约克（中国）商贸有限公司广州分公司
摘要：大型商业综合体建筑是当前各大城市均在建设的项目，本文根据工程案例，对该项目的空调、通风与防排烟系统的节能设计进行研究。
关键词：玻璃幕墙结构；建筑贴膜；能耗分析；节能减排
一、工程概况
某大型商业办公综合体总建筑面积约37万m2，分东西两个区域，西区地下两层作为别车库、设备用房及商业等，而裙房4层主要是商业，1栋20层塔楼作为办公用途，总建筑面积约6万m2，总冷负荷为6700kW。
二、空调系统设计
空调冷、热源本工程空调负荷：办公塔楼的空调冷负荷约2988kW，空调热负荷1280kW；裙楼的空调冷负荷约3709kW，空调热负荷约1987kW。空调冷负荷总计约6697kW，空调热负荷总计约3267kW。建筑面积冷负荷指标110W/㎡，建筑面积热负荷指标54W/㎡。
制冷机房设在地下二层，通过3台名义制冷能力为650冷吨的离心式冷水机组（其中1台为变频机组）进行制冷。为节省制冷机组能耗，另设1台板式热交换器，在冬季，当冷水机组停止运行后，通过阀门切换，利用冷却塔的冷却水系统提供9~11℃的一次侧冷水，经板式换热器换热后，提供10~16℃的空调供回水。
（一）空调水系统
空调冷冻水系统采用一次泵变流量系统。采用2台定频650冷吨离心机组和1台变频650冷吨离心机组，要求离心机组选择可变流量运行的机组，相应配置4台变频冷冻水泵（3用1备），免费供冷板式换热器共用变频冷冻水泵。
制热板式换热器相应配置4台变频空调热水泵（3用1备）。
水泵流量通过压差传感器控制，保证末端所需的水量，同时维持末端的压差设定值。西区冷、热源系统原理图见图1和图2。
空调水系统为四管制，空调水系统尽可能采用同程连接。空调水系统的工作压力定为1.4MPa，水系统定压采用开式膨胀水箱，膨胀水箱设于塔楼屋面。
（二）空调风系统
办公首层大堂：采用全空气定风量空调系统并配合地板送风系统。裙房及地下部分的商铺、餐饮采用风机盘管（或吊装空调箱）加新风系统的形式；大空间门厅及走道等公共部位采用定风量全空气系统，气流方式为顶送、顶部集中回风。地下一层商业部分的空调机房和新风机房设在地下二层。一层及二层的空调机房和新风机房设在三层。三层及四层的空调机房和新风机房设在四层。钻石楼部分的新风机组设在五层（裙房屋面）。地下一层及裙房商业部分的组合式AHU空调机组带空气消毒装置。
办公塔楼标准层采用VAV变风量空调系统；办公区分内区和外区，空调内外区合用2台空调处理机组，外区采用带热水盘管的并联式风机动力型变风量末端，内区采用单风道变风量末端不带热水盘管；空调回风为吊顶回风；电梯厅采用风机盘管系统；办公塔楼于屋顶层设有中央新风机和中央排风机，负责办公区的新风和排风。新风与排风采用转轮热交换。VAV系统采用变定静压控制方式，新风量根据集中回风口上的CO2浓度探测器调整风量，新风管上设变风量风阀。标准层空调风系统原理图见图3。
三、通风与防排烟系统设计
（一）通风系统设计本工程地下车库设计机械排风系统和补风系统，排风换气次数为6次/h（按3m净高计算）；排风系统由排风机和射流诱导风机组成。车库内采用射流诱导风机，不仅可以大大减少风管的截面，而且可以提高通风换气的效果。地库的补风量为排风量的80%。地下车库排风、补风系统利用CO浓度探测器以控制和调节送、排风机的运行状态。
自行车库设机械排风、车道自然进风系统。通风量按换气次数n≥4次/h确定。
厨房设排油烟系统以及事故排风系统。厨房油烟通过排油烟井接至裙楼屋面，再经过静电式（EP）和活性炭过滤器处理后由机械排油烟风机排至室外。排油烟风量按换气次数≥50次/h确定；事故排风系统选用防爆风机并兼作值班排风。事故排风系统与排油烟系统并联在1根主风管上。事故排风换气次数按≥12次/h确定，值班排风换气次数按≥3次/h确定。每个厨房设机械补风系统，补风量按排风量的80%确定。
冷冻站房设事故通风和平时通风；平时通风量按设备发热量或换气次数≥6次/h确定；事故通风按换气次数≥12次/h确定。锅炉房设机械排风、机械送风系统。工作时的送、排风量按工艺要求确定，值班通风量按n≥3次/h确定，事故通风量按n≥12次/h确定。
变配电房、水泵房等设机械送、排风系统。垃圾房、隔油间、卫生间和茶水间等设机械排风系统。其中垃圾房和隔油间排风经活碳过滤后排至室外。
（二）防排烟系统设计
本工程防烟楼梯间设机械正压送风系统，地下部分和地上部分分别设置加压送风井道和加压风机，消防楼梯间应保持40~50Pa的正压值；防烟楼梯间前室、消防电梯前室／合用前室均设机械加压送风系统，合用前室应保持25～30Pa的正压值；部分消防电梯井设机械加压送风系统，电梯井应保持40~50Pa的正压值。
地下部分内走道、面积＞100㎡的无可开启外窗房间以及地下公共空间、走道，均设机械排烟系统，其中内走道的排烟量≥13000m3/h，面积≥500㎡的大空间按火灾模型计算，其余按60m3/（h.m2）计算排烟量。对于面积≥500㎡的地下室房间，设置机械补风系统，补风量按≥排烟量的50％设计。
地下车库设机械送、排风系统兼消防送风、排风系统，送、排风机均按防烟分区设置。排烟量按换气次数n≥6次/h确定，补风量按≥50%的排烟量确定。
四、节能措施
由于本项目的体量较大，建筑能耗较大，而暖通空调系统的能耗又是重中之重，因此，降低系统的能耗对于整个项目的节能具有更大的作用。
为配合本项目LEED认证，本项目在暖通空调系统设计中采用了一系列节能技术来减小建筑物能耗。
（一）大温差系统
大温差系统就是指冷水机组提供的冷量不变，通过扩大冷冻水、冷却水温差，降低循环水泵、冷却塔、空调末端运行能耗，从而提高空调系统的综合效率。
本工程冷冻水温差由通常的5℃（7℃/12℃）扩大至7℃（6℃/13℃），冷水机组制冷效率降低了（4~5）%，但同时冷冻水循环量降低28%，相应的减少输送能耗为32kW（冷冻水泵总功率117kW）。冷冻水供水温度的降低可以使空调送风温度降低，空调末端风系统的送风温差加大，送风量减少，从而可以减小风管尺寸，减小吊顶空间，节约风机的能耗。风机能耗的节能幅度约20%。二者比较，显然扩大冷冻水温差后，冷冻水系统综合效率提高了。
由于冷冻水温度降低，使压缩机压缩比增大，导致机组能效比下降。因此，在设计小流量大温差系统时，需要充分考虑到冷冻机组的性能特性，不能无限制的降低供水温度。一般以（6~8）℃为宜。总之，冷冻水采用大温差、小流量系统虽使冷冻机的效率略微降低，同时可降低循环水泵耗电量、减少送风量和系统冷损失，得失相抵获得了节能效益。
（二）一次泵变流量系统
一次泵变流量水系统的变流量节能控制，是把原固定转速的一次泵改成变频调速驱动水泵，利用冷水机组蒸发器在低水流量能力上的改进和新的测控技术的提高，使一次冷冻水量可以按负荷的需要在一定的范围内调节。因此，一次泵变流量空调水系统可取得非常好的节能效果。
一次泵变频技术是建立在传统的一次泵系统的基础上的变流量技术。一次泵系统大都采用定速泵，水泵的转速和流量是不随空调负荷变化的。因此在运行过程中会出现大流量小温差现象，浪费大量水泵输送电能。为了让水泵随负荷的变化实现变流量运行，可采用加装变频器改变水泵转速的方式。水泵电机的转速满足下列公式：
由图4可以得出：水泵能耗占整个冷冻机房水系统能耗的比例越大，系统综合COP升高幅度越大。本项目西区建筑体量相对较小，建筑高度未超过100米，各空调区域间的冷冻水回路管道阻力差别不大，采用一次泵变流量系统。冷冻水泵能耗占整个冷冻水系统能耗的20%左右，采用一次泵变流量系统在50%负荷时冷源系统的综合节能幅度为5%左右。
（三）免费冷源
免费冷源是指项目的商业及办公内区在冬季仍需要提供冷冻水时，利用冷却塔，通过板交与空调冷冻水进行热交换，对系统提供冷源，而省去了冷冻机运行的能耗。按该地区的冬季气象参数，通过冷却塔直接冷却换热，可以获得供/回水温度为10℃/16℃的冷源。由于冷却塔是按夏季工况选择，而在冬季时其室内冷负荷远小于夏季工况，因此利用冷却塔可以满足冬季免费冷源的要求。
本项目在制冷站设计中，为节省制冷机组能耗，设1台板式热交换器，在冬季，当冷水机组停止运行后，通过阀门切换，利用冷却塔的冷却水系统提供（9~11）℃的一次侧冷水，经板式换热器换热后，提供10℃/16℃的空调供/回水。
（四）冷却水变流量系统
冷凝热量随着机组的负荷变化而变化，相应调节冷却水流量可以节省冷却水泵的能耗，同时冷却水的冷凝温度是影响冷水机组制冷性能的一个重要参数。
本项目冷却水变流量采用定温差控制，即在冷却水进出水管上各安装一组温度传感器，将温度信号传给控制器，控制器将此实际冷却水温差与某一固定温差（一般为5℃）进行比较，以控制水泵转速和流量。当系统处于部分负荷，冷却水温差较小时，降低水泵转速，以保持5℃温差。为了保证水流量不低于最小流量，设定频率下限。负荷Q与冷却水流量G和冷却水的进出水温度t1，t2间的关系为：
图5比较了当冷却水泵电功率与主机在名义工况下的电功率之比Np/Nc分别为10%，15%和20%时，冷却水变流量的节能效果。图中变流量的节能率是以水泵的功率为基础。
考虑变流量对主机COP的影响，特别是当水泵相对于主机的功率较小或流量变化幅度较大时，对冷却水变流量的节能效果有很大影响，当水泵相对于主机的功率比值在10%以上时，变流量一般均能取得一定的节能效果。
本项目西区冷冻机总功率Nco为1200kW，冷却水总功率为336kW，，按图5，在50%负荷时的冷却水变流量的节能率约为60%。冷源系统的综合节能幅度约为3%。
（五）冷凝器在线清洗系统
减小冷却水量，提高冷凝温度，对冷水机组可能带来的不利影响是增加冷凝器和冷却水管道中的结垢速度，冷却水流速的减小使得其冲刷能力下降，对冷却水系统的清污除垢提出了新的要求。
本项目在冷水机组的循环冷却水系统设置冷凝器自动在线清洗装置，可以有效降低冷凝器的污垢热阻，保持冷凝器换热管内壁较高的洁净度，从而降低冷凝温差（制冷剂冷凝温度与冷却水的离开温度差）和冷凝温度。在不低于冷水机组冷却水温度要求下限的条件下，冷凝温度越低，冷水机组的制冷系数越高，可以减少压缩机的耗电量。当蒸发温度一定时，冷凝温度每降低1℃，冷水机组的耗功率约节省（3~4）%。
（六）冷冻站自动控制系统
本工程空调冷冻机房控制系统主要对冷水机组、冷冻循环水泵、冷却循环水泵、冷却塔及相关辅助设备等组成的冷源系统进行现场监控。
控制冷源系统冷水机组、水泵、冷却塔、电动开关阀的启停顺序；
根据空调系统负荷的需求变化调整系统的运行水量和冷水机组的运行台数，达到供回水总管的压差平衡和降低空调系统的运行能耗；
根据系统负荷和冷水机组的能效比，自动调整冷水机组的运行负荷和运行台数，使冷水机组尽可能在其效率最高的工况区运行，以达到最佳节能目的；
根据冷却塔进出水温差，自动调整冷却水运行水量及冷却塔运行台数以节能；
累计主机及附属设备运行时间，控制设备优先开启（关闭）顺序，保证设备运行寿命一致；
中央控制系统通过网络协议与冷水机组进行通信，实现数据的双向通信，并显示冷水机组详细的运行信息；自动控制系统根据预先编好的软件程序和设定值，作出图形及数据显示，趋势分析，数据管理，实现对冷源系统的现场控制功能；显示系统的故障信息，包括：冷水机组的保护及报警、定压装置高低压报警等。冷冻机房采用集中自动控制系统不仅可以使系统的运行更加便捷可靠，更关键是可以通过自动控制系统的监控和调节，使冷水机组及相应配套设备根据系统的需要调整开启数量及运行容量，并尽可能使设备运行在各自的高效率点，从而节约系统的运行能耗。
（七）冷冻站能源计量系统
对冷冻站能源设计量系统，采用能量型空调计量方式，依据热力学原理，通过检测系统
的各支路回水总管上的流量和供回水温度，计算出系统各回路使用的空调能量值。系统由电
磁流量计、温度传感器及能量积算仪组成。计算公式如下：
在冷冻站进行能源计量，可以作为空调使用的统计和费用分摊的依据，还有助于分析能耗的构成，在空调的具体运行过程中寻找节能的途径。
（八）变风量空调系统
本工程塔楼标准层采用变风量空调系统。变风量空调系统是全空气空调系统的一种形式，它由单风管定风量系统演变而来。与定风量空调系统和风机盘管加新风系统相比，变风量空调系统具有区域温度可控、室内空气品质好、部分负荷时风机可变频调速节能等优点。
本工程办公塔楼各区域围护结构在构造、朝向和计算时间上产生了不同的围护结构瞬时负荷，各区域功能和使用情况的差异也造成了不同内热负荷。根据空调负荷的差异性，对各类负荷作分别处理，例如：内、外区负荷分别处理；冷、热负荷分别处理等。通过恰当地把本工程办公塔楼的空调系统划分为若干个温度控制区域，对不同温度控制区域的负荷分别处理，并跟踪各空调分区的负荷变化，改善室内热环境和节省空调能耗。
（九）新、排风热回收
本工程塔楼屋顶层设有中央新风机和中央排风机，负责办公区的新风和排风。新风量为40000m3/h，排风量为23000m3/h，新风与排风采用转轮全热回收（带旁通功能）。新风能耗占空调能耗的20%～30%，利用空调中排风的余热，可以减少处理新风所需的能耗，减小与之相关的冷热源、水泵及管道等设备的设计容量，从而降低系统的初始投资和运行费用，提高空调系统的经济性。
五、结束语
大型商业综合体的空调系统设计既要满足业主的要求，注重各系统的稳定性、实用性，又要充分考虑长期运行所产生的经济性。因此通过在本工程项目的暖通空调系统设计中采用了一系列节能措施来减少大型商业综合体的空调能耗。
参考文献：
[1]陆耀庆.实用供暖空调设计手册[M].北京：中国建筑工业出版社，2012.