大型綜合體項目空調系統適宜性選擇的探討
華建集團華東建筑設計研究總院 蔣小易
【摘 要】結合工程實例，針對當下大型綜合體項目對空調系統適宜性選擇的需求，著重對大型綜合體項目暖通空調系統設計中的冷熱源及輸配系統設置、空調末端個性化需求特別是某些區域空調系統的適宜性選擇等方面進行了初步探討，希望能為類似項目的設計工作提供參考。
【關鍵詞】大型綜合體 冷熱源及輸配系統 空調系統 適宜性選擇
1 引言
近幾年以來，隨著城鎮化建設和商業地產的快速發展，將城市中商業、辦公、酒店、餐飲、會議和文娛等城市生活空間中的三項以上功能進行組合的大型綜合體應運而生，雖然業態多樣，但各業態之間相互依存、相互獲益，從而形成一個多功能、高效率、復雜而統一的綜合體。這類項目往往規模較大且系統復雜，因此在保證建筑各項功能的前提下，給人們提供舒適健康的環境，兼顧初期投資、后期維護和運行管理等方面，空調系統形式的適宜性選擇是非常重要的。
本文結合某大型綜合體項目的空調系統設計，對空調系統冷熱源及輸配系統選擇、空調末端個性化需求特別是某些區域空調系統的適宜性選擇等方面進行了初步探討，希望能為類似項目的設計工作提供參考。
2 大型綜合體項目空調系統的適宜性選擇
2.1 空調系統關注點
當前，大型綜合體項目一般都含有商業、辦公、酒店、餐飲、會議和文娛等城市生活功能需求中的三項以上功能，開發商已經從單純的商業開發到對如何為綜合體內各類人員提供更舒適安全的環境、個性化需求和節能等方面提出了更高要求，不同使用功能區域的空調系統選擇和對不同區域個性化需求滿足與否，直接關系到項目建成后的運營和維護，希望在設計階段能先行思考，提供適宜性的方案。
2.2 大型綜合體項目空調系統適宜性選擇的探討大型綜合
體功能復雜，若按傳統單功能建筑進行負荷計算，容易造成負荷疊加、資源浪費、投資增大、運行費用高并且運行效率低等一系列問題，需根據大型綜合體建筑的要求和特點對空調負荷進行分析，尋求適宜的空調能源系統，實現建筑內冷熱需求的合理匹配和自我調配。
現在大型綜合體大都通過設置中央能源站來提供冷熱源，這樣便于運行管理和設備維護，同時也能提高設備效率，節省運行費用，但運營下來發現這樣越來越不適應當下靈活多變的物業管理要求，經常會出現在凌晨專門為距中央能源站千米之外的某KTV或是某火鍋店提供冷熱源的不合理情況。同時，在現代大型綜合體中，一般都會有超高層塔樓，為解決這些區域的空調水系統的承壓問題，低區、中區和次高區一般采用板式換熱器進行壓力分割，但勢必帶來投資增加、運行維護不便并且引起溫度損失等系列問題，現在越來越多的超高層高區采用水環分離式熱泵水系統或多聯機空調系統，既有效減少了冷凍水在輸送過程中的能量損失，又克服了采用常規風冷多聯機空調時室外機不好協調位置和室外機放置在設備層時通風不暢的問題，對于300米以上的超高層建筑，筆者認為采用這種設計方法是比較合理的。
在大型綜合體項目設計過程中，諸如大堂空調效果、內外區冷熱舒適性不佳等老生常談問題，需要針對具體項目，通過選擇適宜性方案來解決。筆者參與了一些這類項目的暖通空調設計，根據項目建成運營后的實地考察和反饋，特別是項目物業公司集中反映的情況來看，合理的冷熱源選擇、簡潔有效的節能措施是當下大型綜合體項目空調系統設計最需要關注的，另外，當下的大型綜合體項目需要滿足越來越多使用者諸如使用時間和空調通風形式等個性化需求，個性化的空調和通風系統末端也越來越受物業公司和使用者青睞。實用有效的空調通風節能措施一直是建造方和運營方關注的問題，現在更關注這方面的投資效益。今年初爆發的新冠肺炎疫情，讓越來越多使用者更加關注大型綜合體項目環境的健康安全，也對當下大型綜合體項目空調通風系統的適宜性設計提出了更高要求。
3 應用實例
3.1 項目概況
某項目位于福建省福州市中心，項目為集辦公、酒店、公寓、商業、娛樂、餐飲和地下停車等的建筑綜合體，主要由位于基地北部的“超高層酒店+辦公+公寓”的1號樓塔樓和位于基地南部的“商業+娛樂”的2號樓裙樓組成，兩部分之間用多層架空連廊連接，兩部分都是高層建筑，其中，北部1號樓塔樓主體高達245.35m，最高部位玻璃幕墻屋頂為273.88m；南部2號樓裙樓高36.2m，連廊高35.5m。該項目作為當地超高層地標性建筑，對福州市的整體城市空間環境與城市輪廓線產生了較大的影響，為更好體現建筑的社會價值，在暖通設計中更多地融入節能、綠色和環保等各方面的理念。
該項目總建筑面積159473 m2，其中，1號塔樓建筑面積為109661 m2，一至七層為酒店公共區，九至十八層為辦公，二十到三十三層為酒店客房，三十五到五十三層為普通公寓式辦公，五十四到五十八層為豪華公寓，八、十九、三十四和四十七層為避難層；2號裙樓建筑面積為18400 m2，共七層，為商業和娛樂功能；地下室建筑面積為39355 m2，共三層，為停車庫、設備用房及酒店后勤用房等。
3.2 空調系統的適宜性選擇
3.2.1 冷熱源系統配置
1）酒店：空調總冷負荷為6059kW，總熱負荷為3082KW，酒店遠期冷負荷規劃1315kW，設置3臺2110kW離心式冷水機組和1臺1044kW螺桿式冷水機組，夏季向低區提供6~12°C的冷凍水，高區在八層設置2臺960kW的水-水板式換熱器提供7~13°C的冷凍水；冬季采用2臺4t/h蒸汽鍋爐，通過設置在不同區域的汽-水換熱器進行空調供熱，高區2臺550kW換熱量，低區2臺1074kW換熱量，冬季提供60~50°C的熱水。冷水機組及其配套水泵等低區設備設在地下室冷凍機房內。
2）商業：空調總冷負荷為3987kW，總熱負荷為1193kW，設置2臺2110kW離心式冷水機組，夏季提供6~12°C的冷凍水，冬季因福州地區白天氣溫通常不低，且商場實際供熱負荷需求較低，通過當地調研分析后，采用電熱水鍋爐夜間（22：00~8：30）平段內蓄熱后，白天通過熱水換熱器提供60~50°C的空調熱水，選用1臺810kW的常壓電熱鍋爐，蓄熱量為5100kWh。
3）辦公：福州當地全年平均氣溫較高，標準辦公層的面積較大，其中內區面積也較大，過渡季節的時間較長，因此內外分區，為滿足辦公人員過渡季和冬季的個性化需求，且根據業主對當地出租型辦公計費的要求，經分析比選，辦公區域采用水環熱泵空調系統尤為適合，內外區的冷熱交換可以大大減少冷卻塔和鍋爐的開啟時間。
辦公空調總冷負荷為2322kW，總熱負荷為710kW，采用水環熱泵系統，設置2臺板式換熱器，每臺換熱量1800kW，通過與冷卻塔換熱，夏季提供33~38°C的冷卻水，配用3臺變頻水泵（2用1備）；冬季設置2臺465kW的真空熱水鍋爐，通過板式換熱器，得到換熱量900kW，冬季提供15~20°C的水，熱水泵與冷水泵合用。換熱器及配套水泵等設備均設在八層熱交換機房內。
水環熱泵形式的適宜性選擇：根據建筑平面等實際情況的深入分析研究，在分離式、整體式和水-水熱泵式水環熱泵形式之中，經比選采用了分離式水環熱泵機組（詳見表1）。
表1 辦公區域水環熱泵系統分析比較
注明：A和B分別為市場上的兩家水環熱泵生產廠家。
4）公寓式辦公：對于出售型公寓式辦公的空調方式進行了多次論證，其中對于設置VRF系統進行了充分的比選，但因最終小戶型設VRF系統雖然也能解決獨立計費問題，但是要求每戶室內機必須處于待機狀態，這個要求對于每戶人家電源就有較大限制，因此還是采用了分離式水環熱泵的方案，均能解決計費及獨立使用的要求。
公寓式辦公空調總冷負荷為2411KW，總熱負荷為1020KW，采用水環熱泵系統，設置2臺板式換熱器，每臺換熱量2000KW，通過與冷卻塔換熱，夏季提供33~38°C的冷卻水，配用3臺變頻水泵（2用1備）；冬季設置1臺4t/h蒸汽鍋爐，通過汽水換熱器，得到換熱量1200KW，冬季提供15~20°C的水，熱水泵與冷水泵合用。換熱器、水泵等設備均設在八層熱交換機房內。
5）豪華公寓：豪華公寓位于塔樓最高五層，為出售型業態，每戶為大平層設計一層最多兩戶，面積較大，根據業主對出售型公寓獨立系統的要求，選擇采用變制冷劑流量的多聯分體空調系統更為合適，室外機可設在塔樓屋面，室內外機間的冷媒管較短，對冷熱量衰減無影響。
3.2.2 空調水系統
1）酒店區域根據負荷特性和個性化需求，采用四管制水系統，可同時供冷供熱；
2）商業區域根據福州當地氣候條件，采用兩管制水系統；
3）辦公及公寓式辦公區域水環熱泵采用兩管制水系統，夏季冷卻水，冬季為熱水。
圖1 標準層辦公分離式水環熱泵室外機組走道布置的剖面圖（方案一）
3.2.3 分離式水環熱泵的設置
為保證辦公室內的噪聲要求，必須對于室外機噪聲進行隔聲處理，對于標準層辦公，室外機的放置進行了兩種方案的比選，一種放在走道內，詳見圖1；另一種將室外機放置在辦公室內進門處吊頂空間里，并在周圍做隔聲板圍擋從而保證辦公室內的噪聲要求，詳見圖2。
圖2 標準層辦公分離式水環熱泵室外機組室內布置的剖面圖（方案二）
圖3 標準層辦公分離式水環熱泵室內外機組的局部布置平面圖
因室外機臺數較多，考慮到室外機排布在走道吊頂內，檢修空間不滿足設備的要求，且吊頂凈高2.5米不滿足業主2.7米的要求，最后采用第二種方案，結合聲學顧問的意見，將每個租戶內室外機組放在一隔聲空腔內，通過測試，可以滿足業主的要求，平面圖布置見圖3。
對于公寓式辦公，室外機放置在公寓各自朝向走道的管井內（可以兩戶合用一管井），檢修門開在走道內，這對于物業檢修和噪聲控制都可以令人滿意，管道井內室外機布置見圖4和圖5。
圖4 公寓式辦公分離式水環熱泵室外機組在管井布置的剖面圖
圖5 公寓式辦公分離式水環熱泵室外機組在管井布置的局部平面圖
3.2.4 節能健康技術的適宜性選擇
1）辦公區域房間進深比較大，內區和外區負荷特性相差明顯，設計中進行了內外分區，距離外幕墻4米范圍內劃為外區，其余劃為內區。由于采用了水環熱泵系統，既保證在內外區各臺水 環熱泵均能各自供冷或供熱，又能在內區冬季供冷時水系統內釋放熱量提供外區所用，減少了鍋爐的用量，既可以滿足辦公人員的個性化需求也達到了節約能源的目的。
2）酒店宴會廳等區域的全空氣空調系統過渡季可采用全新風運行，減少冷機能耗。
3）采用空調新排風熱回收系統，進行能量回收：（1）標準辦公層新風由設在設備層（八層和十九層）的4臺風量為20000m3/h集中式的板式新排風熱回收機組提供，通過豎井送至每層平面的辦公室內；（2）酒店公區和客房的集中新風，采用12臺風量為5000m3/h~15000 m3/h，冷媒為R134A的熱管式的新排風顯熱回收裝置，既能回收顯熱能量，又能避免新排風的交叉可能性，是酒店比較受歡迎的熱回收方式；（3）公寓式辦公和豪華公寓每個戶內均采用小風量的全熱回收型的新排風機器，直接吊裝在室內。
4）免費供冷系統：（1）水系統方面，酒店和裙房商業采用兩臺和冷凍機相同冷量的免費冷卻板式換熱器，通過冷卻塔免費制冷，冷卻塔進出水溫設定為8～13℃，板式換熱器二次側供回水溫度為9.5～15.5℃。板式換熱器一次側和二次側循環水泵均可利用原冷卻水泵和冷凍水泵，對于冬季內區較大的酒店公共區和商業來說，既經濟，運行管理也簡單，僅增設兩臺板式換熱器就可省去冷凍機組的運行，在運營后的回訪中，業主和物業部門對免費冷卻板換的節能效果比較滿意；（2）風系統方面，酒店公共區，特別是宴會廳及前廳，在過渡季節時，因內區較大，當采用全空氣系統時，過渡季節加大新風量（保證不小于70%總風機風量），加大新風管徑，使過渡季節新風風速在8~9m/s之間；在運營后的回訪中，物業部門對于過渡季節加大新風運行非常認可，并建議有可能在做好消聲前提下還可以適當再提高風速，增加新風供應。
5） 室內空氣品質的提升措施：（1）蒸汽加濕系統：酒店的區域除了餐廳和廚房，空調機組內均設置了蒸汽加濕段，采用帶保溫涂層狹縫式蒸汽加濕器，由于蒸汽加濕系統不采用循環水，減小了細菌滋生的可能，既節省水耗量和熱量，又保證室內的空氣品質；（2）為提高辦公環境的空氣品質，所有空調箱或新風空調箱除采用G4初效和F7袋式中效過濾外，還設置了紫外線殺菌裝置，紫外線殺菌裝置需通過國際UL或 CE安全認證，可殺滅99.9%的附著在空調盤管上的霉菌等細菌病毒，且自帶智能化傳感器和控制器，空氣過濾和紫外線殺菌裝置的設置，大大提升了整棟樓的衛生安全等級。
4 結語
4.1 隨著大型綜合體項目內使用人員對環境的要求越來越高，對大型綜合體的空調系統的運營和維護要求也越來越高，要求設計人員在項目設計各階段充分調研，針對項目特點對空調系統做適宜性選擇的分析研究；
4.2 大型綜合體項目空調系統的適宜性選擇主要是為了滿足用戶的個性化需求而更加合理地確定冷熱源配置、空調通風末端形式、實用有效的綠色和節能措施等，同時要解決好諸如大堂空調效果、內外區冷熱舒適性等常見問題；
4.3 眼下大型綜合體項目作為比較普通的項目，設計中通過對空調系統的適宜性選擇可以取得很好的社會效益及經濟效益，從而提升設計的價值。
參考文獻:
［1］陸耀慶. 實用供熱空調設計手冊（第二版）[M].北京：中國建筑工業出版社，2007
［2］范存養 楊國榮 葉大法. 高層建筑空調設計及工程實錄[M].北京：中國建筑工業出版社，2014
備注：本文收錄于《建筑環境與能源》2020年10月刊總第37期（第22屆全國暖通空調制冷學術年會文集）。版權歸論文作者所有，任何形式轉載請聯系作者。