淺析超高層建筑空調(diào)水系統(tǒng)方案

周 瑋，李 順

空調(diào)技術(shù)

淺析超高層建筑空調(diào)水系統(tǒng)方案

周 瑋，李 順

（中國(guó)中元國(guó)際工程有限公司，北京100089）

通過(guò)對(duì)超高層建筑模型空調(diào)水系統(tǒng)分區(qū)方案的對(duì)比分析，探討超高層建筑空調(diào)水系統(tǒng)方案的可行性，并提出了兼顧換熱效率及設(shè)備承壓的優(yōu)化解決辦法。

超高層建筑； 空調(diào)； 水系統(tǒng)； 承壓

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，全國(guó)各地紛紛建設(shè)各類超高層建筑，作為城市新地標(biāo)或者經(jīng)濟(jì)中心的標(biāo)志。目前，傳統(tǒng)意義上的超高層建筑（建筑高度100m）早已司空見慣，各個(gè)大型城市中高度超過(guò)250m的建筑也十分常見，部分正在研討或者設(shè)計(jì)的超高層建筑已經(jīng)接近1000m高度。

隨著建筑物高度不斷升高，設(shè)計(jì)中各種各樣的問題和難題隨之涌現(xiàn)，其中如何合理的劃分空調(diào)水系統(tǒng)是每個(gè)超高層建筑都必須面對(duì)的問題之一。

對(duì)于舒適性空調(diào)而言，冷凍水供、回水溫度一般為7/12℃，這是兼顧了冷水機(jī)組效率、輸送能耗以及冷凍除濕效果的經(jīng)濟(jì)平衡點(diǎn)[1]。但當(dāng)建筑過(guò)高時(shí)，由于設(shè)備承壓?jiǎn)栴}，水系統(tǒng)需要在豎向上分區(qū)，利用板換多次換熱的方法減壓。選用換熱性能良好的板換也會(huì)有1℃的換熱溫差損失，而當(dāng)換熱超過(guò)2次時(shí)，供水溫度將低于5℃時(shí)，會(huì)導(dǎo)致常規(guī)冷水機(jī)組運(yùn)行工況相對(duì)較差且穩(wěn)定性不夠[2]；此時(shí)需要采用蓄冰等其它方式，不可避免的提高初投資和運(yùn)行費(fèi)用。故應(yīng)盡量減少換熱次數(shù)。

目前市場(chǎng)主流設(shè)備最大承壓在2.0MPa，低壓管道及閥門承壓2.5MPa，特殊采購(gòu)的冷水機(jī)組、板式換熱器、水泵等設(shè)備承壓可以達(dá)到3.0MPa。為了節(jié)省初投資，減少施工以及運(yùn)行維護(hù)的困難，水系統(tǒng)分區(qū)應(yīng)盡量控制設(shè)備承壓小于2.0MPa，最大不超過(guò)3.0MPa。

下文中作者設(shè)定了兩個(gè)近年來(lái)比較常見的超高層建筑模型，對(duì)空調(diào)水系統(tǒng)分區(qū)方案進(jìn)行比較。

1 建筑模型簡(jiǎn)介

目前超高層建筑最常見的建筑構(gòu)成為：地下部分四至五層，一般冷凍機(jī)房設(shè)置于地下三層，地下一層高度約為6m，其它地下層建筑高度約為4m，即冷凍機(jī)房位置一般位于-14.00m左右。地上部分為主塔和裙房?jī)刹糠?，裙房一般建筑高度?0m以下，為了簡(jiǎn)化消防設(shè)計(jì)，又以20～24m較為常見；主塔部分根據(jù)消防主管部門要求，在建筑高度50m以下必須設(shè)置第一避難層，以上每隔十四至十五層需要設(shè)置一個(gè)避難層。由此一般超高層建筑50m以下為第一區(qū)域，功能一般為入口大堂、商業(yè)、接待等，同時(shí)在40～50m附近設(shè)置第一避難層；50m以上一般每隔十四層為一個(gè)功能區(qū)，主要為辦公以及酒店，在建筑物頂端設(shè)置部分觀光層，辦公部分層高一般為4.20m，酒店部分層高一般為3.80m；各功能區(qū)之間設(shè)置避難層以及機(jī)電層，此二層高度合計(jì)約10m，酒店大堂、接待、餐廳以及休閑部分集中在酒店下部。參考上述建筑情況，設(shè)定兩個(gè)參考建筑模型。

建筑模型一（如圖1所示）：冷凍機(jī)房置于地下三層，標(biāo)高-14.00m，地上部分分為7個(gè)區(qū)，一區(qū)高度50m；二至四區(qū)每個(gè)區(qū)域高度為68.80m，包括十四層辦公（58.80m）、避難層（5.0m）及機(jī)電層（5.0m）；五至七區(qū)為酒店及觀光部分，其中五區(qū)包括據(jù)酒店大堂、餐飲、休閑以及部分客房，建筑高度（53.20m）、避難層（5.0m）及機(jī)電層（5.0m）；六區(qū)為十四層客房，建筑高度（53.20m）、避難層（5.0m）及機(jī)電層（5.0m）；七區(qū)為觀光部分，建筑高度（43.20m），建筑物總高度為426.00m。

建筑模型二（如圖2所示）：模型二與模型一類似，但建筑高度調(diào)整為626.80m，分區(qū)調(diào)整為10個(gè)，其中二至六區(qū)為辦公層；七至十區(qū)酒店及觀光部分，其中八、九區(qū)為酒店客房，十區(qū)為觀光部分。

2 空調(diào)水系統(tǒng)方案

模型一與二的空調(diào)熱水方案沒有太多的差別，均建議采用蒸汽作為熱源，根據(jù)區(qū)域功能分別設(shè)置汽水換熱器，蒸汽系統(tǒng)和熱水系統(tǒng)比較可以減少換熱次數(shù)，提高用熱效率，降低設(shè)備承壓要求，從而節(jié)省投資，這里不再贅述。

空調(diào)冷水系統(tǒng)的方案，根據(jù)冷源位置不同分為兩種，分別為冷機(jī)下置和冷機(jī)上樓方案。另外根據(jù)酒店管理公司的普遍要求，考慮酒店部分單獨(dú)設(shè)置冷水機(jī)組及空調(diào)水系統(tǒng)。

2.1 冷機(jī)下置方案

冷機(jī)下置，即冷水機(jī)組置于地下三層（-14.00m）冷凍機(jī)房?jī)?nèi)，通過(guò)1次或者2次換熱將空調(diào)水送至各個(gè)空調(diào)服務(wù)區(qū)。

在分析方案前，應(yīng)明確設(shè)備承壓與系統(tǒng)高度的關(guān)系。設(shè)備承壓應(yīng)不小于管路最低處?kù)o水壓力和水泵的壓頭的和。即

式中 P—設(shè)備承壓，Pa；

P1—管路最低處?kù)o水壓力，Pa；

P2—水泵壓頭，Pa。

式中 ρ—水的密度，kg/m3；

g—重力加速度，m/s2；

h—管路最大高度差，m。

式中 ΔP1—冷水機(jī)組蒸發(fā)器的壓力降或板換壓力降，Pa，一般取50～100kPa；

ΔP2—空調(diào)末端壓力降，Pa，一般取20～50kPa；

ΔP3—調(diào)節(jié)閥壓力降，Pa，一般取40kPa；

P4—管路損失，Pa，一般取100～300Pa/m。

當(dāng)不考慮水平管路長(zhǎng)度的情況下，經(jīng)計(jì)算得出對(duì)應(yīng)管路設(shè)備承壓2.0MPa、2.5MPa和3.0MPa三種情況，水系統(tǒng)的最大高度分別為163～182m、208～230m和254～279m。

模型一（426.00m）：冷水機(jī)組置于地下三層（-14. 00m），換熱器分別置于二區(qū)與三區(qū)之間的設(shè)備層（108.80m）以及四區(qū)與五區(qū)之間的設(shè)備層（246.40m）。這樣各個(gè)水系統(tǒng)服務(wù)區(qū)高度差分別為：低區(qū)（地下部分及一、二區(qū)）122.80m，中區(qū)（三、四區(qū)）137.60m，高區(qū)（五至七區(qū)）（179.60-10）m—對(duì)于高區(qū)，由于超高建筑造型的需要，水系統(tǒng)實(shí)際使用高度通常低于建筑頂標(biāo)高至少10m。當(dāng)高區(qū)適當(dāng)減少水平管路長(zhǎng)度或減小管路比摩阻時(shí)，各個(gè)水系統(tǒng)設(shè)備的承壓均可控制在2.0MPa以內(nèi)。

在某些情況下還可以采取一次換熱的方案。筆者設(shè)計(jì)一個(gè)超高層建筑中，建筑物總高度428.00m，水系統(tǒng)最高點(diǎn)402.80m（頂層觀光部分采用地面送風(fēng)形式），三區(qū)與四區(qū)之間的設(shè)備層標(biāo)高為144.00m，這樣系統(tǒng)低區(qū)高度為158.0m，低區(qū)水系統(tǒng)設(shè)備承壓2.0MPa，高區(qū)辦公部分高度約100.0m，水系統(tǒng)設(shè)備承壓1.6MPa，高區(qū)酒店高度258.8m，高區(qū)水系統(tǒng)設(shè)備承壓3.0MPa。

模型二（626.8m）：冷水機(jī)組置于地下三層（-14. 00m），換熱器分別置于三區(qū)與四區(qū)之間的設(shè)備層（177.60m）以及六區(qū)與七區(qū)之間的設(shè)備層（384.00m）。這樣各個(gè)水系統(tǒng)服務(wù)區(qū)高度差分別為：低區(qū)（地下部分及一至二區(qū)）191.60m，中區(qū)（四至六區(qū)）206.4m，高區(qū)（七至十區(qū)）（242.8-10）m。這樣冷水機(jī)組承壓2.0MPa（水泵安裝方式為抽出式），中、低區(qū)水系統(tǒng)設(shè)備承壓為2.5MPa，高區(qū)水系統(tǒng)設(shè)備承壓為3.0MPa。由于高區(qū)承壓量較為富裕，在實(shí)際工程中可以合理調(diào)整兩個(gè)設(shè)備層的高度，使得中、低區(qū)水系統(tǒng)設(shè)備承壓均控制在2.0MPa以內(nèi)。

冷機(jī)下置是最為傳統(tǒng)的超高層建筑水系統(tǒng)方案，其優(yōu)點(diǎn)在于適用性強(qiáng)，不受地域氣候條件限制，冷水機(jī)組位于地下室，其震動(dòng)和噪音對(duì)人員影響最小，安裝及維護(hù)均比較容易。但是多次換熱造成水溫升高，使得高區(qū)用冷效率下降，為緩解這樣的情況，空調(diào)系統(tǒng)一般會(huì)采用蓄冰等低溫冷源，在低區(qū)采用低溫空調(diào)末端設(shè)備，其它區(qū)域采用標(biāo)準(zhǔn)空調(diào)末端設(shè)備，這樣導(dǎo)致空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、運(yùn)行、維護(hù)復(fù)雜，也會(huì)導(dǎo)致空調(diào)系統(tǒng)投資增加；同時(shí)為減少換熱次數(shù)，會(huì)盡量增加各個(gè)水系統(tǒng)區(qū)域服務(wù)高度，這樣會(huì)導(dǎo)致設(shè)備承壓較高，對(duì)項(xiàng)目投資也有一定的影響。

2.2 冷機(jī)上樓方案

最簡(jiǎn)單的冷機(jī)上樓方案是將冷水機(jī)組置于建筑頂端區(qū)域，冷水機(jī)組采用風(fēng)冷型，服務(wù)上部酒店區(qū)域（五至七區(qū)），同時(shí)滿足酒店管理公司對(duì)獨(dú)立冷源的要求。采用此方案時(shí)，模型一：五至七區(qū)酒店水系統(tǒng)最大服務(wù)高度169.60m，設(shè)備承壓可以控制在2.0MPa，一至四區(qū)水系統(tǒng)最大服務(wù)高度260.40m，可以采用一次換熱方案或者冷水機(jī)組直接供給，水系統(tǒng)承壓3.0MPa。模型二：七至十區(qū)酒店水系統(tǒng)最大服務(wù)高度232.80m，設(shè)備承壓可以控制在3.0MPa，一至六區(qū)水系統(tǒng)最大服務(wù)高度398m，可以采用一次換熱方案，換熱器設(shè)置于標(biāo)高177.60m設(shè)備層，水系統(tǒng)承壓2.5MPa。

另一種冷機(jī)上樓的方案是將冷水機(jī)組置于設(shè)備層內(nèi)，配合一次換熱，達(dá)到降低各個(gè)區(qū)域水系統(tǒng)承壓的目的。模型一：冷水機(jī)組置于四區(qū)與五區(qū)之間設(shè)備層（246.40m）內(nèi)，向上服務(wù)五至七區(qū)酒店，同時(shí)向下服務(wù)三、四區(qū)辦公，一區(qū)及二區(qū)由地下冷凍機(jī)組提供冷水，所有水系統(tǒng)設(shè)備承壓均不大于2.0MPa。模型二：冷水機(jī)組置于六區(qū)與七區(qū)之間設(shè)備層（384.00m）內(nèi)，向上服務(wù)七至十區(qū)酒店，水系統(tǒng)最大服務(wù)高度242.80m，中途設(shè)置一次換熱，同時(shí)設(shè)備層內(nèi)冷機(jī)向下服務(wù)五、六區(qū)辦公，一至四區(qū)空調(diào)冷水由地下冷凍機(jī)組提供，中途設(shè)置一次換熱，所有水系統(tǒng)設(shè)備承壓均不大于1.6MPa。

另外，在建筑高度以及設(shè)備層標(biāo)高合適的情況下，還可以將冷水機(jī)組置于裙房屋面，但是由于冷水機(jī)組位置僅僅上移了30～40m，對(duì)整體水系統(tǒng)影響較小，總體上仍然屬于冷機(jī)下置的方案，在這里不再具體說(shuō)明。

冷機(jī)上樓的方案在近年的超高層設(shè)計(jì)中越來(lái)越常見，其優(yōu)點(diǎn)在于明顯的減低各個(gè)水系統(tǒng)分區(qū)的設(shè)備承壓，同時(shí)換熱次數(shù)少，用冷效率高。冷機(jī)上樓的方案同樣存在一定的弊端，首先冷水機(jī)組無(wú)論是置于屋頂還是設(shè)備層，其震動(dòng)和噪音對(duì)相鄰樓層的影響都是不可回避的問題，即便采用了靜音型的設(shè)備，增加特殊的消聲及減震措施等手段，與冷凍設(shè)備相鄰樓層仍然可能受到影響；其次設(shè)備安裝維護(hù)局限性大，受設(shè)備層層高、標(biāo)高、功能、屋頂觀景采光要求等條件限制，冷源設(shè)備的占地面積，高度經(jīng)常受到很大限制，安裝及后期維護(hù)難度較高；最后屋頂或者室外安裝的冷水機(jī)組還會(huì)受到地域限制，冬季溫度較低的區(qū)域不適用此類方案。

3 結(jié)論

總結(jié)模型一和二空調(diào)水系統(tǒng)方案見表1：

表1 模型一、二水系統(tǒng)方案對(duì)比

根據(jù)分析結(jié)果，對(duì)于建筑高度與模型二相似的超高層建筑，無(wú)論采用二次換熱，還是冷機(jī)置于屋頂?shù)目照{(diào)水系統(tǒng)方案，水系統(tǒng)承壓均會(huì)超過(guò)2.0MPa，但是當(dāng)冷水機(jī)組置于設(shè)備層時(shí)，全樓所有水系統(tǒng)承壓都可以控制在1.6MPa以內(nèi)，同時(shí)僅僅需要一次換熱，所以如果可以有效解決冷水機(jī)組噪音、安裝、維護(hù)等問題，將冷源設(shè)備置于設(shè)備層是比較優(yōu)選的水系統(tǒng)方案。建筑高度與模型一相似超高層建筑可以選擇的水系統(tǒng)方案選擇較多，從對(duì)比結(jié)果看，冷機(jī)下置一次換熱及冷機(jī)置于屋頂?shù)姆桨妇幸粋€(gè)水系統(tǒng)分區(qū)承壓在3.0MPa，但是當(dāng)冷機(jī)置于屋頂時(shí)有大量的空調(diào)末端設(shè)備承受2.0MPa至3.0MPa的壓力，給施工及日后維護(hù)都帶來(lái)很大的困難，并不推薦使用，而另一方案僅板式換熱器，水泵及部分管道閥門承壓為3.0MPa，其它設(shè)備承壓均控制在2.0MPa以下，同時(shí)冷水機(jī)組置于地下室，屬于常規(guī)設(shè)計(jì)，筆者認(rèn)為在條件許可情況下，應(yīng)該優(yōu)先選用此方案。而二次換熱方案以及冷機(jī)置于設(shè)備層方案，前者用熱效率相對(duì)較低，后者對(duì)設(shè)備品質(zhì)，安裝維護(hù)要求比較高，在選用此兩種方案時(shí)需要進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后再確定。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)兩個(gè)超高層建筑模型（426m和626.8m）空調(diào)水系統(tǒng)的研究分析得出：

（1）當(dāng)建筑高度低于或略高于400m時(shí)，通過(guò)合理優(yōu)化設(shè)備層位置，常規(guī)方案（制冷機(jī)置于地下）即可實(shí)現(xiàn)最多1次換熱且設(shè)備承壓均不超過(guò)3.0MPa；

（2）當(dāng)建筑高度顯著高于400m時(shí)，常規(guī)方案將需要至少2次換熱才能保證設(shè)備不超壓，這對(duì)板換換熱效率、制冷機(jī)出水溫度以及運(yùn)行維護(hù)提出了很高的要求；為了解決這一難題，建議單獨(dú)為高區(qū)設(shè)置制冷機(jī)，并置于設(shè)備層或屋頂。

[1]陸耀慶.實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].2版.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2008.

[2]GB 50736-2012，民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

修回日期：2016-05-23

表3 夏、冬季風(fēng)冷熱泵運(yùn)行策略

（2）由于室內(nèi)、外參數(shù)一年四季時(shí)刻變化著，所以泳池空調(diào)需要有完善的監(jiān)控系統(tǒng)，保證室內(nèi)舒適性。

（3）泳池空調(diào)設(shè)計(jì)時(shí)，暖通專業(yè)應(yīng)與給排水專業(yè)緊密配合，避免出現(xiàn)雖選用節(jié)能設(shè)備但系統(tǒng)不節(jié)能的現(xiàn)象。

參考文獻(xiàn)：

[1]陸耀慶.實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].2版.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2008.

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[3]楊寶軍.三集一體空調(diào)熱泵機(jī)組在泳池?zé)崴到y(tǒng)中應(yīng)用研究[J].浙江建筑，2013，30（6）：54～57.

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[5]劉輝，陳捷.淺談室內(nèi)泳池除濕熱泵系統(tǒng)[J].大眾科技，2013，15（6）：15～17.

收稿日期：2016-04-06

修回日期：2016-05-24

Analysis on Scheme of Water System of Air-conditioning for Super High-rise Building

ZHOU Wei， LI Shun
（China IPPR International Engineering Co.，Ltd，Beijing 100089，China）

A feasibilitystudyofhighrisebuilding'sHVAC watersystem，carriedoutbyanalyzingandcomparingthe modelled water systemdistrubution plans，provided an optimal solution for both heat exchange efficiency and equipment bearingpressure.

superhigh-risebuilding； air-conditioning； watersystem； underpressure

TU831.3

B

2095-3429（2016）03-0070-04

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2016.03.017

2016-04-05

周 瑋（1984-），男，北京人，碩士研究生，工程師，主要從事暖通設(shè)計(jì)工作；

李 順（1979-），男，天津人，本科，高級(jí)工程師。