高層建筑暖通設(shè)計(jì)中的若干問(wèn)題探討

韓 曉 鳳

(北京中元工程設(shè)計(jì)顧問(wèn)有限公司，北京 100048)

高層建筑暖通設(shè)計(jì)中的若干問(wèn)題探討

韓 曉 鳳

(北京中元工程設(shè)計(jì)顧問(wèn)有限公司，北京 100048)

結(jié)合工作經(jīng)驗(yàn)，從負(fù)荷計(jì)算、水系統(tǒng)分區(qū)、設(shè)備承壓能力、防排煙等方面，分析了高層建筑暖通設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題，并探討了各種問(wèn)題的解決方案，有利于確保高層建筑暖通設(shè)計(jì)的合理性與經(jīng)濟(jì)性。

高層建筑，系統(tǒng)分區(qū)，循環(huán)水泵，排煙設(shè)計(jì)

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，新技術(shù)、新材料、新設(shè)備的不斷涌現(xiàn)，城市里的高層建筑越來(lái)越多，高層建筑設(shè)計(jì)也受到越來(lái)越多的挑戰(zhàn)。本文就暖通專業(yè)在設(shè)計(jì)過(guò)程中常遇到的問(wèn)題提出疑問(wèn)并展開討論。

1 負(fù)荷計(jì)算時(shí)的風(fēng)力附加問(wèn)題

一棟建筑物內(nèi)部是否舒適與其室內(nèi)溫度有很大關(guān)系，舒適的室內(nèi)溫度是根據(jù)建筑物的特性，人員的舒適度及節(jié)能的角度考慮而制定的規(guī)范規(guī)定的設(shè)計(jì)溫度，建筑負(fù)荷即是為保證室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度產(chǎn)生的。建筑物的冷熱負(fù)荷即建筑物的耗熱量的構(gòu)成有很多種，構(gòu)成熱負(fù)荷的首先是建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)的耗熱量，包括基本耗熱量和附加耗熱量，其次是門窗縫隙滲透的冷風(fēng)耗熱量，還有外門開啟的冷空氣耗熱量、通風(fēng)耗熱量及其他途徑獲得或散失的耗熱量。構(gòu)成冷負(fù)荷的除了圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱量占較小比例外，大部分的熱量來(lái)自太陽(yáng)輻射的熱量和人體的散熱量，還包括照明和設(shè)備散熱量以及餐飲建筑中食品散熱量。

本節(jié)主要討論圍護(hù)結(jié)構(gòu)附加耗熱量計(jì)算時(shí)應(yīng)該注意的問(wèn)題。根據(jù)《實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)》附加耗熱量計(jì)算公式Q1=Qj(1+βch+βf+βlang+βm)(1+βfg)(1+βjan)知道，各項(xiàng)修正項(xiàng)目如：朝向修正、風(fēng)力修正、兩面外墻修正、窗墻面積比過(guò)大修正、房高修正及間歇修正均以直接附加的方式計(jì)入附加耗熱量，而表5.1-4中出現(xiàn)的高層建筑外窗的風(fēng)力修正βgc并未在公式中得到體現(xiàn)，而是如備注欄中所說(shuō)(1+βgc)乘以K上。

這是在高層建筑設(shè)計(jì)負(fù)荷計(jì)算中容易被忽略的一項(xiàng)，設(shè)計(jì)者在計(jì)算附加耗熱量時(shí)直接套用公式5.1-3，而對(duì)βgc卻往往理解不夠造成遺漏。此表中的風(fēng)力修正值βgc與建筑高度及冬季室外最多風(fēng)向的平均風(fēng)速有關(guān)，按照公式Vh=(0.53～0.63)h0.2Vo,Vh為h的單值函數(shù)，隨著h的變化而變化。以北京為例，取0.53的大城市系數(shù)，查《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄A得知北京冬季室外最多風(fēng)向的平均風(fēng)速為4.7 m/s,此時(shí)公式可以寫為Vh=0.53h0.24.7=2.49h0.2，對(duì)于高層建筑，當(dāng)外窗使用雙層塑料窗K=2.4時(shí)，計(jì)算Vh<5 m/s時(shí)不進(jìn)行修正，當(dāng)計(jì)算的Vh達(dá)到5 m/s時(shí)對(duì)19層～30層的外窗耗熱量進(jìn)行傳熱系數(shù)的修正，修正率βgc=0.03，當(dāng)計(jì)算的Vh達(dá)到6 m/s時(shí)，8層～21層的外窗傳熱系數(shù)修正率βgc=0.03，22層～30層的外窗傳熱系數(shù)修正率為0.04，說(shuō)明室外風(fēng)速越大層數(shù)越高，通過(guò)外窗的圍護(hù)結(jié)構(gòu)耗熱量越大，修正系數(shù)也越大。

當(dāng)高層建筑越來(lái)越多，體積越來(lái)越大，計(jì)算的數(shù)據(jù)越來(lái)越龐大，任務(wù)越來(lái)越繁重的情況下，我們必須依賴軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，筆者在對(duì)多種軟件計(jì)算過(guò)程輸入的繁簡(jiǎn)程度及計(jì)算結(jié)果的可靠程度進(jìn)行對(duì)比后，發(fā)現(xiàn)浩辰負(fù)荷計(jì)算軟件在計(jì)算外窗耗熱量時(shí)對(duì)高層建筑外窗的傳熱系數(shù)進(jìn)行了風(fēng)力附加修正，只需要根據(jù)《實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)》表5.1-4在右側(cè)下拉三角中進(jìn)行選擇即可，方便快捷。

2 高層建筑中系統(tǒng)分區(qū)及機(jī)組的承壓?jiǎn)栴}

在多層建筑和大多數(shù)高層建筑中，冷熱源設(shè)備通常布置在地下層的設(shè)備機(jī)房?jī)?nèi)，當(dāng)系統(tǒng)靜水壓力大于1.0 MPa時(shí)，布置在地下層的設(shè)備會(huì)承受較高的壓力，往往超過(guò)機(jī)組本身所能承受的工作壓力，這時(shí)通常會(huì)采取下列方法來(lái)降低設(shè)備的承壓。

2.1 對(duì)水系統(tǒng)進(jìn)行豎向分區(qū)

在技術(shù)設(shè)備層內(nèi)布置水—水換熱器，使靜水壓力分段承受。這種供水模式是系統(tǒng)靜水壓力超過(guò)1.0 MPa的高層建筑最常采用的方式，整個(gè)空調(diào)水系統(tǒng)以設(shè)備層為界線自然分為高低兩個(gè)區(qū)域，低區(qū)系統(tǒng)由設(shè)置在建筑地下層的冷熱水機(jī)組直接供給，高區(qū)系統(tǒng)由設(shè)置在設(shè)備層(轉(zhuǎn)換層)的水—水換熱器提供。水—水換熱器一次水由冷熱源機(jī)組供給，供給高區(qū)的二次水經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換水溫會(huì)升高。設(shè)計(jì)中通常采用如下水溫：冷水一次水溫7 ℃～12 ℃，二次水溫9 ℃～14 ℃，熱水一次水溫60 ℃～50 ℃，二次水溫55 ℃～45 ℃。此時(shí)要注意由于二次水溫升高引起的熱效率下降問(wèn)題，故末端設(shè)備選型時(shí)換熱面積要加大20%。

2.2 水系統(tǒng)不分區(qū)，解決機(jī)組承壓?jiǎn)栴}

1)在帶裙房的高層建筑中，將冷熱源設(shè)備布置在塔樓外裙房的頂層設(shè)備機(jī)房?jī)?nèi)，冷卻塔設(shè)在裙房屋頂上。這種做法理論上可以減少機(jī)組設(shè)備的承壓，但犧牲的是商業(yè)的面積且存在機(jī)房樓板承重加固問(wèn)題，往往較少采用。

2)建筑物不帶裙房，將冷熱源設(shè)備布置在塔樓中間的設(shè)備層內(nèi)。在設(shè)備層布置機(jī)房時(shí)，由于設(shè)備層層高較低加上結(jié)構(gòu)梁板等因素使得空間高度不足，因此設(shè)備及管路布置較為復(fù)雜，運(yùn)行維修也比較困難。

3)冷熱源設(shè)備布置在塔樓的頂層。在超高層建筑中有時(shí)會(huì)采用這種辦法，但當(dāng)所有設(shè)備集中放置在頂層時(shí)需要注意樓板梁柱的承重、設(shè)備的隔震及噪聲處理問(wèn)題。

4)當(dāng)高區(qū)超過(guò)設(shè)備承壓能力部分的負(fù)荷不太大時(shí)，上部幾層可以單獨(dú)處理，如采用自帶冷源的單元式空調(diào)器。當(dāng)建筑高度達(dá)到100 m，雖然采用了系統(tǒng)分區(qū)的方法，在設(shè)備層布置了熱交換器，但高區(qū)部分壓力仍然超過(guò)設(shè)備承壓能力，這時(shí)可以將上部幾層與整個(gè)系統(tǒng)分開，冷熱負(fù)荷單獨(dú)計(jì)算，系統(tǒng)形式可以是VRV或風(fēng)冷熱泵等模式。

高層建筑空調(diào)水系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，除了上述方法可降低設(shè)備承壓外還可以采用加強(qiáng)型機(jī)組的方式。我們常使用的制冷機(jī)組有壓縮式制冷機(jī)組和吸收式制冷機(jī)組，普通制冷機(jī)組承壓能力為1.0 MPa，加強(qiáng)型制冷機(jī)組承壓能力為1.7 MPa。事實(shí)上采用高承壓機(jī)組可以減少設(shè)備層對(duì)建筑外立面的影響，不占用地上建筑的有效面積，不失為一種理想選擇，對(duì)設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)具體選擇何種方法除了應(yīng)進(jìn)行技術(shù)分析外還應(yīng)做經(jīng)濟(jì)分析，包括初投資和運(yùn)行費(fèi)用的對(duì)比分析。

3 高層建筑中循環(huán)水泵安裝位置問(wèn)題

上面討論的是高層建筑中，系統(tǒng)靜水壓力Ps>1.0 MPa時(shí)，水系統(tǒng)應(yīng)豎向分區(qū)，當(dāng)系統(tǒng)靜水壓力Ps≤1.0 MPa時(shí)，冷水機(jī)組可集中布置在地下室，水系統(tǒng)可不進(jìn)行豎向分區(qū)，但必須要保證系統(tǒng)壓力不大于冷水機(jī)組、末端設(shè)備、水泵及管道部件的承壓能力。

應(yīng)用在高層建筑中的循環(huán)水泵，必須考慮泵體能承受的靜水壓力，并提出對(duì)水泵的承壓要求。水系統(tǒng)的最高壓力點(diǎn)位于水泵出口處，對(duì)于多層建筑和一般高層建筑，為避免氣蝕現(xiàn)象發(fā)生，減少機(jī)組承受壓力，冷水循環(huán)水泵宜安裝在冷水機(jī)組進(jìn)水端。當(dāng)冷水機(jī)組進(jìn)水端承壓能力大于冷水機(jī)組自身的承壓能力，但系統(tǒng)靜水壓力(包括機(jī)組所在地下層建筑高度)小于冷水機(jī)組的承壓能力時(shí)，可將冷水循環(huán)水泵安裝在冷水機(jī)組的出水端。

4 高層建筑中防排煙設(shè)計(jì)

4.1 機(jī)械加壓防煙送風(fēng)量與壓頭計(jì)算

根據(jù)GB 50016—2014建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范，建筑的下列場(chǎng)所或部位應(yīng)設(shè)置防煙設(shè)施：防煙樓梯間及其前室、消防電梯間前室或合用前室、避難走道的前室、避難層(間)。與GB 50045—95高層民用建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范版相比，在防排煙設(shè)施一節(jié)條文做了較大的修改，但從其條文說(shuō)明中可以看出，在高層建筑防排煙設(shè)計(jì)中采用無(wú)實(shí)驗(yàn)?zāi)M或更規(guī)范有效的防煙設(shè)施時(shí)，仍然需要采用加壓送風(fēng)設(shè)施來(lái)達(dá)到排除煙氣的目的。其加壓送風(fēng)量的計(jì)算方法通常有兩種：1)壓差法；2)風(fēng)速法。下面用工程實(shí)例來(lái)驗(yàn)證兩種計(jì)算方法。

某高層辦公建筑共30層，樓高90 m，防煙樓梯間及前室需要分別加壓送風(fēng)，樓梯間通往前室的疏散門與前室通往走道的疏散門均為2 m×1.6 m,電梯門2 m×1.8 m(不算出入口)。 前室維持正壓25 Pa。現(xiàn)計(jì)算前室所需的加壓送風(fēng)量(前室采用常閉型加壓送風(fēng)口，火災(zāi)時(shí)開啟著火層及上下相鄰兩層風(fēng)口)。

采用壓差法：

LY=0.827AΔP1/b×3 600×1.25=0.827×

(0.04+0.06)×3×251/2×3 600×1.25=5 582.25 m3/h。

采用風(fēng)速法：

3 600=36 288m3/h。

其中，風(fēng)速按0.7m/s計(jì)算。

由此可以看出，采用風(fēng)速法計(jì)算出的風(fēng)量比壓差法計(jì)算出的風(fēng)量大很多，故我們通常采用的是風(fēng)速法。然而采用風(fēng)速法計(jì)算時(shí)，其計(jì)算結(jié)果跟開啟門洞處的平均風(fēng)速及背壓系數(shù)有很大關(guān)系，就上面例子來(lái)說(shuō)，當(dāng)平均風(fēng)速取上限1.2m/s背壓系數(shù)取下限0.6時(shí)，計(jì)算送風(fēng)量為79 488m3/h，當(dāng)平均風(fēng)速取下限0.7m/s，背壓系數(shù)取上限1.0時(shí)，計(jì)算送風(fēng)量為27 820m3/h，結(jié)果相差2.9倍，如此大的差異給送風(fēng)機(jī)的選擇帶來(lái)難度。那么究竟該如何選擇背壓系數(shù)和平均風(fēng)速，背壓系數(shù)是由于加壓空氣的進(jìn)入，使得室內(nèi)空氣的壓力有所上升，相對(duì)于加壓空氣出現(xiàn)了背壓作用。背壓系數(shù)與空氣滲出條件有關(guān)，當(dāng)走道采用自然排煙時(shí)，背壓系數(shù)取0.6；當(dāng)走道采用機(jī)械排煙時(shí)，背壓系數(shù)取0.8。門洞斷面風(fēng)速是阻止煙氣通過(guò)正在開啟的疏散門進(jìn)入疏散通道，其數(shù)值與火災(zāi)發(fā)熱量的大小密切相關(guān)。在設(shè)有自動(dòng)噴淋系統(tǒng)的高層建筑中，由于煙氣被噴水所冷卻，斷面風(fēng)速可減少到0.25m/s～1.25m/s，根據(jù)《實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)》描述“開啟門時(shí)，對(duì)前室或合用前室通過(guò)與走道之間的門的風(fēng)速不應(yīng)小于0.7m/s”，因此我們通常會(huì)在0.7～1.2范圍內(nèi)選取。然后把計(jì)算出的數(shù)值與《實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)》中表13.4-4作對(duì)比，選取合理的風(fēng)速。就上面的例子中，門洞斷面風(fēng)速取0.7m/s，背壓系數(shù)取0.8，采用土建風(fēng)道漏風(fēng)率取0.2。這樣計(jì)算的加壓送風(fēng)量為36 288m3/h。表13.4-4中合用前室風(fēng)量18 000m3/h～22 000m3/h乘以1.75系數(shù)后為31 500m3/h～38 500m3/h，與計(jì)算數(shù)值相符，說(shuō)明使用該計(jì)算法正確。

在計(jì)算加壓送風(fēng)機(jī)壓頭時(shí)，規(guī)范和手冊(cè)并沒(méi)有給出統(tǒng)一的計(jì)算方法，只是說(shuō)要經(jīng)計(jì)算確定，在實(shí)際工程中，有的因所選風(fēng)機(jī)壓頭太小導(dǎo)致前室無(wú)法保證25Pa或50Pa正壓，有的則盡管風(fēng)機(jī)壓頭很高，最上層已經(jīng)超壓而下層依然處于“無(wú)風(fēng)”狀態(tài)。仔細(xì)分析其原因不難發(fā)現(xiàn)問(wèn)題所在，而工程中所謂的風(fēng)機(jī)壓頭經(jīng)驗(yàn)值并不可靠。風(fēng)機(jī)壓頭太小是由于忽略了混凝土風(fēng)道的比摩阻要比鋼板風(fēng)管大得多，常常會(huì)有設(shè)計(jì)者認(rèn)為盡管混凝土風(fēng)道內(nèi)壁不光滑容易漏風(fēng)，但完全可以靠面積擴(kuò)大部分來(lái)抵，此種說(shuō)法本身并不錯(cuò)，在常規(guī)通風(fēng)排煙設(shè)計(jì)中確實(shí)可以借擴(kuò)大風(fēng)道來(lái)抵消風(fēng)道沿程阻力，但對(duì)于前室，這種方法并不總是行的通。建筑師設(shè)計(jì)時(shí)，為保證前室面積往往會(huì)壓縮風(fēng)道面積，使得加壓風(fēng)道內(nèi)風(fēng)速較高而阻力較大，這時(shí)就需要通過(guò)計(jì)算或查《實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)》表11.2-2來(lái)獲得精確的風(fēng)管阻力值。至于有些風(fēng)機(jī)壓頭很高卻下層無(wú)風(fēng)則是由局部阻力太大引起的。目前工程中，為了前室美觀，加壓送風(fēng)口前端外沿都是貼豎井外壁安裝的，送風(fēng)口厚度275，一般土建豎井壁厚200～240，即風(fēng)口尾端在豎井內(nèi)會(huì)凸出35mm～75mm，形成了局部阻力，在風(fēng)速高的情況下，局部阻力層層疊加導(dǎo)致上層風(fēng)口壓頭很大而越往下越不足的情況。

為保證均勻送風(fēng)，風(fēng)道內(nèi)靜壓要大動(dòng)壓要小，這就需要有足夠的斷面面積，同時(shí)要保證風(fēng)道斷面長(zhǎng)寬比不能小于1/4，否則風(fēng)道內(nèi)容易出現(xiàn)渦流區(qū)，使得風(fēng)道內(nèi)一邊呈正壓一邊呈負(fù)壓。風(fēng)機(jī)全壓計(jì)算一定要滿足最遠(yuǎn)端的阻力及前室壓頭，而對(duì)于靠近風(fēng)機(jī)部位的近端前室，其管道局部阻力、沿程阻力變小，必然會(huì)導(dǎo)致前室超壓。送風(fēng)口開啟的那一瞬間，管道阻力曲線由陡變緩變平，風(fēng)機(jī)曲線與管道曲線的交點(diǎn)下移，必然是風(fēng)量增大，風(fēng)壓減小，導(dǎo)致前室的送風(fēng)口風(fēng)量大于計(jì)算值，也是形成超壓的另一說(shuō)法。

4.2 中庭排煙設(shè)計(jì)

中庭在高層建筑中比較常見(jiàn)，有關(guān)中庭的排煙在我國(guó)《高層民用建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》中也有明確的規(guī)定，即按照換氣次數(shù)來(lái)計(jì)算排煙量，中庭體積不大于1.7萬(wàn)m3時(shí)換氣次數(shù)為6次/h；體積大于1.7萬(wàn)m3時(shí)換氣次數(shù)為4次/h，但最小排煙量不小于10.2萬(wàn)m3/h。由于國(guó)內(nèi)尚無(wú)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及理論依據(jù)，此計(jì)算采用了國(guó)外一些資料，但有一些資料認(rèn)為此計(jì)算方法并不可靠，日本規(guī)定中庭排煙量按20次換氣次數(shù)計(jì)算，兩者相差3倍之多。從一些設(shè)計(jì)資料中看到國(guó)外有幾種其他計(jì)算方法。

1)按中庭占地面面積計(jì)算排煙量。面積小于500 m2也應(yīng)按負(fù)擔(dān)兩個(gè)以上防煙分區(qū)處理，即按每平方米120 m3/h計(jì)算。事實(shí)上，中庭本身(除底層地面外)并不產(chǎn)生煙氣，它的煙氣來(lái)源于地面層或走廊失火層，由于走廊具備排煙系統(tǒng)，大部分煙氣可通過(guò)走道排煙系統(tǒng)排出，理論上逸入中庭的煙氣量并不大，所以按照中庭地面面積每平方米120 m3/h計(jì)算排煙量是有理由的。

2)以200 m3/s風(fēng)量選擇風(fēng)機(jī)。此方法沒(méi)有說(shuō)明建筑物的高度，容積，地區(qū)等，凡是中庭均按此數(shù)值選擇風(fēng)機(jī)。實(shí)際上該方法至少在國(guó)內(nèi)高層建筑中是行不通的，按照200 m3/s風(fēng)量計(jì)算排煙量，每小時(shí)風(fēng)量便是720 000 m3，選擇7.2萬(wàn)m3/h的大型風(fēng)機(jī)10臺(tái)，機(jī)房面積100 m2，進(jìn)排風(fēng)口面積也很大，按照進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速1 m/s計(jì)算，進(jìn)風(fēng)口面積要200 m2，當(dāng)進(jìn)風(fēng)口設(shè)在1層時(shí)，建筑立面設(shè)計(jì)很難處理，這對(duì)建筑師是不能接受的。

因此，在中庭排煙設(shè)計(jì)中采用何種辦法需要各專業(yè)密切配合，展開專家討論尋找可靠的理論依據(jù)確定最佳方案。

以上幾點(diǎn)是筆者在工程設(shè)計(jì)過(guò)程中經(jīng)常遇到的問(wèn)題，并隨手所做的筆記，高層建筑設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)各自工程特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并不存在統(tǒng)一的系統(tǒng)方案，且由于需求差異導(dǎo)致設(shè)計(jì)中難免存在諸多問(wèn)題需要通過(guò)各專業(yè)間的討論和高度配合方可為客戶提供合理的暖通解決方案，這正是我們?cè)O(shè)計(jì)需要不斷學(xué)習(xí)的原因。

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

[2] 劉天川.超高層建筑空調(diào)設(shè)計(jì)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2004：98-99.

Discussion on some problems in high-rise building HVAC design

Han Xiaofeng

(BeijingZhongyuanEngineeringDesignConsultingLimitedCompany,Beijing100048,China)

Combining with the work experience, from the load calculation, water system partition, equipment bearing capacity, smoke control and exhaust and other aspects, this paper analyzed the existing problems in high-rise building HVAC design, and discussed the solutions to various problems, helpful to ensure the rationality and economy of high-rise building HVAC design.

high-rise building, system partition, circulating water pump, smoke exhaust design

1009-6825(2017)05-0158-03

2016-12-04

韓曉鳳(1974- )，女，工程師

TU832

A