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1、超高层建筑空调设计,2022/11/15,1,VAV系统在超高层建筑上的应用超高层建筑冷热源的选择,2022/11/15,2,香港的中环广场,香港中银大厦,上海环球金融中心,VAV系统在综合节能上优于其他系统，全年可节能20。在价格方面由于近期VAV系统的价格下调，已经可以与风机盘管加新风系统竞争。北京名人广场、香港中环广场、香港中银大厦、上海环球金融中心（95层460m）都是采用VAV系统。,2022/11/15,3,超高层建筑一般以办公写字楼为主，其次也常作为公寓、客房、观光等用途。 - 室内的负荷主要来自人体、灯光等 - 室外冷负荷主要是太阳辐射热 - 室外太阳辐射热有时往往比人体、灯光
2、热大出23倍 - 室内冷负荷是固定的，室外的太阳辐射热是不断变化VAV系统随着负荷变化而送风量也不断变化。在负荷变化的情况下，用调节风量的办法来保证空调房间温、湿度的要求不但可行，而且还能节约不少运行费。,2022/11/15,4,空调房间的送风量和余热量、余湿量的关系：,2022/11/15,5,在Q与D发生变化的情况下，要想保持室内参数tn和dn。,在送风量不变的情况下，调节送风参数ts、ds，称为质调节。在送风参数ts、ds不变的情况下，调节送风量，称之为量调节。,- 维持允许的送风温差不变，靠减少风量的措施来适应负荷的变化，这在有变风量的风机情况下，就能节省运行电费，而且在负荷减少时，
3、也不会浪费再热量。,- 由于不能充分地利用允许的送风温差，不论多大负荷均送同样大小的风量，结果造成了再热器的加热量(因而也有制冷量)和电能上的浪费,2022/11/15,6,由于冷水出水温度受到制冷机和水水热交换限制，不能任意调节，因而送风温差基本上是固定的，依靠质调节是困难的，只能依靠水路系统量调节和风路系统量调节。水路系统的量调节也有局限性，总水量在制冷机中蒸发器水量一般保持不变，节省水泵电量收效较少只有风路系统量调节VAV系统才能既节省风机耗电，又节约制冷冷量。,2022/11/15,7,当南向或东向太阳辐射热加大时，北向和西向负荷均处在低值（一般办公建筑均以太阳热为主），反之亦然。此时
4、，VAV系统南向或东向AHU开至最大值，北向或西向AHU开至最小值，使每一层维持在较佳工况下运行。VAV系统呈线性调节，比风机盘管系统更节能。,4.1 VAV在超高层建筑上的优点,（1）超高层主要冷负荷来自太阳辐射热，标准层南北方向 或东西方向，一般设计南北或东西各为一台空调机组 (AHU)。,2022/11/15,8,如香港中环广场每个标准层仅设一台70 RT 的AHU，风量L50000m3/h。大楼呈三角形状，太阳辐射热负荷用VAV末端装置来调节。当上午东南向VAV末端装置开到最大值时，其北向与西南向均处在最小值。一台l 4m3/s风机，大部分时间处在10m3/s运行，既节约AHU冷量，又
5、节省风机功率。,（2）当标准层仅设一台AHU时，负荷计算仅选上午9点 与下午l 6点两个值来选择AHU容量。,2022/11/15,9,2022/11/15,10,（3）VAV空调系统同其他全空气系统一样，在室 外气温较低时(如过渡季)，可以停用制冷 机，利用新风自然冷源。,例如北京名人广场，每层两台L15000m3/h空调机并配备两台7000 m3/h风量排风机。两者是连续的变频调节风机，当过渡季节冷源停用时，随室外气温变化，调节新风量维持室内2225，以此解决过渡季节空调问题。,北京名人广场冷水机组吊装,2022/11/15,11,北京名人广场使用VAV系统，一次投资与风机盘管加新风系统差
6、不多。,（4）VAV系统价格下调，为VAV系统应用提供了可能性。,2022/11/15,12,（5）VAV系统与螺杆式制冷机配合,当全年大部分时间处在非设计工况下运行时，螺杆机在低负荷运行时总能耗指标比其他机组要低。采用VAV系统不仅节约了整个系统冷量，而且也节约了制冷机与风机的电量，达到整个系统最佳运行工况。,当冬季使用空调风量变小时、层高超过4m时，热气流会有上浮的可能。在超高层建筑上有裙房地方，风口不能设置太高。冬季当室内人员增加，照明、设备发热也增加，热负荷变少时，风量亦变少，但此时由于人员增加却需要加大风量，与要求正相反、风量反而减少。所以有外区地方不宜采用VAV系统。,（6）VAV
7、系统用在超高层建筑可能会产生下述现象：,2022/11/15,13,（7）VAV系统进入室内末端装置由软管连接,吊顶上没有冷热水管出现更不存在像风机盘管必须进行试压没有凝结水和空气排除问题因此顶棚上绝无产生滴水之虑有利于使用，便于用户搬迁后进行室内重新装修,这种系统深受像办公、银行的业主们的欢迎！,2022/11/15,14,传统的机械控制末端装置已被淘汰，取代的是气流自身控制方法这种方法利用气流自身控制比以往采用压力控制较为先进，至少末端压力损失不会那么大现以PRICE公司SEV8001产品为例说明,4.2 VAV末端装置的控制,2022/11/15,15,气流控制的敏感元件是塑料制的十字毕
8、托管，内径为4mm管上开1.0mm细孔。原理：气流通过细孔，测定其两端的微压差（即压差传感器，迎气流端细孔测全压，背气流端细孔测静压），来控制调节器，由调节器控制电机调节风门开度。,2022/11/15,16,气流通过调节器PTA224V来控制风门位置，直到与室温传感器PTA228RL实际输入信号相一致时为止。从室温传感器PTA228RL来的信号要求气流维持室温在室温传感器所要求的温度位置上。,2022/11/15,17,气流控制线和温度控制线两者工作在串级类型和按PI比例直线叠加一起来控制特性。这样消除任何温度单独控制的影响。在消除温度因素外，最小和最大气流界限是可以调节的，必要时对进入顶棚
9、空间或室内通道上风量进行调整。调整的目的是找出来自屋顶面覆盖内部温度的影响，以防止未经许可的气流影响整个调节。,2022/11/15,18,界限线是预先提供温度设定值范围，无需打开温度传感器的盖子可以进行调节。温度设定值可以用遥控外部信号来设置。外部信号超过最大或最小，或全开全关也是可能的。,用PTA228RL温度传感器来调节温度设定点，供冷设定点温度值等于温度值或温度值加上超过SPC部分的任何值之和。,2022/11/15,19,由于加热负荷下降，当室内温度达到供冷设定值，室温传感器使用PI控制作用，将控制气流维持到室温达到供冷控制线上。当气流已达到它的最小界限时，如果热负荷继续下降，室温也
10、就继续下降。室内最小和最大气流界限，通常与最小和最大热负荷相一致，选择室温PTA228RL传感器按PI控制作用，预期能维持室温正好在供冷设定值上。,如果加热负荷比最高气流的负荷高些，气流将维持最大气流，且室温将升高至供冷设定值。,2022/11/15,20,1992年落成的亚洲最高的香港中环广场办公大厦（78层，368m）1989年建成的香港中银大厦(73层，高315m)1991年竣工的40万m2香港太古城广场上部港岛香格里拉和万豪酒店I991年建成的香港渣打银行总行,4.3 近期香港使用VAV系统的主要工程,2022/11/15,21,运行费用低 - 香港没有能源，节能显得更重要，并得到法律
11、保障。一次投资接近定风量风机盘管系统 - 由于大量采用VAV系统，使得VAV末端装置和变风量空调器生产成本降低。并且多采用传统的气动控制方法，比采用直接数字式（DDC）的系统要便宜。因而使一次投资接近定风量风机盘管系统。,香港地区工程中采用VAV系统的原因：,2022/11/15,22,最主要原因是这种系统适合香港建筑行情。 - 香港任何工程均有后期装饰装修设计问题。 - 建筑设计时只得计算出末端装置数量，而其位置由装修人员按房间面积安排，末端装置软管接头是可以移动的（而风机盘管就比较麻烦，涉及水管问题）。 - 这对于装修房间任意分隔及搬家频繁而每迁一次室内得重新装修的香港来说，只需移动VAV
12、软接头就可以了。顶棚上绝无产生滴水之虑 - VAV系统风管与室内末端装置由软管连接，吊顶上不设冷热水管，不存在试压、凝水排除问题，因此顶棚上绝无产生滴水之虑。因而这种系统深受办公楼、银行等业主欢迎。,2022/11/15,23,6. 超高层建筑冷热源的选择,冷源 板式换热器 热、电、冷三联供,2022/11/15,24,螺杆式制冷机组离心式制冷机组吸收式制冷机组,6.1 冷源,（1）水冷式制冷机,2022/11/15,25,制冷剂：HCFC-22、HFC-134a单机制冷量：3507000kW空调工况COP：4.15.4最低供冷温度：-7-12,1）螺杆式制冷机组,螺杆式冷水机组：满液式蒸发器
13、和干式蒸发器。满液式蒸发器：管内走的是水，制冷剂在管簇外面蒸发，传热面基本上都与液体制冷剂接触。特点： - 制冷系统蒸发温度低于0时，管内水易冻结，破坏蒸发器。 - 制冷刑充灌量大。 - 受制冷剂柱高度影响，简体底部的蒸发温度偏高，会减少传热温差。 - 结构紧凑，操作管理方便，传热系数较高。,2022/11/15,26,非满掖式蒸发器：制冷剂在管内流动，水在管簇外流动，有几个流程。由于制冷剂液体的逐渐气化，通程趋向上，其流程管数越多。为了增加水侧换热，在筒体传热管的外侧设有若干个折流板，使水多次横掠管簇流动。优点： - T0在0附近时，水不会冻结。缺点： - 水侧存在泄漏问题，由于折流板外缘与
14、壳体间一般有13mm间隙，与传热管之间有2mm左右的间隙，因而会引起水的泄漏。由于泄漏引起水侧换热系数降低2030，总的传热系数降低515。,2022/11/15,27,对于超高层建筑，为了满足承压要求，制冷机需要管内走水的满液式蒸发器，但其蒸发器温度低于0时，管内水易结冻。 而干式壳管式蒸发器，其优点是蒸发温度在0附近不会结冻，但其承压能力比之满液式蒸发器要差。,2022/11/15,28,制冷剂：HCFC-123（低压） HCFC-22（中压） HFC-134a（中压）单机制冷量：3508500kW空调工况COP：5.05.9最低供冷温度：单级为0，三级压缩低压及中压为-6,2）离心式制冷
15、机组,2022/11/15,29,优点： - 转速高 - 单机制冷容量大 - 重量轻、体积小 - 易损件少、运转乎稳、振动小 - 通常可在30%100%负荷范围内无级调节，易 于实现自动化操作,近年来在国内外集中式空调工程中，离心式制冷机组的应用约占总制冷量的60。,2022/11/15,30,制冷剂：H2O/LiBr双效单机制冷量：2307000kW空调工况COP：为1.01.3最低供冷温度：6,3）吸收式制冷机,2022/11/15,31,综上所述:,活塞式和涡旋式：由于单机制冷量较小，不宜在超高层空调上应用。吸收式直燃机：由于最低供冷温度仅为6，对于采用板换梯级供热供冷系统要提供温度低于
16、6冷水，这种制冷机，超高层建筑也是不宜采用，但对于低层裙房空调仍可使用。超高层建筑只有螺杆式制冷机组和离心式压缩制冷机组可供使用（容量大，供水温度4左右，其他制冷机均达不到此目的）。 目前市场上螺杆式承压达2.45MPa，离心机加强型2.1MPa。,2022/11/15,32,对于上海金茂大厦(420.5m)工程，制冷机供水温度为5.5，选用4台Carrier离心式冷水机组，19EX-4343.23台，单台制冷量为4220kW，19EXE-5052.21台，单台制冷量为1406kW。 低区板式换热器ALFA-LAVALM30-FD，1台制冷量3017kW，冷水侧工作压力2.2MPa，冷却水侧工
17、作只力为1.05MPa。上海环球金融中心（460 m），制冷机供水温度要求4，选用蒸汽热源吸收式制冷机1150RT3台（用于低层裙房），电动离心式制冷机1450RTx 3合（用于高层部分）。,2022/11/15,33,水冷制冷机以湿球温度为基准，对于湿球温度变化不大，而且较低的地区较为适用。风冷制冷机以干球温度为基准，对于在一天之内干球温度变化大的地区，使用较为有利。当干球温度稍降时，制冷效果会更好。,（2）风冷制冷机,2022/11/15,34,深圳、香港地区，每天湿球温度均在27左右，波动较小，而每天的干球温度变化较大，二者相差45倍。风冷制冷机只要干球温度降低就有利，而水冷制冷机必须湿
18、球温度降低才有利，因此深圳、香港地区适用风冷机。香港地区由于水资源的缺乏，政府规定大楼空调不应采用淡水冷却塔，因此许多大楼屋顶上设置了风冷制冷机。对于缺水的沙漠地区，像中东国家和美国Las Vegas（拉斯维加斯 ）则全部采用风冷制冷机。尽管室外温度达到15以上，制冷机仍能正常供冷。,1）深圳、香港地区适用风冷机,2022/11/15,35,2）中水处理问题引起对风冷制冷机的需求,为了节省用水，采用收集盥洗、休浴等部分的水，经过处理后再重复利用，称之为中水处理。 水作为一种资源要得到合理、充分使用，因此各地区均做出中水处理规定。但是在空调工程上，冷却塔所消耗的水却占有很大的比例。,2022/1
19、1/15,36,以深圳经协大厦为例：空调补水G3640RT1612L/RT700t/h，中水处理得到了441t/h，而空调冷却塔要消耗700t/h。得到的中水量比较小，仅占空调冷却水量的一半。由于水质的问题，中水还不能作为冷却塔补给水。中水处理投资大，占地大，并带来二次污染的问题，处理过程中还需耗电。,许多人建议，与其进行中水处理，不如将空调水冷机组改为风冷机组，使整个设计更为合理些。,2022/11/15,37,用海水冷却也非常节能。,3）海水冷却,在香港的中环太古广场（约40万m2），就设置一套变水量海水冷却系统，提供给不同位置的水冷制冷机组使用。冷却水系统的管材和部件均采用铬合金材料，以
20、防止海水的腐蚀。同时在海水吸入口处设置一套氯气发生器，专门为吸入口海水中加入氯气，其目的是在于使海水可畅通流入，防止海藻和贝类在入口处生长而堵塞管道和部件。总之利用海水冷却，一次性投资也是昂贵的。,海水温度终年保持在20左右，冷却效果好。但是只有靠近海边的楼宇才能利用，距离远了造价就会成倍增加。,2022/11/15,38,超高层建筑空调设计，最为棘手的问题应是冷却塔。对于一幢30万m2建筑，制冷量约为2400万kW，冷凝负荷2880万kW，排除这么大的冷凝热，需要10台288万kW的冷却塔。每台水量要570m3/h，占用2000m2露天面积。对于尖顶建筑，上部没有地方摆放。如果裙房建筑位置不
21、够那更成问题，由于冷却塔外形不能与建筑协调，景观不美.冷却塔噪声、飘水均是人们投诉对象，有的城市冷却塔、烟囱一样列入城市环境的公害，大大地影响城市环境的美观。,（3）冷却塔,2022/11/15,39,1）引射式冷却塔,随着社会和经济的发展，节约水资源和环境保护的呼声日益强烈。传统冷却塔逐渐暴露出一系列诸如失水量大、噪声污染和水滴飞溅等问题。,2022/11/15,40,借助冷却水泵的压力，用特制的喷嘴将循环冷却水喷出，使其形成水雾，高速水雾带动周围空气，将空气导入塔内，水雾与空气在运动过程发生动能转换，同时进行热交换。混合后的水雾和空气进入扩散器后进一步增压，到达塔体顶部时，经高效挡水器进行
22、气水分离，热气排出塔外，冷却水落至填料区，与进入塔内的空气进行二次热交换。, 引射式冷却塔的工作原理,2022/11/15,41,性能与特点,热力性能良好 省水、飞溅少 超低噪声、无振动 维护简单、费用低廉 结构模组化 外形美观,2022/11/15,42,6.2 板式换热器,无论是冷水或是热水，为了提升至100m以上建筑供冷、供暖，均需要采用板式换热器进行梯级换热。 特别对于超高层建筑有二次梯级换热，要求冷水温度要低至4，大温差（T9）、板与板换热温差又小，如4/13，6/15，8/17，仅2。 要求换热器换热效率高，设备承压能力大，甚至达到3.0MPa。,4/13,6/15,8/17,20
23、22/11/15,43,板式水-水换热器的设计选型：已知板式换热器的热工特性和水力特性先选板型，并拟定板间流速计算设计条件下，热流体和冷流体的表面换热系数h和c以及传热系数K通过试算得到所需的板片数、流程组合及阻力损失,2022/11/15,44,6.3 热、电、冷三联供,当超高层建筑面积达30万40万m2时，冷、热、电负荷可以达到一个小城镇容量，为了能源综合有效利用，提高能源利用效率与环境保护的需要，应采取热、电、冷三联供方式。,通过热网将集中热源厂生产的热水、蒸汽、冷水等热能供给各种类型的建筑物。热源一般是热电机组或吸收式制冷机，也有同时使用两种类型的情况。,（1）热、电、冷三联供方式,2
24、022/11/15,45,节省能源，减少CO2的排放量 大型发电厂的发电效率为35%55，扣除厂用电和线路损失之后，冷热电联供终端利用效率可达到90%，而且没有输电损耗。美国能源部在一份冷热电联供的报告中说，如果按照他们的计划实施冷热电联供技术，到2020年可使CO2的排放量减少1930。提高热电厂的设备利用率及经济效益 目前我国热电厂大都热负荷偏低，全年热负荷极不均衡，冬季热负荷高，夏季热负荷低，夏季热电厂的利用率极低。若发展夏季以热制冷，就可以提高热电厂的设备利用率及热电厂的经济效益。,热、电、冷联供的优越性：,2022/11/15,46,产生节电和增电效益，缓和夏季电力供需矛盾用溴化锂替
25、代氟里昂，有利于环境保护。,我国东部地区由于受降温负荷的影响，夏季电力负荷已大大高于冬季，夏季负荷中有些大城市的空调负荷几乎占总用电负荷的1/4。因此降低空调负荷对于缓解夏季电力供需矛盾具有十分重要的意义。利用已建热电厂发展热电冷三联供，一方面替代电力空调，节约大量电力；另一方面增加热电厂的热负荷，同时增加热电厂的发电量，提高热电厂的发电效率，降低煤耗，增加发电厂的负荷率和发电设备利用小时数，从而提高电力系统的经济效益。,2022/11/15,47,（2）燃气蒸汽联合循环,将具有较高平均吸热温度的燃气轮机循环（布雷顿循环）与具有较低平均放热温度的蒸汽轮机循环（朗肯循环）结合起来，使燃气轮机的废
26、热成为汽轮机循环的加热热源，达到扬长避短，相互弥补的目的，使整个联合循环的热能利用水平提高，其发电效率高达4558。 具有高效低耗、启动快、可用率高、投资省、建设期短、环境污染少、省水及占地少等优点。 目前就世界范围而言，燃机发电在世界上已进入高度发展时代，技术日趋完善。单机功率250300MW已投入商业运行。,2022/11/15,48,首先，燃料在燃气轮机内燃烧，产生热膨胀功推动动力透平涡轮叶片驱动发电机发电，高温乏（烟）气经余热锅炉，生产出中温中压以上参数的蒸汽，蒸汽推动蒸汽轮机驱动发电机发电，并将作功后的乏汽用于供热。特点：发电比率高，有效能量转换率高，烟气余热的转换率高，经济效益好。
27、,主要有四种工艺方式：,1）燃气轮机-蒸汽轮机联合循环热电联产,2022/11/15,49,1.燃气轮机 2.发电机 3.离合器 4.蒸汽轮机 5.蒸汽凝结器 6.余热锅炉 7.空气过滤器 8.转子冷却器 9.烟囱 10.燃气轮机辅助设施 11.控制系统柜 12.发电机母线,13.发电机断路模块 14.冷凝水管 15.控制氮氧化物注水系统 16.燃油系统 17.燃气系统 18.主变压器 19.辅助变压器 20.蒸汽轮机润滑油箱 21.冷凝水泵 22.补充给水柜 23.电器系统控制模块,2022/11/15,50,燃料在燃气轮机内燃烧，产生热膨胀功推动动力透平涡轮叶片驱动发电机发电，高温乏（烟）
28、气经余热锅炉，生产蒸汽，直接用于供热，称为“前置循环”。特点：由于燃气轮机实现了对天然气的预热，燃烧更充分，效率大大高于燃气锅炉，热效率高，发电比率低，烟气余热的利用率明显降低，经济效益比前一方式差。,2）燃气轮机-余热锅炉直供热电联产,2022/11/15,51,3）煤气-燃气轮机-蒸汽轮机整体联合循环热电联产,将原煤在煤气发生装置中转换为高温煤气烟气，并在煤气烟气降温时转换一部分蒸汽，将净化、脱硫的煤气供给燃气轮机发电，再将燃气轮机烟气通过余热锅炉转换为高品位蒸汽与煤气发生器的蒸汽共同推动蒸汽轮机发电、供热。,2022/11/15,52,4）燃气轮机辅助循环热电联产,将较小的燃气轮机加入到
29、传统的燃煤或燃油后置循环热电联产系统中，将燃气轮机的动力用于驱动给水泵或发电，将高温烟气注入余热锅炉用于改善燃烧，提高锅炉效率，稳定低功况条件下的系统运行状况。,微型燃气轮机发电机组,2022/11/15,53,发电效率高：联合循环效率已达60，燃煤火电厂最高效率约为42。节约用水：用水一般为燃煤火电厂的1/3。燃烧1m3天然气理论可回收约1.53kg水，1kg的LPG（液化天然气 ）理论可回收2.2kg水。占地省：占地仅为燃煤火电厂的1030。造价低：国际上单位千瓦造价约为300500美元，大型燃煤电厂加装脱硫设施的造价9001000美元。建设期短：建设周期为810个月，发电的建设周期为16
30、20个月，而燃煤火电厂则需2426个月。设备灵活：设备调节灵活性，优于煤电和核电。环境代价低：没有燃煤火电厂的多元污染，特别是氮氧化物单位排放置远低于燃煤和燃气锅炉。,燃气轮机-蒸汽轮机联合循环的特点：,2022/11/15,54,CCHP系统：以燃气为能源在建筑物内就地进行热、电、冷合产的供能系统。CCHP技术包括以下领域：,（3）CCHP热、电、冷三联供技术,燃气祸轮机微型涡轮机内燃发动机燃料电池吸收式制冷机及热泵干燥及能源回收系统引擎及电动驱动系统热能的储存、传输控制及系统集成技术。,2022/11/15,55,这种系统不仅有较高的能量利用效率，而在使用上有很大的灵活性，能够因地制宜，对动力和热量有效地组合应用。 能源综合效率在80以上，采用热泵时可超过100。 除此之外，在建筑上推广该系统后，还将明显地减少CO2的排放量，为用户提供可靠、健康、安全、高效和好适的环境。,
