北京世界金融中心

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建设部建筑设计院 潘云钢 丰涛 刘继兴

提要 介绍了变风量空调系统（VAV）在工程中的应用，探讨二次泵系统

的设与应用。

关键词 变风量空调系统 二次泵

1、工程简介

北京世界金融中心是由中国人民保险信托投资公司投资的一幢高级综

合式办公楼，地点位于北京市朝阳区朝阳门外大街的繁华商业区内。

工程总建筑面积为116000m2, 总高度为165m（至金属塔尖顶），地下3

层，地上32层。各层所设置的房间及用途如下：

地下3层：汽车库，冷冻机房，水处理间，水池及水泵房等：

地下2层：汽车库，变配电室，热交换间，职工卫生间，空调机房等；

地下1层：汽车库及中巴车站，自行车库，柴油发电机房，职工餐厅及其

厨房，四季厅门厅，超级市场等；

1～3层：门厅大堂，四季厅，自动扶梯厅，零售商场等；

4层：门厅大堂，四季厅，自动扶梯厅，游泳池，中、西餐厅及厨房；

5层：门厅大堂，四季厅，自动扶梯厅，保龄球室，健身娱乐室等；

6～15层：办公室：

16层：消防避难层：

17～27层：办公室

28～30层：办公室及机械用房；

31、32层：多功能厅。

2、空调水系统设计

全楼中央空调总耗冷量为10000 kW。空调冷指标为88 W/m2；中央空调

总耗热量房为7995kW，空调热指标为67W/m2。

空调水系统根据使用功能及负荷特点而分为内区及外区两大环路，各环路均为双管制系统，从负荷特点的分析中可知，有可能要求内汐卜区分

别供冷水及供热水（例如在过渡季气候及不太寒冷的冬季气候时），为了

满足这一要求，本设计中通过设于冷冻机房内的冷热水管上的电动阀的切

换来实现（如图1)。

图1

FG-1，JG-1——内区分、集水缸

FG-2，JG-2——外区分、集水缸 从图1中可以看出，实际上机房内的管路是一个四管制的系统，通过

V1～V8阀的开关即可保证内、外区水系统各自独立进行供冷水和供热水的

要求。

应该注意的一点是：在外区环路由供热水变为供冷水时，内区早已开

始供冷。由于此时外区回水温度仍较高，在与内区回水混合后的温度也是

较高的，较高的回水温度直接进入冷水机组对机组来说是危险的（有可能

造成破坏），同时也会使冷水机组的出水较长时间达不到满足内区空调所

需要的水温，冷水机组的运行条件变得恶化。因此，本设计在外区环路中

设计有旁通阀V9，其作用是：在外区由供热水向供冷转换时，V8阀仍然关

闭，先打开V9阀，外区回水在其次级泵的作用下，通过外区水环路循环降

温至一定的温度（大约20 ℃ 时，再打开V8阀，关闭V9阀，让外区回水与

内区回水混合后进入冷水机组中去，这时进入冷水机组的水大约为15℃。

如图1所示，本设计水系统为二次泵变水量系统，内汐卜区环路设有

两台次级泵。设置二次泵系统，除了解决上述外区的转换问题外，主要还

有以下考虑：

①空调机组本身具有非线性特性

空调机组相对冷量与相对水流量的关系如下

q=1/1+η（1/g-1) （1）

式中q ——机组相对制冷量

g ——机组相对水流量

η ——机组特征系数

式 ①以图形表示如图2所示。

②若干具有图2特性的空调机组在水系统中并联运行时，该水系统也

应具有图2的特点。 ③由于不同朝向的影响，空调机组在运行时各自出现最大值的时刻是

不同的。同时，由于各种不同功能的房间在使用时间上的不一致，其逐时

负荷（制冷量）曲线也不同。

上述三点决定了本工程空调水系统是一个非线性系统，具有图2和式

（1）的特点。就目前来说，满足非线性空调水系统的使用及节能的最好

方法应该是二次泵系统。

二次泵系统中，次级泵的选择有多种方式：第一种是全变速泵方式，

第二种是多台定速泵分级控制的方式，第三种是变速淀速泵组合控制方

式。第一种方式的节能效果最好，控制也相对简单，但投资较大；第二种

方式节能效果最差，控制也最复杂，但投资最省；第三种方式的特点介于

前两种之间。本设计立足于从节能来考虑，采用了第一种方式，根据水泵

电耗的基本原理：电耗与其转速的三次方成正比，因此低负荷时变速泵可

节省较多的能耗。

本工程采用了4台离心式冷水机组为全楼进行空调供冷，其水温为6．

6／13℃而不是通常用的7／12 ℃ 这样带来的优点是：①可减少冷水泵的

流量从而减少冷水泵能耗：②由于办公面积紧张，建筑造价较高、空间有

限，增大水温差后由于流量减少使得管道尺寸得以减小；③考虑到水泵及

管道温升，实际空调机组的进水温度约在7℃左右（按通常7／12℃设计

时，空调机组进水温度大约在7. 5℃）。当然，选择这一温差的缺点是空

调机组表冷器要适当加大，另外冷水机组的电耗会有所增加。但对于本楼

以及大多数面积及空间有限的民用建筑来说，其综合效益笔者认为仍是较

合理的，也是冷水机组容易达到的。

3、空调风系统设计

本工程是以办公性质为主的综合楼，因此根据办公楼的特点，空调系

统采用了目前较为先进的变风量空调系统（简称VAV系统）。

在VAV系统设计中，首先进行了内、外分区。根据国外的有关资料及

目前较公认的分区方式，本设计将距房间外墙（或外围护结构）3．5m以

内的室内区域作为外区，其余部分办公区作为内区。空调机组按内外区分

别设置，很显然这一分区与水系统的分区情况是密切联系和一致的。实际

上水系统的分区正是以上述空调风系统的分区为依据的。这样可以保证在

过渡季（甚至冬季）时，对外区进行供热风而内区同时供冷风。

从空调负荷的计算结果中可知，当室外气候处于冬季设计状态时，尽

管对房间的内区而言是要求供冷风，但对于内区空调机组来说，仍然要求

供热水，这主要是由于引人新风的原因造成的。经计算，内区冬季送风温

度大约为17 ℃ 很显然此时若新风比达到30％左右时，其混合温度远小于

17℃，因此加热是必须的。由此可知，冷水机组即使在只为内区服务而运

行时，也不会是全年运行（即内区空调机组并非要求供冷水），因此合理

地选择一个冷水机组的停机时间是重要的。考虑到冷水机组运行的安全性

及冷却水防冻等问题，本设计确定当室外气温为12℃时即停止冷水机组运

行，这时内区直接利用新风（或调整新、回风混合比以达到合适的送风温

度）进行供冷。这样做法要求内区空调机组是一个变新风比的机组，同时

有组织的机械排风必不可少（否则室内正压过大）。在这一过渡阶段中，

室温控制就由控制水阀改为控制新、回风混合比。当新风已达到最小新风

比而混合风温度仍然过低时，则打开加热盘管水阀，由控制新风比改为控

制热水阀。

目前也有一些办公楼在内外区划分后，采用同一台机组及风道送风的

方式，同时在外区VAV未端装置（VAV Box)增设再热盘管，如图3所示。显

然这是一种四管制方式，其优点是各VAV Box均可非常精确的控制区域温

度。但缺点是在过渡季，为了满足内区的要求，需要把送风进行冷却，而

当进入外区时又要在VAV Box中进行再热，很显然这一过程中存在冷、热

相互抵消而多耗能的情况，同时带再热盘管的VAV Box造价也是相当高

的。

图3

因此，本设计中的做法实际上是把外区各个VAV Box中的再热盘管集

中在一台空调机组中去。由于内外区风系统各自独立。使得内区直接最大

限度的利用了天然冷源（即室外冷风）进行供冷，其节能效益是明显的。

从经济角度来看，这样做增加了一台空调机组（即一台大机组变为两台小

机组），并要求增加排风道，会使投资增加，但减少了外区VAV Box中的

再热盘管及相应的附件和热水管道等，加上利用新风冷却节能带来的效

益，综合起来笔者认为减少的费用远超过增加部分，因而经济效益是十分

明显的。同时水管不进入使用房间，对设计、施工及日后运行管理特别是

出租后的二次装修都带来极大的方便（由于VAV Box只有软风管与主风管

连接，仅由装修公司就可以自由移动其位置，如果VAV Box要接上水管，

则改动时必须由专门的水暖管道工来施工及试压，并要求部分楼层甚至全

楼停水）。

根据平面布置，在楼1～5层裙房部分也进行了内外区划分。即凡有外

围护结构的房间均为外区（最大进深约10m左右），凡无外围护结构的房

间为内区。

在1、2、3层零售商场的空调设计中，由于建筑面积紧张，不能设置

全空气系统所需的空调机房，所以空调采用风机盘管加新风的空调方式。

对于外区而言，此部分设计和运行是没有问题的。但对其内区而言，由于

当室外气候温低于12℃时，内区凤机盘管已经开始供热水，而这时内区需

要供冷风，故只能考虑由新风来承担内区的供冷，所以在商场部分内、外

新风机组是各自独立设置的。在确定内区新风机组风量时，首先计算出室

外气温为12℃时内区的得热并由此计算出消除它们所需的新风量（新风温

度即是送风温度12℃）。显然这一送风量远大于按卫生标准所确定的夏季

正常运行的新风量，因此内区的新风机组采用双速风机。供冷水时，风机

低速运行——最小新风量；新风为12℃时开始供热水，风机高速运行——

最大新风量。当室外气温继续下降导致送风温度低于要求时，自动打开热

水阀，加热盘管开始工作。

4、防排烟及防火设计

本楼属于超高层建筑，其防排烟设计及防火问题是非常重要的，设计

也是严格按规范进行的。

在疏散楼梯、前室及合用前室均设置加压送风系统，其中楼梯采用常

开百叶，前室及合用前室采用每层可独立控制的自动加压送风阀。一旦失

火，全楼的加压送风机及失火层及其上一层前室（包括合用前室）的加压

送风阀均打开，保证疏散通道的安全。

在内走道、无窗（或无自然采光）的内部房间均按《高规》要求设置

机械排烟。

另外，对2个5层高的共享空间（四季厅及大堂）均设置机械排烟，其

排烟量按共享空间体积的6次换气计算。在避难层单独设置机械加压送风

系统，共设2台加压用管道式风机，加压送风量为36 000m3/h。

各排烟及加压送风系统均以避难层分界为高低区系统。

在地下车库及一些库房、机械用房等，采用了排风兼排烟的方式，平

时作为排风，火灾时自动转为排烟，其风机吸入口均设有280℃防火阀。

5、小结

5．1 VAV系统是目前正在我国逐步开始应用的一种较为先进的空调系统，

与普通的全空气系统相比它具有的优点是：

节省能源。包括运行中的节能及计算负荷时的节能两方面（因

为对于VAV系统来说，由于各VAVBox 可自动根据负荷调节风

量，因此一个VAV空调系统的设计最大送风量必然小于各末端

的最大送风量之和，也就是说它的能量是来回移动的。它具有

自动的把不同能量移至不同需求的场所之功能，这是普通定风

量机组不能实现的）。

各个送风未端均能独立进行区域温度控制。与新风加风机盘管

系统相比其优点为：A. 它属于全空气系统，其空调品质较

高；B. VAV BOx结构简单，维护工作量极小；C.没有水管进入

房间，避免了由此带来的施工及运行管理上的问题；D.在过渡

季时，可充分利用天然冷源甚至全新风，其节能效益较高（新

风加风机盘管系统中新风量为定值，该风量是根据卫生要求而

不是根据消除冷热负荷而定的）。

5．2关于内、外分区问题及两管制与四管制问题，目前有较多争论，本文

也希望通过介绍这一工程设计，肯请广大同仁提出各自的意见，共同探讨

这一系统在我国的合理应用。

5．3关于二次泵系统问题已经有了众多的研究成果。根据对二次泵的探讨体会笔者认为，二次泵系统的节能机理中，最重要的前提是由于整个空调

水系统是一个线性系统，进一步说，就是当系统在低于设计负荷时，其供

回水温差大于设计温差，因而需要的水流量较小。比如说有可能系统需要

80％的冷量而只需50％的水量即可满足要求。由于一次泵系统中，冷水泵

必须随冷水机组一起运行，因此，这种情况下一次泵系统是不合适的，要

满足冷量就会导致水量过剩而使水泵多耗电能，若只满足水量又会使冷量

不足。

5．4二次泵系统中，水系统非线性的程度是至关重要的。它是二次泵选择

的关键，尤其当次级泵不采用变速泵而采用定速泵时，它更是次级泵台数

选择的主要依据。但是，由于不同建筑功能及采用不同设备，要定量的分

析并求出非线性特性曲线是十分困难的，即使单个盘管的静特性可以求

出，整个水系统的综合特性也会由于使用时间上的区别而显出相当大的差

异。但笔者相信，各类建筑总是有一定共性的。目前空调系统服务的大多

数建筑是酒店和办公楼，因此通过对现有建筑运行情况的研究综合得出一

个合理的、大家所公认的推荐特性还是有可能的。而近年建筑中采用DDC

控制系统所具有的冷、热量及流量自动记录和统计又为我们进行这方面的

研究提供了一些有利条件。因此建议有关研究部门能够对此进行一些专门

调查研究，相信其研究结果的价值是十分可观的：第一，可以解决关于

一、二次泵设计是否合理的争论，如果结果证明某类型建筑非线性并不明

显，很显然采用二次泵系统是不合理的；第二，在如何设计二次泵系统、

次级泵台数的选择及节能评估以及经济性分析方面，具有实际的指导意义。