连载· 44 |《变风量空调系统》——7.2 珠江城大厦柔性中央空调系统设计应用
2018-05-11
7.2.1工程简介
珠江城大厦是中国烟草总公司广东省公司投资的经营性项目，定位为国际超甲级写字楼，并配套商务餐饮、商务会所、高级会议中心、环景大厅等功能。珠江城大厦位于广州珠江新城核心区，作为广州未来的中央商务区（CBD），代表了这个生机勃勃南方大都市的品质和尊贵。
珠江城提出的“零能耗”设计理念大打“节能低碳牌”， 综合运用风力发电、太阳能发电、辐射制冷结合变风量置换通风、高性能幕墙、日光感应及人员感应控制等先进技术，是国际上首座综合运用这些技术的超高层建筑。珠江城不仅室内环境高品质，而且空调全面能耗还很低。2017年经广东建科院测试，每平方建筑面积空调年耗电量28.4kWh。
大楼标高309.4m，地下6层、地上71层，总建筑面积214355m2，其中地上建筑面积为169243m2，地下建筑面积为45112m2。
7.2.2 基于绝对含湿量VAV控制的柔性中央空调设计
1、冷热源系统
工程制冷系统总装机冷负荷为15964kW，由3 组共6台640RT 的大温差串联冷水机组制冷系统以及2 台螺杆式热泵机组提供，冷水进出水温度为16/6℃；大楼59~71 层办公楼的空调总装机冷负荷为1872kW，新风处理冷源由带全热热回收溶液除湿新风机组提供。
工程供热系统总装机热负荷为 2000kW，由2 台284.5RT 的螺杆式水冷热泵冷机组提供，热水进出温度为34/39℃；大楼59~71 层办公楼的空调总装机热负荷为453kW， 由带全热回收的风冷热泵式溶液除湿新风机组提供。
冷热源系统原理如图7-9 所示，其主要设备如图7-10 所示。
图7-9 冷热源系统原理图
图7-10 主要设备
2、干式末端系统
工程9F-70F办公区域的空调系统采用温、湿度独立控制的柔性空调系统。新风承担室内的全部湿负荷和部分显热负荷，其余显热负荷由冷辐射板和主动冷梁承担（见图7-11、图7-12）。本工程的空调系统分内、外区系统，外区采用主动冷梁、内区采用金属吊顶冷辐射系统，外区主动冷梁可以及时的捕获外围护结构的得热和渗透进来的热湿空气，并加以处理，确保内区冷辐射板的安全运行。
图7-11 冷辐射板
图7-12 主动冷梁
冷辐射空调系统房间的舒适温度通常可比传统空调高 1~2℃，这样可以降低空调冷 负荷，节省能源消耗；由于冷辐射系统为自然对流和辐射传热，没有循环风机，可以节 省大量的风机能耗；另外温、湿度独立控制系统使用冷冻水的品位高低分明，冷辐射板 和主动冷梁的供回水温度为 16/19℃，为大温差冷冻水系统和冷冻水梯级利用系统创造 了条件，大大提高了系统综合效率。
3、VAV新风系统
工程新风采用 VAV 地板置换新风系统（见图 7-13、图 7-14），VAVTMN 的送风量 由房间绝对含湿量确定。另外采用压力控制的排气系统，控制房间的正压。
图 7-13 VAV 地板置换新风系统示意图
图 7-14 VAV 新风系统控制原理图
VAV 新风系统采用双级静压控制策略。第一级：楼层变风量控制，根据新风 VAV 阀门开度调节楼层电动风阀开度（变静压控制策略）；第二级：新风机组变频控制，根 据新风管静压变化调节新风机组风机频率（定静压控制策略）。如图 7-15、图 7-16 所示。
图 7-15 新风压力无关 VAV 湿度控制模式
图 7-16 新风 VAV 变静压控制策略逻辑图
7.2.3 空调系统运行测试
广州建设工程质量安全检测中心有限公司，于 2013 年 9 月 2 日至 9 月 7 日，对珠 江城项目进行检测，并出具《珠江城基于绝对湿度控制的冷辐射空调系统测试报告》。
检测依据：GB 50411—2007《建筑节能工程施工质量验收规范》；DBJ 15-65—2009《广东省建筑节能工程施工质量验收规范》；GB 50189—2005《公共建筑节能设计标准》； DBJ 15-51—2007《〈公共建筑节能设计标准〉广东省实施细则》；GB 50243—2002《通风与空调工程施工质量验收规范》；项目相关技术资料（设计图样等）。 项目测试阶段只有 11~13 楼投入使用，因此选定 13 层作为测试楼层。测试过程中将 14~22 层和 9~10 层的各层新风支管上的定风量调节阀的风量值设定为额定风量的 30%，11~13 层按原设计运行。
7.2.3.1新风对房间含湿量控制的稳定性测试
当室内湿度发生变化时，测试 VAV 风量控制室内绝对含湿量的稳定性。先将房间湿度处理到7.8g/kg 以下，当室内人员密度发生变化时，室内湿负荷也发生相应变化。开启VAV并将室内绝对含湿量设定为7.8g/kg，观察并记录房间温湿度变化、VAV 阀门开度以及风量变化情况。
下午14:20，观测房间内无人，此时温度为24.4℃，含湿量为7.4g/kg。14:30 房间内陆续有人进入，房间湿负荷升高，15:30 以后室内人员陆续走出房间，房间湿负荷降低，检测这段时间内房间温、湿度的变化情况；通过电脑终端观察各新风TMN 的阀位状态，整理于图7-17。
图 7-17 房间温度、含湿量、相对湿度变化曲线
图7-17显示：在房间湿负荷升高又降低的变化过程中，房间的干球温度和绝对含湿量基本保持恒定，房间含湿量一直保持在设定值7.8g/kg 以下，达到了恒温恒湿的设计要求。
图 7-18 新风 TMN 的阀位和风量变化
从图7-17、图7-18 可以看出，当房间人员增多导致湿负荷升高后，房间含湿量有上升趋势，此时新风TMN 及时响应，增大阀位开度，新风量随之增大，很好地稳定了室内的绝对含湿量，使得室内含湿量一直保持在7.8g/kg左右；当15:30 房间内的人员陆续走出房间后，房间湿负荷变小，TMN 阀位和新风量也相应的减小了。
7.2.3.2 VAV-TMN风量测试
于9月22~26日，对13层的1号~35号VAV-TMN风量进行时间间隔为1h的测试，表7-10为1号~6号TMN9月22日的测试数据；图7-19 为1号、2号、4号、6号TMN9月22~26日的测试数据。
表7-10 1号~6号VAV-TMN风量（9月22日）
图7-19 1号、2号、4号、6号VAV-TMN风量（9月22~26日）
从以上测试结果可以看出，在白天刚打开空调时，由于湿负荷较大，新风量根据除 湿需求而定，此时新风量为全天最大值，随着新风机组的运行，房间湿负荷逐渐降低，新风量降低，维持在最小新风量上下运行。
7.2.3.3新风机组频率测试
于9月22~26日，对4 台新风机组的风机频率及13层VAV总新风量进行时间间隔为1h 的测试，表7-11 为9 月22日的测试数据；图 7-20为9月22~26日的测试结果。
表7-11 新风机组风机频率及13层总新风量（9月22日）
图7-20 新风机组频率变化（9月22~26日）
从以上测试结果可以看出：由于该办公楼只有11~13楼投入使 用，14~22 层和9~10层的各层新风量值设定为额定风量的30%，在整个测试期间风机频率一直在17.2~22.3 Hz之间变化；白天刚开起新风机组时，房间湿负荷较大，风机频率相对较高，随着新风机组运行时间的推移，风机频率逐渐降低，直至稳定在一个频率下运行。
因此，新风机组风机变频控制实现了按需控制新风量、降低风机能耗的目的。
7.2.3.4新风除湿过程测试
对除湿新风系统的新风状态进行测试，整理得夏季新风的除湿处理过程如图7-21所示。室外高温、高湿气体经新风机组内置的带热回收热泵预冷除湿后，由新风机组内冷盘管进一步降温除湿后，利用内置热泵的热回收加热升温后，达到送风状态送入室内，承担房间全部湿负荷与部分冷负荷。
图7-21 实测新风机的新风处理过程
7.2.3.5空调房间热舒适性验证测试
工程VAV系统运行效果较优，空调房间温度和湿度均能满足舒适性需求，尤其对于9~70F 采用温湿度独立控制系统的办公区域，房间湿度可准确控制在限定值以下，房间干球温度可控制在设定值上下0.3℃范围内。图7-22 为13 层办公区域各房间参数的控制界面截图，表7-12为测试房间白天空调时间内温、湿度数据。
图 7-22 大楼 13 层控制界面截图
表 7-12 测试房间温、湿度数据表
由表7-12可看出，测试房间的设定绝对含湿量上限为12g/kg 干空气，实际室内绝对含湿量在7.5~11.7g/kg之间，均未超过设定上限值；室内干球温度设定值为26℃，实测室内干球温度全天在 25.7~26.3℃之间波动，即干球温度在设定值±0.3℃范围内波动。
7.2.4案例小结
珠江城办公楼空调系统采用温湿度独立控制空调方式，利用冷辐射板（内区房间）和主动冷梁（外区房间）控制房间温度、VAV 新风系统控制房间绝对含湿量，实现了冷冻水的大温差、梯级利用，大大提高系统能效。
经测试，结果表明：
（1）在房间人员负荷波动的情况下，房间湿度可准确控制在限定值以下，房间干球温度可控制在设定值上下 0.3℃范围内。
（2）采用新风控制房间绝对含湿量的控制模式，可真正实现需求化通风，降低新风负荷。
（3）新风机采用压力控制变频系统，降低新风冷却除湿能耗的同时减少风机的运行能耗。
（4）新风机组可完全承担房间湿负荷，除湿过程中利用余热回收对新风进行再热，降低除湿能耗。
本工程采用的柔性中央空调系统可将空调房间温、湿度稳定控制在舒适范围内，同时具有非常显著的节能效果。
