他类型的终端，后者也像风机盘管一样，暗装在吊顶内。风机混合箱根据所在分区的温度状况，由温度传感器控制一次风的风量，然后通过软管分别送到各个送风口。风机混合箱有两种：一种用于内区，其中只有1台风机和过滤器，不含任何热交换器；另一种适用于周边区，其中除风机和过滤器外，还装有一组加热器。另外，在一次风的接口风管上装有风量调节阀，后者可根据各相应分区的温度控制器的指令动作，调节一次风的风量。对每一个分区或每个风机混合箱而言，尽管其一次风量根据温度控制的要求，随时都在变化，但其总的送风量却不会变化。这种系统的优点主要表现在如下几个方面：a.用全空气方式取代了水—空气方式的风机盘管，从而从根本上杜绝了凝结水滴漏的可能性。b.它不同于一般的全空气方式的空调系统，前者利用吊顶空调作回风室，基本上可省去回风管，而且一次风可采用低温送风，温度可以较低，因而一次风量可减少，从而可缩小送风干管的截面尺寸。c.与一般全空气方式的多区系统不同，可实现各分区的独立的温度控制，从而改善室内温度分布状态，并且可节能。d.可适应办公室隔间的变化，因为风机混合箱的安装部位及回风口的位置均与其下面的隔墙无关，即使要改变送风口位置，也只需调整送风软接管的走向即可。当然，这种系统也有其不足之处。首称，在冬季，由于内区需供冷，周边区需供暖，周边区的一次风需要冷却后再进行加热，这显然构成了能源的浪费。其次，在多数情况下，其造价要高于一般的风机盘管系统。二、双风机的全空气式系统在上海较早建成的一些高层办公大楼里，现在反映比较普遍的一个主要问题就是新鲜空气量不足，这引起了办公楼内的工作人员的投诉和抱怨，这个问题已被专门的实测结果所证实。造成这种室内空气品质问题的原因可能有多种，主要的还是空调系统设计上的毛病。这主要表现在以下几方面：a.在设计之初，虽然设计师在设计中也都按规定的标准考虑了必要的新风量；另外，卫生间也按规范要求的换气次数设计了排风。这样的设计看似一切均按规范进行，并无什么不妥。但实际上，这只是纸上谈兵。问题在于，若按仅有的几处卫生间的排风，其总的排风量还是太小，无论如何也平衡不了整个楼层所需的最小新风量。待建筑物建成投入运行后，往往由于无法开窗，新鲜空气不能如设计上计算的那样如数供应，导致大楼办公区内新鲜空气严重不足，住户们成天抱怨头昏头痛。一旦查出原因，人们就不得不纷纷搬离这种恶劣的工作环境。b.在一些较早建成的豪华办公大楼里，也许是由于机房面积过小，难以安排；也许是由于设计师为了省事，新风管往往不是直接接入空调机组内，而仅仅通入机房内，新风完全靠机房内的负压吸入。这样的做法，省事倒是省事，然而，实际效果却令人遗憾。说起来，设计也是按规范取用新风量，但实际情况却大相径庭。c.所谓的变风量空调器不顾场合的滥用。对于高层办公大厦，先姑且不谈其塔楼部分，且说那些高层办公大楼几乎必备的裙房部分。裙房一般均用作商店、餐饮、娱乐、集会场所。对于这些公共场所的空调，早期因缺少经验采用风机盘管加新风的方式比较多。后来，大多数有经验的设计单位在设计文件中往往都宣称须要用的是全空气变风量方式。但实际上采用的却是所谓的“变风量空调机组”。其实，这种变风量空调机组在功能上与风机盘管类似，只能视作大型风机盘管机组，无法真正变风量。采用这种简易式的空调机组是不能满足全年节能运行和充足的新风要求的。那么，舒适性全空气方式空调系统的标准模式应该是怎样的呢？归纳起来，一个规范化的舒适性全空气式空调系统应该是完全自动控制并带有双风机，可实现全年新风量调节，冬、夏季能确保最少新风量，春、秋季能实现节能经济运行的系统。这一系统的基本组成及其简单易行的控制原理见图2.其相应的调节机构的控制作用见图3、图4和图5.需要说明的是，关于舒适性空调的节能自动控制方法，根据气象分区的不同，可有多种多样的多工况自动逻辑程序控制方式。这些方式在微机的支持下尽管实现起来并不难，但却显得十分繁杂。比较简单易行、实用的当首推如图2中所示的三种工况分程控制。不管是模拟式控制，还是直接数字式控制，其动作的原理都可用图3、图4和图5比较直观地反映出来。分程控制的特点是靠执行机构上的定位器（电子式或气动式）预设的信号响应范围（电压或气压值范围），来确保各调节机构（如联动的新风和排风阀F1、F2，加热阀V1和冷却阀V2）不同时间、有序地相继动作。在这里一共采用了三个调节器101、102、103.调节器101的作用主要在于确保冬夏季最小新风量的设定。调节器103的作用在于根据室外温度，对室内温度传感器设定值进行自动再调。新风阀F1和排风阀F2（还有与之联动，但作用相反的回风阀F3）在过渡季根据室内热负荷状况逐步加大开度，以充分利用室外低温空气的自然供冷能力来代替制冷机运行。这种作用在国外统称为“免费供冷”（freecooling）。“免费供冷”这是如今各国空调工程设计节能规范中必有的非常重要的一条。加拿大1995年国家空调工程设计节能规范对非居住建筑空调系统的节能经济运行的相应规范条文是这样记述的：除用于公寓、旅馆、汽车旅馆之外的，风量在1200l/s（4320m3/h）、供冷容量在20kW以上的所有空调系统都应在设计中考虑按照下列途径，利用室外空气，以求减小机械供冷的能耗：1、直接利用室外空气供冷（新风节能运行系统）a.直接利用室外空气以降低机械供冷能耗的系统。在采用新风与回风混合的过程中应能使室外空气取用量达到100%的程度，以获得室内空调所需的进风温度。b.在如上所述的系统中应设有自动控制装置以使当室外空气温度高于回风温度，或者当室外空气值大于回风空气值时，能自动地把新风量控制在满足室内空气品质要求的最小限度。c.除下述情况（即直接膨胀式系统，为避免因新风取用量过大而导致融霜的情况）外，在如上述各条文中规定的系统设计条件下，应能在即使机械供冷装置已准备妥当随时可用的情况下，也可做到使新风和回风混合后的温度尽可能接近室内空调所需的送风温度。2、间接利用室外空气供冷（水侧节能运行系统）关于第2种新风供冷能力的利用方法这里暂不讨论，拟留在后面论及水系统时再予评述。另外，说来十分有趣，而且也很值得引起注意的是，在美国加州1991年的空调设计节能规范中，除上述类似的条文规定外，对如何确保室内新风量还作了若干十分明确的具体规定。规范要求，系统在投入使用前，必须进行认真的调试，以确保风量的平衡和新风量的导入。否则，每个系统必须在目的地安装带有读数的就地或可遥测的新风量计测仪表，以利随时直接观察和监测。由此可见，国外对于确保空调新风量的问题也像国内一样，受到普遍的关切，在一些新建的豪华大厦中对这一点怎么强调也不过分。显然，采用带自动控制的双风机全空