北京某会议室空调系统节能设计与控制
作者：101空间设计 时间：2022-11-14 08:30
在现代办公建筑中，空调和新风己成为不可或缺的需求。随着现代建筑的品质提升，新风逐渐成为衡量建筑档次的重要依据，高档办公新风量需求高、室内温度的舒适要求也高。然而我国的建筑空调能耗也在逐年上升，实现远景目标“碳达峰”，“碳中和”任重道远。建设既满足舒适度需求又能实现节能减排的暖通空调系统始终是设计师的初心。本文结合实际项目，通过分析办公室空调系统的使用要求，利用多项技术措施实现集中会议室区空调系统节能设计。本项目位于北京市朝阳区，是集商务办公（包括自用办公室，出租办公室）、底层配套商铺、员工餐厅及厨房、设备用房、地下停车库于一体的现代化 5A 级办公室。总建筑面积约为 10 万 m2 ，建筑地上五层、地下一层，局部增设夹层。建筑高度 27.35 m。
1 冷热源及空调水系统设计
供暖由直燃式溴化锂吸收式制冷机提供 60/50 度热水。供冷由直燃式溴化锂吸收式制冷机提供 7/12 度冷水。建筑主体分为自持办公区、外租办公区，其中自持办公区设置部分加班区域，几部分区域使用时间和需求存在差异，同时考虑管理方便，将水系统分成自持办公非加班区、自持办公加班区、地板辐射供暖系统（冬季首层大堂区域设置）、外租办公区、在分集水器处划分环路并分别设置冷热量计量装置。空调水系统竖向采用下供下回异程式系统，水平采用异程系统。每层空调机组及新风机组与风机盘管环路分开，风机盘管环路设能量阀，能量阀按设计流量设置流量上限，防止过流现象发生。能量阀监测供回水温度，当温差小于设计值，减少通过阀的流量，避免大流量，小温差现象发生。风机盘管回水管上均设电动两通阀。空调及新风机组回水管均设能量阀。
2 集中会议室区空调系统
2.1 室内设计参数及新风量标准
表 1 为室内设计参数。
2.2.1 新风量确定与节能设计
传统的集中定风量新风设计对于节能十分不利，采用平均人数定新风量又会降低室内环境品质。根二氧化碳并不是污染物，但可以作为评价室内空气品质的指标，现行国家标准《室内空气质量标准》GBT18883 对室内二氧化碳的含量进行了规定。当房间内人员密度变化较大时，如果一直按照设计的较大人员密度供应新风，将浪费较多的新风处理用冷、热量。如果只变新风量、不变排风量，有可能造成部分时间室内负压，反而增加能耗，因此排风量也应适应新风量的变化以保持房间的正压。综合考虑后每个房间新风量按最大新风量确定，系统新风量取各房间新风量之和，每个封闭房间设置回风连通管至公共区域，经主排风口进入空气 - 空气能量全热回收新风机组与新风进行能量交换后排出室外。配合变风量的设计及控制达到节能与品质需求的融合。
各房间设置电动风阀，现场设手动及感应开关、同时控制室设集中控制装置。风阀在房间使用时开启，无人时关闭。新风阀于预约开会时间提前开启，亦可现场手动开启，会议结束后由感应装置关闭新风阀至最小开度关闭设最小风量（30%）限制，现场运行调试确定阀门开度比例。
新风系统设置空气 - 空气能量回收装置，采用带空气 - 空气能量全热回收装置的新风机组，内部自带旁通，过渡季关闭空气 - 空气能量回收，室外新风直接送入室内。冬季内区适当降低新风送风温度，新风供冷，承担内热冷负荷。通风空调系统即使在停用期间，室内外空气的温湿度相差较大，空气受压力作用流出或流入室内，都将造成大量热损失[1]。为减少热损失，新风处理机组新风管、排风管贴近风井处装有漏风量不大于 0.5%的密闭性阀门，与机组连锁启闭。随着风机的启停，自动开启或关闭，同时通往室外的风道采用镀锌钢板风管内衬于土建风道内，直接与外墙防雨百叶密封可靠。
2.2.2 新风供冷
会议室区均处于内区，室内环境几乎不受室外环境的影响，常年需要供冷，同时集中会议室区处于加班区，全年运行时间长，因此与外区分别设计和配置空调系统。这样，不仅方便运行管理，还可以避免冷热抵消，在冬季和过渡季充分利用室外新风供冷。会议室采用风盘加新风系统，冬季采用新风供冷，关闭风盘，利用调整水阀开度，降低新风送风温度来带走室内余热。以一个 21 m2 ，12 人会议室为例，所需新风量 600 m3 /h，如房间温度 22 度时，房间冬季冷负荷 1454 W（显热），新风量 600 m3 /h 送风温度为 13.7 度。以送风温度12 度考虑，所需新风量 430 m3 /h。以送风温度 14 度考虑，所需新风量 538 m3 /h。在设计新风量供给情况下，送风温差可满足人体舒适要求。如此，一年中将有大量时段可以采用新风直接供冷，以及冬季时节消耗部分能量加热至需求送风温度，达到舒适节能的空调效果。同时物业运营在夏季的夜间或室外温度较低的时段，直接采用室外温度较低的空气对建筑进行预冷。
2.2.3 新风系统的自动控制
系统新风量取各房间新风量之和，总量巨大，但大部分时间新风机组需处于部分负荷甚至低负荷运行状态方可与房间使用需求匹配，定频新风机组将存在巨大能源浪费或者末端使用房间大量关闭时造成管路阻力过大，与风机匹配不适合造成电机故障。因此，设计采用多种优化方式。
第一，将会议室区新风与会议室周边走道、休闲区等公共空间并入统一系统、公共区域的新风口常开，以保持新鲜空气的流通补给，同时避免机组风量过低无法启动。
第二，室内设置二氧化碳浓度监测装置，能够根据室内二氧化碳浓度进一步调节电动阀开度，在非满座人员使用时降低新风供给量，在人员密度较大且变化比较大的会议室实现更好的新风需求控制。北京城市大气 CO2浓度最高值在 1～2 月份或 11～12 月份均可能出现, 变动范围为 421.5～441.0滋mol/mol[2]。当室内 CO2 浓度低于安全限值（例如 500 ppm）时，电动调节阀调至最小新风量（阀位开度需要现场调试时确定）。当室内 CO2 浓度升高（例如范围在 500~800 ppm）时，电动调节阀开度为设计风量的开度（阀位开度需要现场调试时确定）。当室内 CO2 浓度范围超过设定上限（例如 800 ppm）时，电动调节阀开度为 100%全开状态。
第三，新风机组设计为变频运行，采用当前全空气变风量系统中较成熟的定静压控制方式实现对机组送风量的调节，管道静压传感器设于送风机与最远末端装置之间 75%距离的气流稳定段。风机设最低频率限值 15 Hz，会议室单独房间设电动风阀，房间使用时开启，无人时关闭，关闭设最小风量（30%）限制，现场调试确定阀门开度比例。
2.3 CFD 模拟分析与优化设计
对于部分较大会议室，以面积 68 m2 ，长伊宽为 8.4m伊8.4 m 的会议室为例，精装美观要求高，布置条形风口带少、间距大，计算气流组织难以保证空调效果。原设计空调布置方案存在温度不均匀、风速局部过高或过低的现象 ，空气分布特性指标（ADPI）值较低。经调整多个布置方案，结合 CFD 的模拟分析确定风机盘管送回风口交叉布置为最优方案，ADPI 值达到 90%。
2.4 水系统控制
本项目设计采用能量阀代替动态平衡电动调节阀，在实现后者功能的同时可以避免大流量小温差运行的情况从而达到更好的节能效果。控制系统由冷暖型比例加积分控制器、装设在送风口的温度传感器及装设在回水管上的能量阀组成。系统运行时，能量阀按设计流量设置流量上限，防止过流现象发生。温度控制器把温度传感器所检测的温度与温度控制器设定的温度相比较，并根据比较结果输出相应的电压信号，控制能量阀的动作，通过改变水流量，使送风温度保持在所需要的范围。能量阀检测供回水温度，当温差小于设计值，减少通过阀的流量，避免产生大流量、小温差现象。新风机组以送风温度为控制信号，控制按钮设在该层机房内，就地控制，楼宇自动控制系统可以远程监控。
风机盘管环路每层水平干管设能量阀，能量阀按设计流量设置流量上限，防止过流现象发生。能量阀监测供回水温度，当温差小于设计值，减少通过阀的流量，避免大流量，小温差运行现象发生。
1）办公室集中设置的会议室区是人员密度较大且变化较大的场所，为满足品质要求，系统新风量按满负荷设计。但许多时段处于部分新风量运行，通过设置能够独立控制的末端风阀实现按需供应新风。
2）新风系统设置空气 - 空气能量回收装置，采用带空气 - 空气能量全热回收装置的新风机组，内部自带旁通，过渡季关闭空气 - 空气能量回收，室外新风直接送入室内。冬季内区适当降低新风送风温度，新风供冷，承担内热冷负荷。
3）新风机组变风量运行，室内设置二氧化碳浓度监测装置，实现更大限度的节能运行。
4）采用 CFD 模拟分析辅助优化设计，使气流组织更加合理，空调效果更优。
5）根据功能区合理划分水环路并进行冷热量计量，并配置调节控制性能优良的能量阀，管理方便，运行减少能源浪费。
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