“侨福芳草地”空调节能设计策略深化与实施

  • 来源:建筑创作
  • 关键字:生态环境,空调,技术拼贴
  • 发布时间:2015-03-27 09:19

  引言

  “侨福芳草地”的设计目标是一个可持续生态环境设计,其目的是能够为各种不同的商业活动提供适宜的环境,同时通过采用多种主动和被动设计策略以减小建筑整体能耗和运行费用,实现低能耗设计。

  与一些在初步设计或施工图阶段采用“技术拼贴”的绿色建筑不同,“侨福芳草地”项目早在其概念设计阶段即引入了可持续设计理念,一系列的设计策略提高了项目的可持续性,其中与空调能耗紧密相关的设计策略主要包括环保罩设计、冷辐射吊顶空调系统、地板送风系统、办公楼复合通风系统等。在IDA和ARUP的方案设计及初步设计基础上,BIAD在施工图阶段对上述空调系统节能设计策略进行了深化并最终实施。

  环保罩对内部建筑空调冷热负荷的影响

  环保罩是这个项目的主要特征,它是一个高度超过80m的结构,立面采用单层玻璃,屋顶采用ETFE半透明膜。侨福芳草地的四栋建筑被包裹在环保罩内,处于一个可控的微气候环境中。环保罩对其内部建筑的太阳辐射得热、对流及温差传热得热等均有显著影响。

  由于四栋建筑处于环保罩包裹的准室内环境中,常用的空调负荷计算软件无法准确计算环保罩内建筑物的围护结构冷热负荷。本项目采用建筑动态模拟分析软件,对环保罩内四栋建筑的围护结构冷热负荷进行了计算,并分析了环保罩对围护结构冷热负荷的影响。图1给出了有无环保罩两种工况下,夏季设计日各朝向围护结构冷负荷的计算结果。从图1可以看出,由于环保罩对太阳辐射的遮挡作用,夏季各朝向围护结构冷负荷均有所下降,东、西朝向下降尤其显著。图1还给出了四栋建筑面向中庭的内侧围护结构冷负荷。由于四栋建筑的内侧围护结构处在一个与外部气象条件相对隔离的微气候环境中,太阳辐射得热、对流及温差传热得热均显著减少,其围护结构冷负荷与无环保罩时的北侧朝向相当。

  同理可分析环保罩对四栋建筑冬季围护结构热负荷的影响,分析结果如图2所示。冬季环保罩的温室效应,显著提高了内部建筑围护结构四周的空气温度,减小了温差传热负荷,因此各朝向围护结构热负荷与无环保罩相比均有所下降。面向中庭的内侧围护结构热负荷下降尤其显著。

  环保罩中庭热环境分析及空调系统设计

  为了提高环保罩对室内微气候环境的调节作用,环保罩底部、中部及顶部均设置了可开启的自然通风口。在不同季节,通过控制上述自然通风口的开启和关闭,可以达到调节室内热环境的目的。

  北京春秋季节室外温度适宜,通过开启环保罩底部自然进风口及上部自然排风口,利用热压作用实现自然通风,可以改善中庭、购物层开放式走道及空中花园的热舒适性,同时可减少办公楼层的空调运行时间。当室外温度为20摄氏度时,在没有空调制冷的情况下,环保罩内中庭底部、中部及顶部温度分别约为21摄氏度,23摄氏度及25摄氏度。

  夏季强烈的太阳辐射和较高的室外温度导致环保罩内部空间的热舒适性变差,为了减少内部空间的热量聚集,环保罩中部及顶部所有自然通风口全部打开,排除内部热空气。当室外温度为35摄氏度时,环保罩内中庭底部、中部及顶部温度分别约为37摄氏度,38摄氏度及41摄氏度。对于环保罩内的四栋建筑而言,环保罩与内部建筑幕墙构成了双幕墙结构,在夏季可以减小内部建筑的太阳辐射得热,降低内部房间的空调冷负荷。

  冬季室外温度较低时,环保罩上部及底部自然通风口全部关闭,此时环保罩成为一个温室,显著提高了内部建筑围护结构四周的空气温度,减小了内部房间的供暖负荷。当室外温度为-10摄氏度时,环保罩内中庭底部及顶部温度分别约为0摄氏度及7摄氏度。

  为了保证冬夏季节环保罩内中庭的基本热舒适性,中庭下沉二层设置了12台立柱式风机盘管提供冷热空调。单台风机盘管供冷量40千瓦,供热量12.5~50千瓦,单位面积供冷量:70瓦/平方米,单位面积供热量:21.7~87瓦/平方米。夏季可维持室内温度26~30摄氏度,冬季可维持室内温度10~15摄氏度。

  办公室空中花园利用办公室余气(新风量减去室内维持微正压所需渗漏量后剩余的风量),在夏季起到改善花园环境的作用。余气风机安装在架空地板下,单个风机送风量150立方米/小时,夏季可以将办公室内温度较低的空气送入空中花园,局部改善空中花园的热环境。

  办公楼顶层空中花园,由于临近屋顶ETFE膜,夏季太阳辐射较强时,容易出现局部温度过高的情形。我们在顶层空中花园局部位置设置了电动水雾风机,通过风机将雾化后的水汽吹出,利用蒸发冷却作用,降低环境温度,改善热舒适性。

  办公楼冷辐射吊顶及地板送风系统

  “侨福芳草地”项目办公面积约82000平方米,所有办公室均采用了地板送风空调系统和冷辐射吊顶系统。由于办公室进深为12米,为了避免过渡季、冬季办公室内区过热,我们对办公室空调区域进行了内外分区,距离外墙5m范围内为外区,其它区域为内区。地板送风空调系统和冷辐射吊顶系统均按内外区分别设置。

  地板送风空调系统的空气处理机组通过架空地板下的静压箱把空调风送至地板变风量末端(内置风机),再由地板送风机送出冷、热风。办公室内区为无盘管地板送风机(带回风口),单个送风量450立方米/小时,外区设置带热水盘管的地板送风机(无回风口),单个供热量:1.78千瓦。夏季空气处理机组送风温度为16摄氏度,内区地板送风机将空调送风与室内回风混合后送出,送风温度为16摄氏度~20摄氏度,外区地板送风机送风温度与机组送风温度相同。冬季空气处理机组送风温度为20摄氏度,内区地板送风机送风温度与机组送风温度相同,外区带加热盘管地板送风机送风温度为31.8摄氏度。

  办公室冷辐射吊顶供冷量按68千瓦/平方米设计,并按内外区分别设置,过渡季和冬季,可单独开启内区冷辐射吊顶系统,防止内区过热。其中,外区冷辐射吊顶面积占外区吊顶面积比为45%,内区冷辐射吊顶面积比为60%。冷辐射吊顶供冷量约为房间冷负荷的40~50%,剩余冷负荷由地板送风系统承担。内外区冷辐射吊顶系统分别设置动态平衡电动两通阀,并与幕墙通风窗联锁,办公室通风窗开启时,冷水电动两通阀立刻关闭,防止冷辐射吊顶出现结露现象。

  办公楼复合通风系统

  “侨福芳草地”的四栋办公楼除了设置地板送风+冷辐射吊顶系统外,还结合环保罩自然通风设计配置了复合通风系统。办公楼复合通风系统包括三个独立运行模式:自然通风、机械通风、空调送风。

  1)自然通风:过渡季节,当室外空气品质良好并且温度适宜情况下(15~22摄氏度),楼宇自控设定为自然通风模式。室外空气在热压及风压作用下,从环保罩底部自然通风口进入环保罩内部,经过办公楼外窗进入办公室,通过办公室与走道隔墙上部百叶进入走道,最后经过核心筒内的自然排风竖井排出室外。

  2)机械通风:过渡季节,当室外空气品质较差或者自然通风量无法满足室内舒适度要求时,楼宇自控设定为机械通风模式。环保罩顶部自然通风口开启,室外空气从环保罩顶部自然通风口进入罩内,经过位于核心筒的自然通风竖井引入空调机房,再经空气处理机组过滤后送入办公室,排风经办公室与走道隔墙上部百叶进入走道,最后经走道两端自然排风井排至室外。

  3)空调送风:当自然通风和机械通风均无法满足室内舒适度要求时,楼宇自控设定为空调送风模式。按空调送风模式运行时,办公室外窗关闭,空调送风系统根据室外空气焓值,变新风比运行,室外新风与室内回风混合,经制冷或制热处理后送入办公室。

  经统计分析,北京地区4~10月,室外温度范围在15~22摄氏度的时间超过30%,适合采用自然通风或机械通风。“侨福芳草地”办公楼复合通风系统,可以大大减少办公楼过渡季、夏季空调系统供冷运行时间,降低空调系统运行能耗。

  结论

  “侨福芳草地”项目由于环保罩设计理念的引入,建筑设计整体复杂性提高,建筑外形、围护结构、内部空间等都对暖通专业设计提出了更高的要求和挑战。从方案形成到初步设计深化,再到最后施工图落实,侨福芳草地项目各阶段设计人员不拘泥于传统空调设计理念,勇于尝试各种新的设计方法、设计策略,如冷辐射吊顶系统、办公室复合通风系统等,最终通过高完成度设计促使多项空调节能设计策略得以实现。

  许嘉 译

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