【HVAC】中国石油科技创新基地石油工程技术研发中心暖通空调系统设计
中国石油科技创新基地（以下简称中石油）建设项目位于北京市昌平新城沙河组团西北部地区的中关村国家工程技术创新基地（以下简称创新基地）北部的10个地块内。
石油工程技术研发中心为其中A-12地块工程（见图1）。A-12地块包括科研办公楼及一般实验楼(标准实验室)，共有A，B1，B2，C，D1，D2六栋单体，总建筑面积为20.4万m2，地上11层、地下1层，建筑高度为45.0 m。该工程分一、二期建设，二期（D1，D2）因甲方计划安排，暂未设计和建设。一期（A，B1，B2，C）建筑面积为14.3万m2，地下1层为汽车库和设备用房，汽车库战时部分为五级二等人员掩蔽室，部分为六级物资库和六级汽车库；设备用房包括制冷站、变配电室、水泵房等。地上主要为科研、办公及实验室。二期工程建筑面积为6.1万m2，房间功能与一期相同。主要房间室内设计计算参数见表1。
图1 石油工程技术研发中心鸟瞰图
表1 主要房间室内设计计算参数
2 冷热负荷和冷热源
2.1 冷热负荷（见表2）
表2 A-12地块空调冷热负荷
2.2 冷源
该工程为创新基地园区10个地块之一，平均每个地块的建筑面积约15万m2，在总体前期方案阶段冷热源的设置按集中式、分散式、分布式冷热电联产这3种方式进行分析比较。考虑到创新基地规模较大，但功能单一、建筑密度不大、负荷密度相对较小、地块分期建设等多种因素，不适合采用集中式区域供冷供热及集中式冷热电联产方式，更适合各地块冷热源独立设置的方式，并结合各地块特点灵活采用复合式能源系统。其中该工程的冷热源方式通过初投资和运行费用等分析论证，采用了电制冷冷水机组结合冰蓄冷系统制冷和采用燃气锅炉供热方式，并在一期工程中总体设计冷源为一、二期服务，其中服务于二期的制冷机、水泵、屋顶冷却塔等相关设备均按预留考虑。
该工程空调冷负荷见表2，按研发中心空调使用时间为07：00—19：00进行计算，设计峰值负荷为18 407 kW（16：00），设计日空调总冷负荷为193 533 kW·h，设计日连续空调总冷负荷为27 010 kW·h，设计日总蓄冰冷负荷为166 523 kW·h。设计日逐时空调冷负荷及典型设计日昼夜负荷平衡示意图见图2和图3。
图2 设计日逐时空调冷负荷
图3 典型设计日昼夜负荷平衡示意图
空调冷源采用部分负荷蓄冰系统，制冷主机与蓄冰设备为串联方式，双工况主机位于蓄冰装置的上游。考虑到连续空调负荷的比例，并兼顾低负荷时的调节要求及夜间加班时需要空调供冷，设置1台基载主机，直接提供5 ℃/12 ℃空调冷水。
设置1台制冷量为1 125 kW（320 rt）的基载主机，冷水供回水温度为5 ℃/12 ℃，冷却水供回水温度为32 ℃/37 ℃。设置3台双工况主机，其中1台服务于二期，每台主机空调工况下制冷量为3 517 kW（1 000 rt），冷冻液进出口温度为5 ℃/10 ℃，冷却水供回水温度为32 ℃/37 ℃；每台主机蓄冰工况下制冷量为2 462 kW（700 rt），冷冻液进出口温度为-5.6 ℃/-2.12 ℃，冷却水供回水温度为30 ℃/33.6 ℃。冷水采用大温差供水，供回水温度为5 ℃/12 ℃，蓄冰槽出口冷冻液温度为3.3 ℃。
一、二期总蓄冰量为59 086 kW·h（16 800 rt·h），其中二期蓄冰量为19 695kW·h（5 600 rt·h）。蓄冰设备采用内融冰钢盘管，安装在制冷机房内的混凝土蓄冰槽中，其中二期预留蓄冰槽空间。
冷水机组与冷冻液泵、冷却水泵，换热器与融冰冷水泵一对一匹配设置，所有水泵备用1台。冷却塔设在B1楼屋顶上。冷冻液系统与冷水系统均采用隔膜式定压罐定压方式。
冷水补水设置化学软化处理，冷水系统设置多相全程水处理器和真空脱气机；冷却水系统设置物化全程水处理器，通过全自动化学加药和全程水处理综合作用防垢、防腐、杀菌灭藻、水质过滤。
冬季冷却塔直接制冷系统。对于位于空调内区的房间风机盘管，当室外温度低于5℃时，冷却水直接经过板式换热器制备空调所需要的冷水，以减少冬季冷水机组的运行电耗。该系统的供回水温度为8 ℃/15 ℃，冷却水供回水管道暴露在室外的部分及其冷却塔的集水盘应采用冬季电伴热防冻措施，并配备温度自动控制装置。
该工程除正常使用空调供暖系统外，另设一套独立的冷却水系统为计算网络机房及其他设备进行24 h散热。独立冷却水总量为500m3/h。
地下变配电室、消防监控中心、地上含机柜的弱电间采用多联空调系统；电梯机房均设分体空调。
2.3 热源
根据中石油科技创新基地技术论证确定的方案，设置集中锅炉房为该地块和其他2个地块服务，锅炉房设置在A-12地块的东南角，为独立的地下锅炉房，承担上述3个地块的冬季空调、供暖用热。
为减少水泵输送能耗，采用高温热水锅炉，锅炉供回水温度为110 ℃/70 ℃，通过外网输送至各地块的换热站，通过换热站换热后，供给各地块空调、供暖用热水。
A-12地块一期的换热站设置在集中锅炉房内，二期的换热站设置在二期区域，预留一次水给二期。根据该工程实际情况，换热站提供60 ℃/50 ℃的空调热水可满足该工程冬季供暖需求，不设置额外供暖系统，空调热负荷见表2。一期二次水系统设有3台板式换热器，换热器与空调热水泵对应设置。空调热水系统设置隔膜式定压罐定压方式，补水设置化学软化处理。
3 空调水系统
采用分区两管制空调水系统，管道采用异程式系统，接各空调机组的水管路上设动态平衡电动调节阀，风机盘管水系统分支路设有静态平衡阀，以利于系统的水力平衡。
1层网络机房采用（水冷直接膨胀式/冷水）双冷源式机房专用空调机组，提高机组的安全性、最大限度地降低压缩机运行时间。有恒温恒湿要求的实验室，采用水冷直接膨胀式专用恒温恒湿机组。
每栋楼的首层入口处设有地板辐射供暖系统，作为冬季空调的辅助供暖，供回水温度为60 ℃/50 ℃。
4 空调风系统
4.1 办公室、会议室等舒适性空调
办公室、会议室等以舒适性空调为主的房间全部采用风机盘管加新风系统，每层根据防火分区分别设置新风机房，新风机组除实验室区域外，全部设有能量全热回收装置。办公室空调分内、外区设计。新风和排风分别通过竖井接至室外。新风经过粗/中效过滤段、换热段、冷/热盘管、加湿段和消声段后，送至办公区域，在新风机房外吊顶附近设置回风口统一回风。
新风机组采用高压微雾加湿，各层空调机组内设高压微雾加湿段，1层每个新风机房内设有高压微雾加湿主机及配套的全自动软水器。加湿主机采用柱塞泵将净化处理过的水加压到7 MPa，再通过高压水管传送到喷嘴，经过雾化后以3~15 μm的微雾喷射进行加湿。在各层空调机组的回风总管上安装湿度传感器，根据回风的相对湿度调节加湿量，以保证室内相对湿度在设计范围内。
4.2 网络机房空调
C楼网络机房采用机房专用风冷直接膨胀式空调机组，采用地板下送风、上回风方式。B2楼的网络机房采用机房专用双冷源空调机组，采用地板下送风、上回风方式。
4.3 实验室空调通风
A楼裙房主要为设有通风柜（含万向排风罩）的实验室区域，实验室均设置各自独立的排风系统，采用风机盘管夏季供冷、冬季供热，房间排风时需要冷（热）处理过的新风补偿并保证一定负压，在前期方案阶段考虑每个房间单独设置小风量补风空调机组和对应的排风系统联动，经过分析论证，采用独立补风机组虽然具有控制灵活等优点，但从设备造价、占用空间、设备和管线维修、噪声控制、统一管理等因素考虑，采用集中补风形式的优势更为明显。因此在每层设置集中新风机组，用于各实验室人员新风和通风柜排风补偿，新风机组不设排风热回收装置，采用高压微雾加湿，过滤包括粗效过滤和中效过滤，中效过滤采用静电除尘。根据实验室和相邻走廊的压差，送风管上的变风量调节阀进行送风量调节，使实验室保证微负压，同时根据风道内的静压值来控制送风机的转速，满足实验室的送风要求。通过回访调研，该部分实验室的空调通风系统实际运行良好，达到了预期效果。位于A楼裙房中3层的生物安全实验室为P2级生物安全实验室，洁净度等级为10 000级，核心实验室与室外压差为-10 Pa，采用1台风冷净化直膨组合式空气处理机组给核心实验室、缓冲区及更衣室送风，送风末端采用高效过滤器风口，回风口设在房间的下部。核心实验室设有排风系统，排风管道上设有变风量阀，根据室内外压差来控制排风量，并与送、排风机联动，送风机停机，则排风管道上的变风量阀关闭。典型区域实验室通风平面图见图4。
图4 实验室通风平面图
有排风要求的实验室的排风系统单独设置，同一个实验室内的排风设备合用一个排风系统，排风机采用变频风机，在排风主管道上设置静压变送器来调整风机的排风量。排风机集中设置在屋面，排风机设置减振装置，且在风机的吸入侧设置消声装置。对排出有机废气或有特殊气味气体的实验室排风系统，采用带活性炭过滤装置的排风机组。每个通风柜排风管上设置变风量调节阀，根据通风柜柜门开启程度来控制通风柜变风量调节阀的排风量，在万向排风罩的排风管上设有定风量阀。典型实验室局部通风平面图见图5。
图5 实验室局部通风平面图
对于既没有温湿度特殊要求、也无需排风系统的普通实验室，按舒适性空调来设计。
实验室通风系统的控制：万向排风罩的排风支管上设有定风量阀；根据柜门的开启程度来调节通风柜排风支管的电动风阀；在排风总管内设置静压变送器，调节排风机的排风量；根据实验室的排风量来调节送风阀的开度，使实验室维持微负压；在送风总管内设置静压变送器，调节送风机的送风量。
4.4 其他通风系统
卫生间、吸烟室、茶水间等设置排风系统。地下车库按防火分区设置通风和消防排烟合用系统。地下设备机房设置机械排风和补风系统。
5 防排烟系统
5.1 防烟系统
防烟楼梯间分别设有加压送风系统，每隔2~3层设1个自垂式百叶风口，火灾发生时启动加压送风机；防烟楼梯间与消防电梯合用前室均设正压送风，合用前室每层均设1个电动多叶风口，当发生火灾时，开启着火层及相邻的上一层电动加压风口，同时开启加压风机。
5.2 排烟系统
地下汽车库设排烟系统（平时兼排风），排烟量按6 h-1换气次数计算，同时设置相应的补风系统，补风量按5 h-1换气次数计算。车库排风（兼排烟）所用风机采用消防专用节能低噪声双速风机箱，平时根据车库中CO体积分数，风机高速或低速运行，火灾发生时自动切入高速运行。
长度超过20 m的内走道均设机械排烟系统。当发生火灾时，开启着火层排烟阀和排烟风机。
当烟气温度超过280 ℃时，排烟风机入口处的排烟防火阀自动关闭，同时联动风机停止运行。
当火灾发生时，除消防排烟系统用的排烟风机、消防补风机及加压风机外，其他通风、空调设备均自动切断电源。
采用气体灭火的设备用房在为其服务的进出风管上设电动防火调节阀，当发生火灾时，关闭风阀及风机；灭火完毕，打开风阀及风机进行通风换气。
6 节能
6.1 蓄冰系统
采用冰蓄冷空调冷源方式减少了该工程的空调配电容量，转移和削减了空调系统的用电高峰，缓解夏季用电紧张，平衡城市电网峰谷供电，在节省工程空调系统运行费用的同时，实现了较好的社会效益。
6.2 一级泵变流量方式
空调冷水系统负荷侧采用一级泵变流量的系统形式，双工况冷水机组的融冰侧、空调热水系统的负荷侧采用变频变流量水泵；基载冷水机组冷源所对应的水泵为定流量水泵，负荷侧采用压差旁通阀以满足变流量要求。该方式通过监测空调负荷的需求，改变空调系统的水流量，从而减少空调水泵电耗，实现节能运行。
6.3 大温差小流量的冷水系统
采用5 ℃/12 ℃的大温差空调冷水系统，较低的水温使得空调除湿能力加强，较大的温差使得冷水流量减少、冷水管径减小、水泵型号减小、冷水泵配电容量减少，相应弥补了蓄冰系统增加的冷冻液循环泵的配电容量，使蓄冰优势更加突出。
6.4 其他
在过渡季及冬季采用自然冷却的免费制冷系统，通过开式冷却塔联合板式换热系统，提供空调内区冷水。办公区域新风机组采用热回收型新风机组，采用转轮全热回收装置，降低空调运行能耗。首层大堂采用分层空调及地板辐射供暖的方式，降低空调供暖运行能耗。
7 系统示意图
冰蓄冷系统原理示意图见图6，实验室通风系统见图7，P2级生物安全实验室空调通风系统见图8。
图6 冰蓄冷系统原理示意图
图7 实验室通风系统图
图8 P2级生物安全实验室空调通风系统图
8 工程总结
8.1 运行情况
该工程自2013年1月竣工并投入使用至今，空调和供暖运行情况总体良好。冬夏季空调运行期间办公室、实验室、卫生间等房间的室温均满足设计及使用要求。其中消防、安防控制室等需要24 h值班的房间设置的分体空调满足独立控制室温要求；冬季室外温度低于0 ℃时，夜间等非工作时间热水循环泵低流量运行，空调房间风机盘管温控器设置为防冻模式，防止房间消防水管和卫生间水管冻结；对于地下布有水管的设备用房，如给水泵房等均位于地下室内部区域，平时定期通风运行，当冬季室外温度低时关闭通风系统以防冻结。
8.2 运行问题及解决方案
该工程原设计总体考虑各楼有自设冷却水水冷空调机组的需求，设置了一套独立冷却水系统。设有3台冷却塔，并设对应的循环水泵，单台循环水泵冷却水流量为184 m3/h。冷却塔设置于屋顶，冷却水泵设置于地下制冷机房内。冷却水自制冷机房冷却水分水器按楼座分系统供应至各层。冷却水立管敷设各新风机房内，并在每层预留管段，需要接末端水冷机组的管路设计接至机组。
初期运行时使用方反映冷却水系统无法正常使用，通过现场查看发现，由于项目初期入住单位不全，仅有9台恒温恒湿机组使用冷却水，实际冷却水总需求量为18 m3/h，另外网络机房和不间断电源（UPS）室的水冷空调机组的冷却水量为99 m3/h。初期运行，冷却水需求总量小于1台冷却水泵的流量，而循环水泵原设计为定流量水泵，为实现初期正常运行，仅开启1台冷却塔和1台循环水泵，并将设计修改为在冷却水分集水器间设置压差旁通阀保持水泵定流量运行。水冷机组内置自动三通调节阀，可以根据制冷剂的压力来自动调节进入机组的冷却水量，多余的冷却水旁通至冷却水管；冷却塔为变频风扇，可根据冷却水温度调节风扇转速；冷却水管间的电动三通阀保证水温不低于进入水冷机组要求的最低水温。以上措施保证了独立冷却水系统初期的正常运行。冷却水系统修改方案见图9。
图9 冷却水系统修改方案
全文刊登于《暖通空调》杂志2017年第7期
作者：中国建筑科学研究院 王 强 刘经纬
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