写字楼空调系统：变风量空调(VAV)、变制冷剂流量空调(VRV)、风机盘管空调(FCU)

    本文在分析写字楼用冷需求特点的基础上 , 重点介绍了变风量空调 (VAV) 、变制冷剂流量空调 (VRV) 、风机盘管空调 (FCU) 三类典型系统的结构组成、工作原理、技术特点 , 并比较了它们的优缺点和适用场合 , 为写字楼空调系统的设计和选型提供参考。             

 

一、背景信息      

        

近年来,伴随城市化进程的加快,写字楼建筑不断涌现,已成为现代城市的显著标志之一。据统计,我国城镇新建建筑中写字楼占比30%以上,大城市如北京、上海等更是超过50%[1]。写字楼汇集了大量的商业、办公等高端业态,室内环境品质要求高,全年运行时间长,能耗强度大。据测算,写字楼建筑能耗约占全国民用建筑总量的20%,其中空调系统耗能占建筑总量的50%~60%[2]。因此,从节能减排和可持续发展角度,有必要重点关注写字楼的空调系统形式和性能,优化系统设计,提高能源利用效率。

 

二、 写字楼空调系统的需求特点      

         

写字楼是以商务办公为主要功能的建筑,兼有部分商业、餐饮等配套设施,具有功能复合、分区明显、使用时段多变等特点,对空调系统的cooling capacity、运行灵活性、智能化水平等提出了特殊要求。总结起来,主要体现在以下几个方面:

(1)cooling load大,高峰持续时间长。  

写字楼人员密度高,办公设备负荷大,单位面积冷负荷一般在100W/m2以上,高于普通民用建筑[3]。夏季空调高峰期持续时间长达8h以上,需要较大的制冷量和输送能力。

(2)各区域cooling需求差异大。

写字楼各功能分区的使用时段和冷负荷存在较大差异。如办公区日常工作时间为8:00~18:00,而餐厅、会议室等区域多在午间、晚间使用,对空调的启停时间和cooling capacity要求不尽相同[4]。

(3)室内环境品质要求高。

写字楼多为甲级或超甲级标准,室内设计温度、湿度、新风量、噪声等指标要求高于普通建筑。如办公区夏季温度26~28℃,相对湿度40%~60%[5],需要精准的温湿度控制和充足的新风供应。

(4)灵活性和适应性要求高。

写字楼的使用人数、空间布局经常发生变化,需要空调系统能灵活调整冷量分配。同时,房租变更、装修改造等也会影响终端设备形式,需要具有一定的适应性[6]。

(5)节能环保要求高。

写字楼空调能耗在建筑中占主导地位,节能减排的重任在肩。空调系统应充分利用自然冷源,提高设备效率,优化运行策略,降低碳排放,满足绿色建筑的要求[7]。

 

三、 几种典型空调系统比较      

         

针对写字楼的用冷特点,目前常用的空调形式主要有变风量空调(VAV)、变制冷剂流量空调(VRV)、风机盘管空调(FCU)等。它们在系统构成、运行方式、节能效果等方面各具特色,适用于不同的建筑规模和需求场合。下面分别加以介绍。

3.1变风量空调(VAV)  
VAV系统是一种靠调节送风风量来适应房间cooling load变化的全空气系统。它由冷水机组、空调机组、风机、VAV终端等部件组成,系统结构如图1所示。

Working principle:系统由中央冷水机组提供冷冻水,空调机组内设置冷却盘管,通过初级回风对新风和回风混合后的空气进行冷却除湿,再由送风机将处理后的冷空气输送到各房间。房间内设置VAV终端,通过检测房间温度信号,自动调节阀门开度,改变送风量,实现空间的温度控制[8]。同时,空调机组内设置变频调速装置,根据房间负荷变化,自动调节风机转速,节省输配功耗。

特点:  
(1)舒适性好。采用全空气的送风方式,室内无冷热不均和气流吹袭感,温度、湿度、洁净度控制精度高,满足高品质环境要求。

(2)集中控制,便于管理。集中式冷源设备便于进行能耗监测和运行优化,实现对建筑的智能化控制和信息化管理。

(3)节能效果显著。通过变风量调节,降低了风机输送能耗,在满足indoor cooling需求的同时,节能效果达30%以上[9]。

(4)适应性强。VAV终端可根据房间布局灵活设置,office layout调整时,只需更换或移位终端设备,无需改动管路和主机,适应性强[10]。

优点:  
(1)温度、湿度精确控制,满足高舒适性要求。
(2)集中式冷源,初投资省,运行管理方便。
(3)通过变风量调节,显著降低输配能耗。
(4)系统灵活性高,适应建筑功能变化。

缺点:  
(1)风管布置复杂,占用较多层高。
(2)无法满足不同房间的个性化cooling需求。
(3)系统调试难度大,VAV终端故障率高。

适用场合:  
(1)cooling load大、对环境品质要求高的大型写字楼。
(2)初投资预算充裕、对使用弹性要求高的建筑。
(3)有专业物业团队、注重节能运营的项目。

3.2变制冷剂流量空调(VRV)  
VRV系统是一种直接利用制冷剂在系统内流动进行制冷的空调形式。它由室外机、室内机、分歧管等部件组成,系统结构如图2所示。

工作原理:VRV系统采用变频压缩机,通过改变压缩机频率,调节制冷剂流量,实现对室内机coolingcapacity的变化响应。系统内制冷剂由室外机经过液管、气管和分歧管输送到各室内机,吸收房间热量后,再由气管回到室外机[11]。多联机可实现同时cooling、heating运行,互为热源,提高了能源利用效率。

特点:  
(1)距离适应性强。室内外机间最大落差可达50m,总管长可达150m,垂直、水平安装均可,布置灵活[12]。

(2)可模块组合,cooling capacity范围宽。室外机容量一般在8~130kW,可并联多台组合,适应不同建筑规模。

(3)局部调节性好。每个室内机可独立调节,根据房间温度自动调整制冷量,满足个性化需求。

(4)施工周期短,层高占用少。室内机安装便捷,只需冷媒管和控制线连接,施工工期短,管路布置简单,占用建筑层高少。

 

缺点:  
(1)冷媒泄漏风险大,需定期检修。
(2)室外机噪音大,选址受限。
(3)仅cooling capability调节,难以控制室内湿度。
(4)冷媒阻力大,过长管路影响效率。

适用场合:  
(1)建筑面积适中,分散布置的写字楼。
(2)内部使用功能多变,装修频繁的商务楼。
(3)施工工期紧,层高受限的改造项目。

3.3风机盘管空调(FCU)  
FCU系统是一种分散式的空气-水系统,由冷水机组、冷冻水泵、风机盘管等部件组成,系统结构如图3所示。

工作原理:FCU系统集中提供冷冻水,但分散处理空气。冷冻水由冷水机组制备,经泵和管网输送到各房间的FCU。FCU内置冷却盘管和风机,利用冷冻水冷却盘管表面,盘管换热将空气冷却,再由风机将冷空气送入室内[13]。FCU带有温控器,根据房间温度信号,调节阀门开度,改变冷冻水流量,实现冷量输出。

特点:  
(1)模块化制冷,独立控制。每个房间设置独立FCU,可根据自身cooling load特性,灵活调节风机和水阀,满足个性化需求。

(2)水系统输配,节能效果好。与空气系统相比,水的比热容大,输配能耗低,在冷量输送过程中损失少,节能效果佳,与VAV相当[14]。

(3)易于安装,便于维护。FCU多采用明装方式,施工安装简单,检修、更换方便,尤其适合旧建筑的节能改造。

(4)噪声振动小,环境舒适度高。FCU送风均匀,无集中回风,可消除房间的气流死角,且噪声低于45dB(A),满足室内声环境标准[15]。

缺点:  
(1)室内机体积大,占用一定房间空间。
(2)冷凝水排放需单独考虑,施工较复杂。
(3)需定期清洗,维护工作量大。
(4)无新风送入,室内空气品质差。

适用场合:  
(1)功能分区明显,房间独立性强的写字楼。
(2)旧建筑节能改造项目。
(3)对环境舒适性要求高,噪声控制严格的高端商务楼。

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