上海高層建筑空調(diào)設(shè)計新方法

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內(nèi)容提要：當(dāng)代空調(diào)的發(fā)展離不開兩個可說是永恒的主題：一個是室內(nèi)空氣品質(zhì)；另一個則是節(jié)能運(yùn)行。所以，涉及空調(diào)的幾乎一切新技術(shù)、新方法均是圍繞著這兩個主題，力求創(chuàng)新。本文主要介紹近幾年來境外設(shè)計單位在承接上海某些高層辦公樓設(shè)計中所采用的一些新設(shè)計方法，并結(jié)合國外的最新空調(diào)工程設(shè)計節(jié)能規(guī)范和個人的心得體會予以綜合評述。本文的目的主要在于羅列并介紹筆者近年來對于上海地區(qū)這類高級民用與工業(yè)空調(diào)領(lǐng)域中的一些有關(guān)新技術(shù)、新方法的見聞，并結(jié)合國外最新的空調(diào)工程設(shè)計節(jié)能規(guī)范，淺談個人的認(rèn)識和見解。

    關(guān)于空調(diào)平面分區(qū)概況

    在歐美和日本，對于像諸如商場、餐飲、辦公樓等大面積空間的空調(diào)設(shè)計都遵循一個基本前提——平面分區(qū)。所謂平面分區(qū)主要有兩層含義：①根據(jù)負(fù)荷狀態(tài)下的不同進(jìn)行分區(qū)。譬如，在某些場合，考慮到太陽輻射熱負(fù)荷可能隨朝向和時間有很大變化，故按朝向可分成東區(qū)、西區(qū)、南區(qū)、北區(qū)，以利分別單獨(dú)控制；但是應(yīng)用得更多的是按冬季室內(nèi)負(fù)荷性質(zhì)不同而進(jìn)行分區(qū)，分成內(nèi)區(qū)和周邊區(qū)。②在同一區(qū)（譬如內(nèi)區(qū)或周邊區(qū)）內(nèi)，為了考慮節(jié)能運(yùn)行，又人為地把一大塊面積的空間假想地按150-250m2劃分成一個個小區(qū)。每1個小區(qū)內(nèi)由1臺代表該區(qū)溫度的溫度傳感器來控制該區(qū)的溫度。對此，部分國家的空調(diào)設(shè)計節(jié)以有規(guī)范中還明確地規(guī)定了這種分區(qū)的最大面積的限值。

    關(guān)于這一點，其實也是很容易理解的。如果一個很大的空間僅由1臺裝在某處的溫度傳感器來代表整個大空間的溫度進(jìn)行溫度控制，那么由于氣流組織和各個局部負(fù)荷的差異，各處的溫度差別可能會很大，在同一時期內(nèi)可能出現(xiàn)一處過冷，另一處過熱的現(xiàn)象。這種過冷、過熱，顯然便導(dǎo)致了能源的浪費(fèi)。

    對此，這里不打算進(jìn)行評述，下面擬著重討論內(nèi)區(qū)和周邊區(qū)的問題。1幢大樓標(biāo)準(zhǔn)層平面一般至少得有500-1000m2，其進(jìn)深少則幾米，多則十幾米。經(jīng)驗表明，緊鄰?fù)鈮?、外穿的區(qū)間，冬季由于室外氣溫低于室內(nèi)，通過外墻、外窗的傳滲透等影響，室內(nèi)需要供暖，才能保持室內(nèi)所需的溫度。但是，遠(yuǎn)離外墻、外窗的區(qū)間，冬季卻沒有這炎熱損失，所以，它沒有供暖要求。非但如此，現(xiàn)有的現(xiàn)代化大廈的使用實踐經(jīng)驗表明，隨著辦公設(shè)備的迅速進(jìn)步，室內(nèi)使用的自動化辦公設(shè)備的種類和數(shù)量愈來愈多，如計算機(jī)、復(fù)印機(jī)、打印機(jī)、文件破碎處理機(jī)、傳真機(jī)等等。這些辦公設(shè)備的用電自然最終還是以熱的形式散發(fā)出來。另外，現(xiàn)代化大廈室內(nèi)照明的照度標(biāo)準(zhǔn)也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于一般常規(guī)建筑。這樣大功率的照明燈具顯然也是全年穩(wěn)定的散熱源。所以，就這部分區(qū)間而言，冬季不但不需供暖，而且還得供冷，否則室內(nèi)便會過熱。

    基于冬季這兩個部分區(qū)間的兩種截然不同的空調(diào)要求，現(xiàn)在歐美、日本等國家的規(guī)范化做法都是首先在平面上劃分為周邊區(qū)和內(nèi)區(qū)。內(nèi)區(qū)需全年供冷，周邊區(qū)則是冬季供暖、夏季供冷。

    至于周邊區(qū)和內(nèi)區(qū)的具體劃分方法，大致是把距周邊外圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面3-5m的這一區(qū)間定為周邊區(qū)，其余的面積則統(tǒng)稱內(nèi)區(qū)。

    由于周邊區(qū)和內(nèi)區(qū)冬季的運(yùn)行工況不同，所以，在空調(diào)水系統(tǒng)的設(shè)計上必須作出相應(yīng)的考慮和安排。譬如，在水系統(tǒng)方面，盡管對個別空調(diào)機(jī)組而言，一般都是采用雙管制；但是，對于整個中央空調(diào)的水系統(tǒng)，這時便不是雙管制所能滿足要求的了。因為在這種情況下，冬季一方面要考慮周邊區(qū)的供暖，需要供熱水；而另一方面又要顧及內(nèi)區(qū)的供冷，必須供冷水。所以，從這一層意義上來主產(chǎn)，采用如此分區(qū)的空調(diào)工程的中央空調(diào)水系統(tǒng)必須是四管制。

    空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)

    在論及空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)的變化和新進(jìn)展時，需要再重申一點，即我們的討論主要是針對以辦公為主要功能的高層辦公樓建筑而言，需要把以居住為主要功能的賓館客房撇開不談。因為對于賓館、公寓之類建筑的空調(diào)方式，可以說至今還沒有出現(xiàn)其他任何一種能比風(fēng)機(jī)盤管這種水—空氣方式更為成熟、適用和經(jīng)濟(jì)有效的空調(diào)方式。

    一、變風(fēng)量空調(diào)方式的應(yīng)用

    眾所周知，一般辦公樓在建筑和使用功能上不同于賓館、酒樓客房的一大特點就是空間大、面積大、內(nèi)裝修講究、隔間的分隔要求能靈活多變。對于這類建筑，過去一直難于找到合適的空調(diào)方式。如果采用常規(guī)的全空氣方式，一方面送風(fēng)管、回風(fēng)管截面積大，很難適應(yīng)高層建筑層高低的狀。另一方面，那么大的一個多區(qū)系統(tǒng)，各區(qū)的溫度控制要求也實在是眾口難調(diào)。因此，至今為止，不少辦公樓還都不得不采用帶獨(dú)立新風(fēng)的風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)這樣的空調(diào)方式。

    然而，風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)存在不少問題，其中最大的問題就是滴水問題。引起滴水的原因很多，譬如冷凍水供、回水管和滴水管的保溫不好，凝結(jié)不排水管安裝坡度不夠，滴水盤排水口積灰堵塞等等。這種種因素都會導(dǎo)致凝結(jié)水的滴漏并污染吊頂。另外，辦公樓開間大，其隔間隨用戶的變換，需頻繁改變，如果采用風(fēng)機(jī)盤管機(jī)組，則其固定的送風(fēng)口和回風(fēng)口將很適應(yīng)隔間的調(diào)整。

    基于上述種種因素的考慮，現(xiàn)在有些高級辦公樓的空調(diào)工程已決定擺脫風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)，取而代之的是如圖1所示的變風(fēng)量空調(diào)方式。

    按筆者的分析與歸納，這一系統(tǒng)具有一個很明顯的特征，即系統(tǒng)的層次清楚。概括起來講，可以歸納為3個層次：樓、層、區(qū)。其具體的含義是：①第1 層起，全樓設(shè)一套中央新風(fēng)處理機(jī)組，這是一個定風(fēng)量式（CAV）系統(tǒng)，專門用于向各層送固定數(shù)量的新風(fēng)。②第2層次，每層設(shè)1套或2套空氣處理機(jī)組和相應(yīng)的一次送風(fēng)系統(tǒng)。這是一個變風(fēng)量式（VAV）系統(tǒng)，其送風(fēng)量可根據(jù)送風(fēng)干管內(nèi)的靜壓傳感器進(jìn)行自動調(diào)節(jié)。另外，其送風(fēng)溫度可由1只溫度傳感器進(jìn)行預(yù)先設(shè)定的定值控制。③第3層次，每1個分區(qū)設(shè)1臺風(fēng)機(jī)混合箱，或其他類型的終端，后者也像風(fēng)機(jī)盤管一樣，暗裝在吊頂內(nèi)。風(fēng)機(jī)混合箱根據(jù)所在分區(qū)的溫度狀況，由溫度傳感器控制一次風(fēng)的風(fēng)量，然后通過軟管分別送到各個送風(fēng)口。風(fēng)機(jī)混合箱有兩種：一種用于內(nèi)區(qū)，其中只有1臺風(fēng)機(jī)和過濾器，不含任何熱交換器；另一種適用于周邊區(qū)，其中除風(fēng)機(jī)和過濾器外，還裝有一組加熱器。另外，在一次風(fēng)的接口風(fēng)管上裝有風(fēng)量調(diào)節(jié)閥，后者可根據(jù)各相應(yīng)分區(qū)的溫度控制器的指令動作，調(diào)節(jié)一次風(fēng)的風(fēng)量。對每一個分區(qū)或每個風(fēng)機(jī)混合箱而言，盡管其一次風(fēng)量根據(jù)溫度控制的要求，隨時都在變化，但其總的送風(fēng)量卻不會變化。

    這種系統(tǒng)的優(yōu)點主要表現(xiàn)在如下幾個方面：

    a.用全空氣方式取代了水—空氣方式的風(fēng)機(jī)盤管，從而從根本上杜絕了凝結(jié)水滴漏的可能性。

    b.它不同于一般的全空氣方式的空調(diào)系統(tǒng)，前者利用吊頂空調(diào)作回風(fēng)室，基本上可省去回風(fēng)管，而且一次風(fēng)可采用低溫送風(fēng)，溫度可以較低，因而一次風(fēng)量可減少，從而可縮小送風(fēng)干管的截面尺寸。

    c.與一般全空氣方式的多區(qū)系統(tǒng)不同，可實現(xiàn)各分區(qū)的獨(dú)立的溫度控制，從而改善室內(nèi)溫度分布狀態(tài)，并且可節(jié)能。

    d.可適應(yīng)辦公室隔間的變化，因為風(fēng)機(jī)混合箱的安裝部位及回風(fēng)口的位置均與其下面的隔墻無關(guān)，即使要改變送風(fēng)口位置，也只需調(diào)整送風(fēng)軟接管的走向即可。

    當(dāng)然，這種系統(tǒng)也有其不足之處。首稱，在冬季，由于內(nèi)區(qū)需供冷，周邊區(qū)需供暖，周邊區(qū)的一次風(fēng)需要冷卻后再進(jìn)行加熱，這顯然構(gòu)成了能源的浪費(fèi)。其次，在多數(shù)情況下，其造價要高于一般的風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)。

    二、雙風(fēng)機(jī)的全空氣式系統(tǒng)

    在上海較早建成的一些高層辦公大樓里，現(xiàn)在反映比較普遍的一個主要問題就是新鮮空氣量不足，這引起了辦公樓內(nèi)的工作人員的投訴和抱怨，這個問題已被專門的實測結(jié)果所證實。造成這種室內(nèi)空氣品質(zhì)問題的原因可能有多種，主要的還是空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計上的毛病。這主要表現(xiàn)在以下幾方面：

    a.在設(shè)計之初，雖然設(shè)計師在設(shè)計中也都按規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)考慮了必要的新風(fēng)量；另外，衛(wèi)生間也按規(guī)范要求的換氣次數(shù)設(shè)計了排風(fēng)。這樣的設(shè)計看似一切均按規(guī)范進(jìn)行，并無什么不妥。但實際上，這只是紙上談兵。問題在于，若按僅有的幾處衛(wèi)生間的排風(fēng)，其總的排風(fēng)量還是太小，無論如何也平衡不了整個樓層所需的最小新風(fēng)量。待建筑物建成投入運(yùn)行后，往往由于無法開窗，新鮮空氣不能如設(shè)計上計算的那樣如數(shù)供應(yīng)，導(dǎo)致大樓辦公區(qū)內(nèi)新鮮空氣嚴(yán)重不足，住戶們成天抱怨頭昏頭痛。一旦查出原因，人們就不得不紛紛搬離這種惡劣的工作環(huán)境。

    b.在一些較早建成的豪華辦公大樓里，也許是由于機(jī)房面積過小，難以安排；也許是由于設(shè)計師為了省事，新風(fēng)管往往不是直接接入空調(diào)機(jī)組內(nèi)，而僅僅通入機(jī)房內(nèi)，新風(fēng)完全靠機(jī)房內(nèi)的負(fù)壓吸入。這樣的做法，省事倒是省事，然而，實際效果卻令人遺憾。說起來，設(shè)計也是按規(guī)范取用新風(fēng)量，但實際情況卻大相徑庭。

    c.所謂的變風(fēng)量空調(diào)器不顧場合的濫用。對于高層辦公大廈，先姑且不談其塔樓部分，且說那些高層辦公大樓幾乎必備的裙房部分。裙房一般均用作商店、餐飲、娛樂、集會場所。對于這些公共場所的空調(diào)，早期因缺少經(jīng)驗采用風(fēng)機(jī)盤管加新風(fēng)的方式比較多。后來，大多數(shù)有經(jīng)驗的設(shè)計單位在設(shè)計文件中往往都宣稱須要用的是全空氣變風(fēng)量方式。但實際上采用的卻是所謂的“變風(fēng)量空調(diào)機(jī)組”。其實，這種變風(fēng)量空調(diào)機(jī)組在功能上與風(fēng)機(jī)盤管類似，只能視作大型風(fēng)機(jī)盤管機(jī)組，無法真正變風(fēng)量。采用這種簡易式的空調(diào)機(jī)組是不能滿足全年節(jié)能運(yùn)行和充足的新風(fēng)要求的。

    那么，舒適性全空氣方式空調(diào)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)模式應(yīng)該是怎樣的呢？歸納起來，一個規(guī)范化的舒適性全空氣式空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)該是完全自動控制并帶有雙風(fēng)機(jī)，可實現(xiàn)全年新風(fēng)量調(diào)節(jié)，冬、夏季能確保最少新風(fēng)量，春、秋季能實現(xiàn)節(jié)能經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的系統(tǒng)。這一系統(tǒng)的基本組成及其簡單易行的控制原理見圖2.其相應(yīng)的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的控制作用見圖3、圖4和圖5.

    需要說明的是，關(guān)于舒適性空調(diào)的節(jié)能自動控制方法，根據(jù)氣象分區(qū)的不同，可有多種多樣的多工況自動邏輯程序控制方式。這些方式在微機(jī)的支持下盡管實現(xiàn)起來并不難，但卻顯得十分繁雜。比較簡單易行、實用的當(dāng)首推如圖2中所示的三種工況分程控制。不管是模擬式控制，還是直接數(shù)字式控制，其動作的原理都可用圖3、圖4和圖5比較直觀地反映出來。分程控制的特點是靠執(zhí)行機(jī)構(gòu)上的定位器（電子式或氣動式）預(yù)設(shè)的信號響應(yīng)范圍（電壓或氣壓值范圍），來確保各調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)（如聯(lián)動的新風(fēng)和排風(fēng)閥F1、F2，加熱閥V1和冷卻閥V2）不同時間、有序地相繼動作。在這里一共采用了三個調(diào)節(jié)器101、102、103.調(diào)節(jié)器101的作用主要在于確保冬夏季最小新風(fēng)量的設(shè)定。調(diào)節(jié)器103的作用在于根據(jù)室外溫度，對室內(nèi)溫度傳感器設(shè)定值進(jìn)行自動再調(diào)。

    新風(fēng)閥F1和排風(fēng)閥F2（還有與之聯(lián)動，但作用相反的回風(fēng)閥F3）在過渡季根據(jù)室內(nèi)熱負(fù)荷狀況逐步加大開度，以充分利用室外低溫空氣的自然供冷能力來代替制冷機(jī)運(yùn)行。這種作用在國外統(tǒng)稱為“免費(fèi)供冷”（free cooling）。“免費(fèi)供冷”這是如今各國空調(diào)工程設(shè)計節(jié)能規(guī)范中必有的非常重要的一條。

    加拿大1995年國家空調(diào)工程設(shè)計節(jié)能規(guī)范對非居住建筑空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的相應(yīng)規(guī)范條文是這樣記述的：除用于公寓、旅館、汽車旅館之外的，風(fēng)量在1200l/s（4320m3/h）、供冷容量在20kW以上的所有空調(diào)系統(tǒng)都應(yīng)在設(shè)計中考慮按照下列途徑，利用室外空氣，以求減小機(jī)械供冷的能耗：

    1、直接利用室外空氣供冷（新風(fēng)節(jié)能運(yùn)行系統(tǒng)）

    a.直接利用室外空氣以降低機(jī)械供冷能耗的系統(tǒng)。在采用新風(fēng)與回風(fēng)混合的過程中應(yīng)能使室外空氣取用量達(dá)到100%的程度，以獲得室內(nèi)空調(diào)所需的進(jìn)風(fēng)溫度。

    b.在如上所述的系統(tǒng)中應(yīng)設(shè)有自動控制裝置以使當(dāng)室外空氣溫度高于回風(fēng)溫度，或者當(dāng)室外空氣值大于回風(fēng)空氣值時，能自動地把新風(fēng)量控制在滿足室內(nèi)空氣品質(zhì)要求的最小限度。

    c.除下述情況（即直接膨脹式系統(tǒng)，為避免因新風(fēng)取用量過大而導(dǎo)致融霜的情況）外，在如上述各條文中規(guī)定的系統(tǒng)設(shè)計條件下，應(yīng)能在即使機(jī)械供冷裝置已準(zhǔn)備妥當(dāng)隨時可用的情況下，也可做到使新風(fēng)和回風(fēng)混合后的溫度盡可能接近室內(nèi)空調(diào)所需的送風(fēng)溫度。

    2、間接利用室外空氣供冷（水側(cè)節(jié)能運(yùn)行系統(tǒng)）

    關(guān)于第2種新風(fēng)供冷能力的利用方法這里暫不討論，擬留在后面論及水系統(tǒng)時再予評述。

    另外，說來十分有趣，而且也很值得引起注意的是，在美國加州1991年的空調(diào)設(shè)計節(jié)能規(guī)范中，除上述類似的條文規(guī)定外，對如何確保室內(nèi)新風(fēng)量還作了若干十分明確的具體規(guī)定。規(guī)范要求，系統(tǒng)在投入使用前，必須進(jìn)行認(rèn)真的調(diào)試，以確保風(fēng)量的平衡和新風(fēng)量的導(dǎo)入。否則，每個系統(tǒng)必須在目的地安裝帶有讀數(shù)的就地或可遙測的新風(fēng)量計測儀表，以利隨時直接觀察和監(jiān)測。

    由此可見，國外對于確?？照{(diào)新風(fēng)量的問題也像國內(nèi)一樣，受到普遍的關(guān)切，在一些新建的豪華大廈中對這一點怎么強(qiáng)調(diào)也不過分。

    顯然，采用帶自動控制的雙風(fēng)機(jī)全空氣式系統(tǒng)是為滿足上述規(guī)范要求所必須的，因為這一方面可滿足關(guān)于新風(fēng)供冷的節(jié)能經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的要求；另一方面又可隨時自動保持系統(tǒng)新風(fēng)和排風(fēng)之間的平衡，確保最小新風(fēng)量的導(dǎo)入。

    也許正是因為如此，如今已有越來越多的場合，不僅像那些具有較好客觀安裝條件的高層建筑裙房部分，以及全年不允許開窗生產(chǎn)的工業(yè)廠房舒適性空調(diào)中趨向于采用如圖2所示的系統(tǒng)，甚至某些新建的高層辦公大樓塔樓部分也開始出現(xiàn)采用這種系統(tǒng)的動向。

    例如，本市正在建筑中的某一超高層辦公樓的設(shè)計方案是通過國際設(shè)計招標(biāo)，由德國一家設(shè)計公司中標(biāo)而確定下來的。在該方案中，設(shè)計師提出了如圖6所示的雙風(fēng)機(jī)全空氣空調(diào)方式結(jié)合采用降溫吊頂（Cooling Ceiling）方式。

    該空調(diào)方式有兩個特點：一是每13層設(shè)1套全空氣式空調(diào)系統(tǒng)，機(jī)房設(shè)于中間一層，分別向上面6層和下面6層送風(fēng)和排風(fēng)；二是各室設(shè)置降溫吊頂，以作為夏季最熱期間的輔助降溫裝置。為防止冷水盤管表面結(jié)露，其入口水溫需自動控制保持高于16℃。所用全空氣式系統(tǒng)全年送風(fēng)溫度范圍為16～24℃。過渡期可利用100%的全機(jī)關(guān)報風(fēng)。冬季和夏季則用乙二醇溶液循環(huán)裝置對排風(fēng)的廢熱進(jìn)行回收利用。

    三、 大溫差或低溫送風(fēng)

    近年來，國外基于節(jié)省熱媒輸送能耗，推行大溫差小流量系統(tǒng)。對于空氣介質(zhì)而言，這類系統(tǒng)便是大溫差的低溫送風(fēng)系統(tǒng)。具體的做法是有時用5℃的低溫水，有時也可用7℃的通常冷水把空氣處理到10℃左右，作為一次風(fēng)送入風(fēng)機(jī)混合箱與回風(fēng)混合，稍升溫后送入室內(nèi)；也可直接通入變風(fēng)量末端裝置，以誘導(dǎo)室內(nèi)空氣與之混合，迅速減少送風(fēng)溫差。低溫送風(fēng)的好處主要有3點：①可減小送風(fēng)量，降低風(fēng)機(jī)動力消耗；②可減小送風(fēng)管截面尺寸，有利于高層建筑層高的有效利用；③有利于降低室內(nèi)相對溫度，改善舒適度。如今在上海采用低溫送風(fēng)的工程有諸如88層的金茂大廈、上海證券大廈、原萬國金融大廈等高層和超高層建筑，也有像在建的上海兒童醫(yī)學(xué)中心這類高標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)代化醫(yī)院建筑。

    四、置換式通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)

    置換式通風(fēng)空調(diào)不同于通常的混合式空調(diào)方式，主要表現(xiàn)在如下幾點：

    a.采取下送上回的送風(fēng)方式，可使清潔的送風(fēng)氣流首先進(jìn)入室內(nèi)人員呼吸帶和有效活動區(qū)，形成有利于改善工作區(qū)的空氣品質(zhì)。

    b.采用低速送風(fēng)，導(dǎo)致氣流緩慢擴(kuò)散上升，形成垂直方向上的溫度成層和溫升梯度，提高了排風(fēng)和回風(fēng)溫度，可節(jié)省夏季運(yùn)行能耗。

    c.由于是下送風(fēng)，送風(fēng)溫度相對較高，對于全空氣式系統(tǒng)的運(yùn)行，加大了過渡季利用新風(fēng)自然供冷的潛力，延長了其節(jié)能經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的周期，從而可更加縮短全年機(jī)械供冷的時間，進(jìn)一步增大了節(jié)能效益。

    鑒于上述特點，置換式通風(fēng)空調(diào)方式普遍適用于一切以舒適性為目的公共場所，如影響劇院、體育館等。據(jù)悉，在建的上海大劇院建筑設(shè)計方案為法國建筑師的作品，其觀眾廳采用的即是座椅下送風(fēng)的置換式空調(diào)方式。另外，據(jù)認(rèn)為，置換式通風(fēng)空調(diào)方式應(yīng)用于一般被視作難題的中庭空調(diào)，可獲得獨(dú)特的效果。

    總之，基于置換式通風(fēng)空調(diào)方式的諸多優(yōu)點，預(yù)計隨著其送風(fēng)分布器的逐步國產(chǎn)化，必將在我國為人們所廣泛接受。

    五、 “地板下空調(diào)裝置”

    這是日本一家設(shè)計公司在上海某高層建筑設(shè)計方案國際招標(biāo)活動中標(biāo)投標(biāo)書中所提出的一種新型空調(diào)方式的特定名稱。在此值得一提的是，在這次參加投標(biāo)的五家國外設(shè)計公司中有四家來自北美，一家來自日本。其中有4個方案提出采用以風(fēng)機(jī)混合箱為基礎(chǔ)的變風(fēng)量空調(diào)方式。但已記不清中標(biāo)的日本公司的方案是否在這四者之列。不過，他們與眾不同，給人以深刻印象的是，除主要方案外，還提出了不少輔助性空調(diào)節(jié)能措施。“地板下空調(diào)裝置”即為其提出的為少數(shù)幾間高級領(lǐng)導(dǎo)人辦公室采用的新式空調(diào)裝置。據(jù)稱，這是一種獨(dú)立式超薄空調(diào)機(jī)，其厚度僅為240mm，既可發(fā)揮空調(diào)機(jī)的功能，又可兼作空間分隔的隔熱。這種設(shè)備顯然包括制冷機(jī)、風(fēng)機(jī)、加熱器（電加熱）。據(jù)稱，它既看不到，也不需要在現(xiàn)場進(jìn)行外部接管，而且其運(yùn)行可按季節(jié)的變化，改變送風(fēng)方式，即可實現(xiàn)夏季上送下回，冬季下送上回。

    空調(diào)水系統(tǒng)

    水側(cè)節(jié)能運(yùn)行系統(tǒng)——室外空氣供冷的間接途徑

    在上述§2.2中提到的加拿大1995年國家空調(diào)工程設(shè)計節(jié)能規(guī)范對非居住建筑空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的條文中，只著重討論了直接利用室外空氣供冷（新風(fēng)節(jié)能運(yùn)行系統(tǒng)）的節(jié)能方式，對于另一種間接利用新風(fēng)供冷的方法未能涉及，現(xiàn)在此展開討論。

    1　有關(guān)條文的引述

    在加拿大的國家空調(diào)工程設(shè)計節(jié)能規(guī)范相關(guān)條文的后續(xù)部分（間接利用室外空氣供冷—水側(cè)節(jié)能運(yùn)行系統(tǒng)）是這樣規(guī)定的：

    a.利用室外空氣通過直接蒸發(fā)、間接蒸發(fā)或兩者相結(jié)合的方式來冷卻供冷流體，以減少機(jī)械供冷能耗的系統(tǒng)，應(yīng)能在室外空氣濕球溫度等于或低于7℃的情況下，為冷卻送風(fēng)空氣承擔(dān)系統(tǒng)預(yù)期的全部供冷負(fù)荷。

    b.利用室外空氣通過顯熱交換途徑冷卻供冷流體，以減少機(jī)械供冷能耗的系統(tǒng)，應(yīng)能在室外空氣干球溫度等于或低于10℃的情況下，為冷卻送風(fēng)空氣承擔(dān)預(yù)期的全部供冷負(fù)荷。

    2 個人的見解

    根據(jù)筆者的理解，結(jié)合近年來從各方面得來的信息，筆者以為，要遵守上述規(guī)定，傳統(tǒng)的空調(diào)水系統(tǒng)必須作出某些適應(yīng)性的改變才行。這種改變可以舉出如下幾種：

    a.過渡期和冬季，利用大樓新風(fēng)系統(tǒng)的鷴風(fēng)冷空氣對冷凍水的回水進(jìn)行預(yù)冷卻。

    如圖8所示的空調(diào)冷凍水系統(tǒng)是如今北美設(shè)計公司在國同人承接的某些高層建筑空調(diào)工程設(shè)計中常見的一種節(jié)能方法。圖中所示為全樓共用的一套中央集中供新風(fēng)系統(tǒng)中的新風(fēng)空氣處理機(jī)組。由于一直未有機(jī)會與北美國家的設(shè)計專家們作面對面的交流，所以，只能根據(jù)其示意圖與功能，按筆者本人的理解對這一方式作出相應(yīng)的剖析。筆者以為圖中的前置換熱器1和后置換熱器2，主要用于過渡期和冬季的室外空氣“免費(fèi)供冷”用。圖中的3只三通調(diào)節(jié)閥只作工況轉(zhuǎn)換閥，不作調(diào)節(jié)用。利用這3只電動三通調(diào)節(jié)閥和聯(lián)動的切換閥3的共同作用，便可實現(xiàn)冬季、過渡期和夏季3種工況的轉(zhuǎn)換。

    例如，在冬季（當(dāng)室外低于10℃）時，切換閥3置于下方通路。冷凍水先后依次通過各層空調(diào)器4和板式換熱器之后，進(jìn)入新風(fēng)空氣前置換熱器和后置換熱器2，在此與低溫的新風(fēng)空氣連續(xù)進(jìn)行二次熱交換。一方面利用室外的低溫空氣使冷凍水回水在進(jìn)入機(jī)械制冷之前，先行“免費(fèi)”預(yù)冷至某一稍低的溫度，例如 13.9℃，則15.6-13.9=1.7℃，即為新風(fēng)供冷的節(jié)能效益。與此同時，低溫新風(fēng)經(jīng)與相對較高溫度的冷凍水回水換熱后，得以加熱，從而節(jié)省了這部分新風(fēng)加熱所必須的外部供熱量，這顯然可為系統(tǒng)的冬季運(yùn)行提供雙重的節(jié)能效益。

    夏季，利用切換閥3，開通上方通路，使冷凍水先經(jīng)三通閥7、后置換熱器2和三通閥8后，進(jìn)入各層空調(diào)器4、板式換熱器5，最后再通過前置換熱器1與三通閥6，返回冷水機(jī)組。在此過程中，高溫、高濕的新風(fēng)空氣先后通過二次降溫、去濕換熱處理，可獲得所需的進(jìn)風(fēng)參數(shù)。

    在過渡期，切換閥3開通下方通路，冷凍水則不經(jīng)后置換熱器2，不與新風(fēng)空氣進(jìn)行熱交換，直接到達(dá)前換熱器1.顯然，這時水與室外進(jìn)風(fēng)空氣之間的溫差已大大減小，但仍可在不同程度上獲得部分預(yù)冷效果。

    筆者以為，上述方式確實可為系統(tǒng)運(yùn)行提供一定的節(jié)能效果，如果結(jié)合上述節(jié)能規(guī)范來看，這一節(jié)能效應(yīng)尚遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足規(guī)范的要求，因為后者要求新風(fēng)供冷應(yīng)能承擔(dān)預(yù)期的全部供冷負(fù)荷。

    b.采用風(fēng)冷式冷水機(jī)組的一種派生型帶預(yù)冷卻的機(jī)組

    這種機(jī)組的工作原理示于圖9.這一利用方式的缺點是，在平時（夏季）不利用室外空氣預(yù)冷時，會加大風(fēng)冷冷凝器環(huán)路空氣側(cè)阻力，以致增大了相應(yīng)的能耗。但它的好處是，風(fēng)冷冷凝器可與預(yù)冷盤管同時工作，不必相互排斥，必須切換使用。

    c.利用制冷系統(tǒng)冷卻系統(tǒng)冷卻水的密閉式冷卻塔進(jìn)行室外空氣供冷

    圖10所示即為這一方式的工作原理圖。在這一系統(tǒng)中是利用機(jī)械制冷系統(tǒng)中的冷卻水冷卻設(shè)備——密閉式冷卻塔，來實現(xiàn)冬季對自然冷源——室外空氣的利用。顯然，在這里，機(jī)械供冷與自然冷源供冷兩者是不能同時工作的，必須切換著使用。筆者以為，這一點也許就是在加拿大國家空調(diào)工程設(shè)計節(jié)能規(guī)范中規(guī)定，以室外空氣干球溫度10℃或濕球溫度7℃為工況轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)，并強(qiáng)調(diào)“能承擔(dān)系統(tǒng)預(yù)期的全部供冷負(fù)荷”的道理所在。為使該裝置能在低于0℃的室外氣溫下正常運(yùn)行，系統(tǒng)中需充以乙二醇溶液不凍液。

    顯然，按照這一圖式，必須具備一個條件，即機(jī)械供冷系統(tǒng)必須采用密閉式冷卻塔。密閉式冷卻塔價格雖然十分昂貴，但隨著制泠系統(tǒng)對冷卻水水質(zhì)要求的提高，在不少場合下其應(yīng)用是不可少的。隨著新型高效、價廉的密閉式冷卻塔的面世，并考慮到其冬季運(yùn)行期間自然供冷節(jié)能的效益，其普遍推廣應(yīng)用的前景將更趨光明。

    d.利用板式熱交換器的節(jié)能運(yùn)行方式

    如圖11所示的這一方式基本上與上述利用密閉式冷卻塔的方式相類似，只不過在這里是把直接蒸發(fā)式（開式）冷地塔與板式換熱器結(jié)合起來使用，以代替密閉式冷卻塔的功能而已。但是，在功能上它卻遠(yuǎn)遜于前者，因為后者在室外溫度低于0℃時是無法運(yùn)行的。

    變流量系統(tǒng)

    在我國，目前空調(diào)水系統(tǒng)采用定流量式系統(tǒng)比較普遍，其主要原因是它要求的的控制技術(shù)較簡單。但是，由于空調(diào)水系統(tǒng)的輸送動力消耗量大，而且空調(diào)負(fù)荷的特點又是絕大部分時間里處于低負(fù)荷狀態(tài)，這就為空調(diào)水系統(tǒng)的節(jié)能運(yùn)行提供了巨大的潛力。所以，在上述的空調(diào)工程設(shè)計節(jié)能規(guī)范中對此均有相應(yīng)的明確的條文規(guī)定。例如，美國ASHRAE/IES90.1-1989的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)中明確提出：“水系統(tǒng)應(yīng)設(shè)計成變流量系統(tǒng)。其所用控制閥應(yīng)能根據(jù)系統(tǒng)負(fù)荷的變化自動地調(diào)節(jié)開度或逐級開啟和關(guān)閉，系統(tǒng)應(yīng)能將流量降低到設(shè)計流量的50%或以下。改變流量的方法不僅僅限于采用變速傳動泵一種，可有多種方案選擇，如多臺泵的臺數(shù)分段控制或泵的特性控制等。”

    上述條文的規(guī)定是十分有道理的。一味追求變速傳動控制（如變頻控制），初次投資很大。特別是在水系統(tǒng)規(guī)模比較大、并聯(lián)水泵臺數(shù)較多時，比較經(jīng)濟(jì)的方法還是多臺水泵并聯(lián)運(yùn)行中的臺數(shù)控制。圖12所示即為典型的二次泵系統(tǒng)臺為九控制原理圖。

    在該圖中，一次泵系統(tǒng)采用負(fù)荷控制原理，根據(jù)瞬時供、回水量及溫差的乘積，計算出實際的負(fù)荷量。當(dāng)負(fù)荷量減小到一臺冷水機(jī)組的容量時，便停開一臺機(jī)組及相應(yīng)的水泵。在二次泵系統(tǒng)中，由于系統(tǒng)負(fù)荷，也即流量的變化引起的供、回水干管中壓差的變化，由壓差傳感器感測到后，通過壓差調(diào)節(jié)器控制旁通閥的開度，以保持系統(tǒng)的穩(wěn)定壓差。同時，當(dāng)流量計測得的流量減少到一臺二次泵的流量時，便停開一臺二次水泵。

    關(guān)于“三次泵”的應(yīng)用

    這里“三次泵”的名稱是筆者為敘述方便而采用的，相對于上述典型的二次泵圖式所作的一個非正式命名。實質(zhì)上，它是指裝在某些空調(diào)換熱器（冷卻器、加熱器）前用于系統(tǒng)循環(huán)的水泵。三次泵的典型連接方式應(yīng)用原理示于圖13.

    采用三次泵的這一做法目前幾乎已成為歐美和日本等國家通行的標(biāo)準(zhǔn)做法。但是，這一技術(shù)在我國卻不為人們所理解，往往會被經(jīng)手人員取消。與之對應(yīng)的傳統(tǒng)的三通調(diào)節(jié)閥接管方式示于圖14.比較兩者不難看出，其間一個最大的區(qū)別在于前者可使子系統(tǒng)內(nèi)保持恒定的水流量，適用于變流量的水系統(tǒng)。而后者的作用在于使子系統(tǒng)內(nèi)的流量隨負(fù)荷而變化，適用于定流量的水系統(tǒng)。

    按筆者的分析，采用三次泵決不是可有可無、徒添麻煩的事，其好處主要在于如下幾個方面：

    a.改善子系統(tǒng)的水力工況和循環(huán)；

    b.減少二次泵的揚(yáng)程；

    c.改善三通調(diào)節(jié)閥的運(yùn)行條件。

    關(guān)于這最后一點：筆者不得不多費(fèi)此筆墨。在關(guān)于三通調(diào)節(jié)閥的運(yùn)行方面，筆者曾有兩次難忘的親自經(jīng)歷。一次是約10年前在對（國外某公司）1只 DN80的三通調(diào)節(jié)閥進(jìn)行調(diào)試時，發(fā)覺其閥芯會不停地旋轉(zhuǎn)，過不多久便被磨損不堪。供貨單位認(rèn)為是因為系統(tǒng)壓力太大，以致閥前后壓差超過了允許的限度所致。其實，水系統(tǒng)中水泵的揚(yáng)程尚屬常規(guī)，僅只0.25-0.3Mpa，基本上為克服系統(tǒng)阻力所必須。另外一次則是去年上海博物館空調(diào)工程的調(diào)試。所見也是一只較大規(guī)格的自動控制閥，結(jié)果控制閥難正常運(yùn)行，以致冬季時常過熱，夏季又過冷。外方供貨單位也是堅持認(rèn)為閥前后壓差太大，超出了調(diào)節(jié)閥的允許限度（大口徑閥的允許限度小），以致閥門無法關(guān)閉。這種種現(xiàn)象表明，我們過去通常習(xí)慣的設(shè)計手法不是沒有問題的。采用三次泵的做法無疑會大大改善三通調(diào)節(jié)閥所賴以正常運(yùn)行的水力工況，因為三次泵的特性可完全針對所在子系統(tǒng)（盤管、調(diào)節(jié)閥）的水力狀況進(jìn)行選定。

    在述及三次泵及其與三通閥組成的子系統(tǒng)控制方式時，不能不提及最近出現(xiàn)的另一種更簡化的采用變頻調(diào)速型三次泵代替三通閥與定流量型三次泵的組合型圖式（圖15）。這種方式較之于圖13控制方式的優(yōu)點是不言自明的。

    關(guān)于空調(diào)水系統(tǒng)的垂直分區(qū)

    考慮到標(biāo)準(zhǔn)型冷水機(jī)組、空調(diào)器中的熱交換器以及閥門、管配件對水靜壓的承載能力，迄今國內(nèi)對于高層和超高層建筑空調(diào)水系統(tǒng)的常規(guī)做法，基本上都是按60m或100m的高度作垂直分區(qū)處理，即每隔60m或100m設(shè)置一個獨(dú)立的水系統(tǒng)，在適當(dāng)高度的樓層上分別設(shè)置板式換熱器或者冷水機(jī)組，實現(xiàn)水力隔離。采用板式換熱器一方面加大了造價，另一方面也增大了冷量和可供利用的溫度損失。按高度分區(qū)設(shè)置冷水機(jī)組，結(jié)果將是機(jī)房分散，管理不便，加之系統(tǒng)各自獨(dú)立，冷水機(jī)組不能互為備用，部分負(fù)荷下的運(yùn)行效率比起統(tǒng)一的系統(tǒng)更低，能耗費(fèi)用增大。美國某設(shè)計單位在上海88層420m高的金茂大廈空調(diào)水系統(tǒng)的初步設(shè)計中本來是考慮設(shè)置一個統(tǒng)一的水系統(tǒng)。全部冷水機(jī)組均集中設(shè)于地下層內(nèi)，全樓不作垂直分區(qū)。為此，所有冷水機(jī)組、空調(diào)器、閥門管件均按高靜壓承載能力作特殊訂貨。美方專家說明，這種處理手法在境外不少超高層建筑中已經(jīng)有過多次實踐經(jīng)驗，技術(shù)上是成熟的、可靠的。后來，在實施中，中方有關(guān)專家提出了修改方案，按高度和負(fù)荷性質(zhì)，分別組成3個獨(dú)立的系統(tǒng)，即高區(qū)系統(tǒng)、中區(qū)系統(tǒng)和低區(qū)系統(tǒng)。各區(qū)系統(tǒng)均是一竿子到底，不殖民地作垂直分區(qū)。這一作法的一個主要好處是可降低中區(qū)和低區(qū)系統(tǒng)所有設(shè)備和管件的承載能力，但無疑這也使系統(tǒng)失去了不少功能，如3個系統(tǒng)不能統(tǒng)一步調(diào)供冷，不能互為備用；在低負(fù)荷時，3個系統(tǒng)的冷水機(jī)組都要在低負(fù)荷下運(yùn)行；另外，在管理上也增加了不少麻煩，因為各系統(tǒng)中的設(shè)備、閥門及管件的額定承壓能力不同，不能互換使用?？傊?，一個方案的優(yōu)劣并不是絕對的，仁者見仁嘛。

    大溫差、小流量的冷凍水系統(tǒng)

    迄今為止，我國空調(diào)工程中空調(diào)用冷凍水系統(tǒng)的供、回水溫度的標(biāo)準(zhǔn)取值都是7/12℃，溫差△t=5℃，這也許可以說是幾十年一貫制了。但是，隨著境外設(shè)計單位，特別是北美國家設(shè)計公司在上海建筑市場上的成功進(jìn)取，隨著蓄冷系統(tǒng)、低溫送風(fēng)技術(shù)以及冬季水側(cè)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行技術(shù)的發(fā)展，給上海也帶來了大溫差、小流量的空調(diào)冷凍水系統(tǒng)。大溫差、小流量水系統(tǒng)看來主要源自于美國和加拿大。日本近年來也在從事這方面的基礎(chǔ)性研究，并相繼發(fā)表了一系列論文報告，對該項技術(shù)作出了肯定性的結(jié)論。

    一般大溫差、小流量的冷凍水系統(tǒng)對供、回水水溫度和溫差大致是取5/15℃，溫差△t=10℃，。為了獲得5℃的低溫和10℃的溫差，一般有3 種做法：①利用冰蓄冷系統(tǒng)提供低溫水與之混合；②采用溴化鋰吸收式制冷機(jī)與離心式冷水機(jī)組串聯(lián)運(yùn)行供冷；③是采用大溫差、低溫出水的離心式冷水機(jī)組。

    冷凍水系統(tǒng)采用大溫差、小流量的好處主要在于：

    a.減小系統(tǒng)的循環(huán)流量，降低水系統(tǒng)的輸送動力消耗。

    b.減小管道截面尺寸，降低管道造價。

    c.可減小管井截面積，減小敷設(shè)管道所需空間。

    d.減小管道供冷時的沿程傳熱損失。

    e.提高回水溫度，為冬季和過渡期實現(xiàn)新風(fēng)空氣供冷擴(kuò)大了利用的潛力。

    另據(jù)日本的實驗研究，采用大溫差、小流量的冷水系統(tǒng)后，即使是把全部10℃的溫差完全落實在一級（圖8所示為二級冷卻）冷卻器上，對其空氣側(cè)的供冷性能影響也并不大，基本上可不必因此而另訂標(biāo)準(zhǔn)，加大換熱面積。

    大溫差、小流量的冷卻水系統(tǒng)

    國內(nèi)冷水機(jī)組的冷卻水系統(tǒng)設(shè)計一般都是取進(jìn)、出水溫度為32℃和37℃，冷卻水溫差為△t=5℃，上海地區(qū)也是如此，這幾乎也成了幾十年不變的常規(guī)。但是，近年來北美國家設(shè)計公司在上海的某些新建高層建筑中提出了加大冷卻水系統(tǒng)供、回水溫差的節(jié)資、節(jié)能、節(jié)地的新做法。譬如，他們在主海原萬國金融大廈的工程設(shè)計中采用的典型冷卻水供水和回水溫度分別為32℃和34℃，冷卻水溫差為△t=8℃。

    冷卻水系統(tǒng)采用大溫差、小流量，除具有與冷水系統(tǒng)相同的好處外，還可減小冷卻塔的使用數(shù)量及其占地面積。這一點對于超高層建筑塔樓屋面面積為有限的情況下是十分有意義的。

    當(dāng)然，冷卻水系統(tǒng)加大溫差后，其平均溫度和出水溫度的提高必然會導(dǎo)致冷凝壓力的提高及相應(yīng)能耗的增加。但是，必須指出的是，冷卻塔出水水溫度 32℃只是全年中僅有的少數(shù)最熱幾天若干小時內(nèi)才會出現(xiàn)的設(shè)計值，而水泵的運(yùn)行卻是全年，甚至盡夜不停的。這種能耗的一失一得，平衡之后的結(jié)果應(yīng)該是不言而喻的。

    另外，該日本設(shè)計公司還為過渡季的節(jié)能，提出在玻璃幕墻的近側(cè)下部開窗作自然進(jìn)風(fēng)，上部排風(fēng)的安排。

    六、 利用雙層中空地板風(fēng)口進(jìn)風(fēng)的自然對流通風(fēng)的節(jié)能方式

    這是日本近年來在某些新建筑物設(shè)計中采取的一種典型方法。圖7所示為工霜建筑物的剖面及自然通風(fēng)示意圖。建筑物中間是一個貫通全樓上下的中庭，各層地板均作成中空的夾層，充作風(fēng)道。地板上設(shè)有帶或不帶風(fēng)機(jī)的出風(fēng)口。中間的屋頂上設(shè)有可進(jìn)行自然排風(fēng)的百葉。采用這種地板風(fēng)道和地板風(fēng)口可實現(xiàn)春秋季的自然對流通風(fēng)的“免費(fèi)供冷”、夏季夜間預(yù)冷及“個人空調(diào)”等多項功能。

    對于自然對流“免費(fèi)供冷”，由于比較直觀，這里不再說明。至于夏季夜間預(yù)冷，則是指當(dāng)夏季必須進(jìn)行機(jī)械供冷時，可利用夜間相對溫度較低的室外空氣進(jìn)行自然或機(jī)械通風(fēng)，以實現(xiàn)對室內(nèi)家具及建筑物本身的預(yù)冷卻，從而減少白天空調(diào)供冷負(fù)荷和能耗。根據(jù)日本有關(guān)實測資料表明，利用建筑物本身的蓄熱熱性能進(jìn)行夜間空氣供冷、預(yù)冷和蓄冷，具有十分明顯的節(jié)能效果。

    在需要進(jìn)行機(jī)械供冷、空調(diào)送風(fēng)時，利用地板風(fēng)口或靠地板夾層風(fēng)道內(nèi)的送風(fēng)口，或利用地板風(fēng)機(jī)式風(fēng)口送風(fēng)，由上部回風(fēng)。利用地板夾層風(fēng)道還可用短管連通側(cè)墻內(nèi)風(fēng)道，在需要的部位設(shè)置送風(fēng)口或帶風(fēng)機(jī)的風(fēng)口，形成“個人空調(diào)”。

    這種地板風(fēng)道送風(fēng)方式的好處主要有3方面：

    a.可適應(yīng)隔間分隔的自由、頻繁的變化。

    b.可適應(yīng)不同時間、班制工作人員靈活、自由的使用要求。

    c.由于采用下部送風(fēng)，進(jìn)風(fēng)溫度可提高。在“免費(fèi)供冷”工況下，全新風(fēng)空氣溫度可高達(dá)19.6℃，這比起一般送風(fēng)方式只查達(dá)到15.6℃要高4℃。這無疑大大延長了“新風(fēng)空氣經(jīng)濟(jì)節(jié)能空調(diào)運(yùn)行”的周期，增進(jìn)了節(jié)能的效益。及至盛廈，由于送風(fēng)溫度的提高，冷水機(jī)組的供水溫度可由7℃提高到9℃。機(jī)組的 COP值可相應(yīng)地由4.0提高到4.2.