高層建筑中的暖通空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計探究

蔣曉東 顧晨

（沈陽天華建筑設(shè)計有限公司，遼寧 沈陽 110011）

引言

隨著社會的不斷發(fā)展和進(jìn)步，尤其是近些年城市化的快速推進(jìn)，高層建筑逐漸成為城市中的主要建筑形式。暖通空調(diào)系統(tǒng)作為高層建筑中的重要組成部分，其使用的舒適性和設(shè)計的合理性越來越受到人們的重視，因此在設(shè)計中應(yīng)根據(jù)建筑的類型，使用特點(diǎn)，安全要求等方面綜合確定系統(tǒng)形式。有關(guān)統(tǒng)計資料顯示，高層建筑中暖通空調(diào)系統(tǒng)的能耗占建筑總能耗的40%～60%，因此如何降低其運(yùn)行能耗也是設(shè)計中需要思考的問題。

一、高層建筑供暖系統(tǒng)

供暖熱負(fù)荷計算特點(diǎn)：同多層建筑物的熱負(fù)荷的計算相比，高層建筑由于建筑物高度的增加，冷風(fēng)滲透耗熱量的計算應(yīng)同時考慮風(fēng)壓及熱壓的聯(lián)合作用。熱壓的作用不可忽視，其根本原因是建筑物內(nèi)外溫度的不同會導(dǎo)致空氣密度差，室外空氣從底層一些樓層的門窗縫隙進(jìn)入，通過建筑物內(nèi)部的樓梯間等豎直貫通通道上升，經(jīng)過建筑物上層的門窗縫隙排出，這部分冷風(fēng)滲透形成的熱負(fù)荷是不可忽略的。

供暖系統(tǒng)形式：由于高層建筑熱水供暖系統(tǒng)的水靜壓力較大，且建筑層數(shù)較多，易產(chǎn)生系統(tǒng)垂直失調(diào)等問題，故系統(tǒng)的選擇需要根據(jù)設(shè)備的承壓能力、經(jīng)濟(jì)性及使用要求等因素綜合比較后確定。目前國內(nèi)高層建筑熱水供暖系統(tǒng)有以下幾種：（1）分層式供暖系統(tǒng)，分區(qū)高度主要由散熱器的承壓能力、系統(tǒng)管材附件的材質(zhì)性能以及系統(tǒng)的水力工況特性決定，是目前最常用的供暖系統(tǒng)形式之一；（2）雙線式系統(tǒng)（有垂直式和水平式兩種形式），對于高層建筑，這種系統(tǒng)形式有利于避免系統(tǒng)的垂直失調(diào)；（3）單雙管混合式系統(tǒng)，這種系統(tǒng)的特點(diǎn)是既避免了雙管系統(tǒng)在樓層數(shù)過多時出現(xiàn)的嚴(yán)重豎向失調(diào)現(xiàn)象，同時又能避免散熱器支管管徑過粗的缺點(diǎn)，而且散熱器還能進(jìn)行局部調(diào)節(jié)。散熱器和輻射供暖系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置恒溫控制閥等根據(jù)室溫設(shè)定值自動調(diào)節(jié)的裝置，恒溫控制閥具有感受室內(nèi)溫度變化并根據(jù)設(shè)定的室內(nèi)溫度對系統(tǒng)流量進(jìn)行自力式調(diào)節(jié)的特性，有效利用室內(nèi)自由熱從而達(dá)到節(jié)省室內(nèi)供熱量的目的。

另外在高層建筑供暖設(shè)計中需要注意的是，集中供暖的新建建筑和既有建筑節(jié)能改造必須設(shè)置熱量計量裝置并具備室溫調(diào)控功能，用于熱量結(jié)算的熱量計量裝置必須采用熱量表。在滿足國家和地方規(guī)范的前提下，設(shè)計中還需要了解項目當(dāng)?shù)氐墓岵块T的要求和其提供的熱媒參數(shù)以及當(dāng)?shù)氐囊恍┝?xí)慣做法等。

二、高層建筑空調(diào)系統(tǒng)

（一）風(fēng)機(jī)盤管加新風(fēng)系統(tǒng)

作為目前我國高層民用建筑中最為普遍的一種空調(diào)方式，它以投資少，占用空間小和使用靈活等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于各類建筑中。室內(nèi)的風(fēng)機(jī)盤管對回風(fēng)進(jìn)行處理，而新風(fēng)通常由新風(fēng)機(jī)組集中處理后通過新風(fēng)管道送入室內(nèi)，房間的冷負(fù)荷和濕負(fù)荷由風(fēng)機(jī)盤管和新風(fēng)共同承擔(dān)。與集中式空調(diào)系統(tǒng)相比，它可以進(jìn)行局部區(qū)域溫度控制，各空調(diào)房間互不干擾，獨(dú)立調(diào)節(jié)室溫并可隨時根據(jù)需要開啟或停運(yùn)機(jī)組，節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用，靈活性比較大，節(jié)能效果好。風(fēng)機(jī)盤管結(jié)構(gòu)緊湊，體積較小，布置比較靈活，對空間有限的建筑較為適用，對于建筑的改擴(kuò)建和空間重新分割也易于實(shí)現(xiàn)。同時風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)也有一些顯著的缺點(diǎn)，由于所有空調(diào)房間均設(shè)有風(fēng)機(jī)盤管，數(shù)量較多且布置分散，導(dǎo)致系統(tǒng)的檢修和日常維護(hù)的工作量較大，且水系統(tǒng)復(fù)雜，易產(chǎn)生水管泄露或凝結(jié)水，影響建筑正常使用。另外機(jī)組壓頭較小，室內(nèi)氣流分布受限制。因此風(fēng)機(jī)盤管加新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)一般用于旅館、公寓、醫(yī)院、辦公樓等建筑中。

（二）定風(fēng)量全空氣系統(tǒng)

工程中最常用、最基本的空調(diào)系統(tǒng)，被廣泛應(yīng)用于舒適性或工藝性的各類空調(diào)工程中。常用的有一次回風(fēng)系統(tǒng)和二次回風(fēng)系統(tǒng)。對于有恒溫恒濕或潔凈要求的工藝性空調(diào)，由于對室內(nèi)溫濕度等參數(shù)要求較嚴(yán)格，應(yīng)采用二次回風(fēng)系統(tǒng)。而對于普通場所的舒適性空調(diào)，允許采用較大送風(fēng)溫差，一般采用一次回風(fēng)系統(tǒng)。全空氣系統(tǒng)具有設(shè)備簡單，初投資小、維護(hù)管理方便、易改變新回風(fēng)比例，過渡季可實(shí)現(xiàn)全新風(fēng)送風(fēng)，全年多工況節(jié)能運(yùn)行，經(jīng)濟(jì)性好、可嚴(yán)格控制室內(nèi)溫度和相對濕度等優(yōu)點(diǎn)，但此系統(tǒng)機(jī)房面積、送回風(fēng)風(fēng)管尺寸較大，負(fù)擔(dān)多個房間時，各房間負(fù)荷變化不一致，無法精準(zhǔn)調(diào)節(jié)。因此多應(yīng)用于大空間場所。

（三）變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)

高層建筑中應(yīng)用變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)，可以有效減小能耗、降低噪聲。它具有如下特點(diǎn)：相較于風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)的多檔開關(guān)分段調(diào)節(jié)，變風(fēng)量系統(tǒng)可以進(jìn)行線性調(diào)節(jié)，因而變風(fēng)量系統(tǒng)比風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)更節(jié)省能量；變風(fēng)量系統(tǒng)在各分支末端可進(jìn)行量調(diào)節(jié)，以滿足建筑不同朝向的負(fù)荷變化，既可以節(jié)省空調(diào)機(jī)組冷量，又可以降低風(fēng)機(jī)耗功率，因此更加節(jié)能；變風(fēng)量系統(tǒng)在過渡季時可以利用新風(fēng)自然冷源解決過渡季空調(diào)問題；變風(fēng)量系統(tǒng)進(jìn)入室內(nèi)末端裝置由軟管連接，吊頂內(nèi)無需設(shè)置冷、熱水管及凝結(jié)水管，因此棚上不會產(chǎn)生滴水現(xiàn)象；送、回風(fēng)口設(shè)置靈活，便于客戶進(jìn)行室內(nèi)二次重新裝修。變風(fēng)量系統(tǒng)設(shè)備初投資較高，控制也比較復(fù)雜，對系統(tǒng)設(shè)計和施工調(diào)試有較高要求。

（四）多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)

與上述系統(tǒng)相比，多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)具有安裝維修簡單、使用管理方便、控制系統(tǒng)靈活多樣、部分負(fù)荷能效比高等特點(diǎn)，因此多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)在高層建筑中的應(yīng)用逐漸增加。但是在設(shè)計選型中需要注意盡量避免系統(tǒng)過大，室內(nèi)機(jī)與室外機(jī)之間的配管長度不宜過長，以減少冷熱量的衰減；室外機(jī)集中擺放時不應(yīng)過于集中，避免造成氣流短路；在高層住宅中，由于每層室外機(jī)位置相同，若機(jī)組放在凹槽等不易直接排出熱空氣的位置時，下層機(jī)組排出的熱氣流會在熱壓的作用下上升，部分被上層的機(jī)組吸入，使其工作環(huán)境溫度升高，同時熱氣流與上層機(jī)組排出的熱空氣混合，逐層向上，若層數(shù)過多，將形成較大的溫度梯度，在熱壓的作用下最終導(dǎo)致上層機(jī)組的工作環(huán)境溫度過高，制冷效率下降，嚴(yán)重時甚至?xí)?dǎo)致機(jī)組過熱停機(jī)，因此多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)應(yīng)避免因室外機(jī)位置擺放不合理或通風(fēng)百葉遮擋系數(shù)過高而導(dǎo)致吸氣溫度過高造成機(jī)組保護(hù)停機(jī)等問題，必要時可用CFD 工具進(jìn)行氣流組織模擬，以確保方案的可行性。

三、高層建筑防排煙系統(tǒng)的設(shè)計要點(diǎn)

建筑防煙、排煙設(shè)計是建筑防火設(shè)計中的重要組成部分，國內(nèi)外的多次火災(zāi)表明，火災(zāi)中產(chǎn)生的煙氣具有遮光性、毒性和高溫特性，從而成為造成火災(zāi)人員傷亡和重大財產(chǎn)損失的最主要因素。而一個優(yōu)良的排煙系統(tǒng)在火災(zāi)時能排出80%的熱量，因此為確保人員的安全疏散、消防撲救的順利進(jìn)行及有效保護(hù)消防救援人員的安全，組織合理的煙氣氣流、建立科學(xué)有效的煙氣控制設(shè)施十分必要。

高層建筑由于火災(zāi)時造成的危害較大，疏散和救援難度也相對困難，因此防排煙系統(tǒng)的設(shè)置原則也更加嚴(yán)格。當(dāng)建筑物發(fā)生火災(zāi)時，疏散樓梯間是建筑物內(nèi)部人員疏散的通道，同時，前室、合用前室是消防隊員進(jìn)行火災(zāi)撲救的起始場所。因此在火災(zāi)時首要的就是控制煙氣進(jìn)入上述安全區(qū)域。對于高度較高的建筑，其自然通風(fēng)效果受建筑本身的密閉性以及自然環(huán)境中風(fēng)向、風(fēng)壓的影響較大，難以保證防煙效果，所以根據(jù)《建筑防煙排煙系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定，建筑高度大于50m 的公共建筑、工業(yè)建筑和建筑高度大于100m 的住宅建筑，其防煙樓梯間、獨(dú)立前室、共用前室、合用前室及消防電梯前室應(yīng)采用機(jī)械加壓送風(fēng)系統(tǒng)。對于設(shè)置避難層（間）的建筑，應(yīng)根據(jù)避難層（間）的布置合理選擇防煙設(shè)施，以確保其不受上下層煙氣的侵襲，保證人員的安全疏散。為了提高排煙系統(tǒng)的可靠性，及時排出煙氣，防止排煙系統(tǒng)因負(fù)擔(dān)樓層數(shù)太多或豎向高度過高而失效，規(guī)范同時規(guī)定建筑高度超過50m 的公共建筑和建筑高度超過100m 的住宅，其排煙系統(tǒng)應(yīng)豎向分段獨(dú)立設(shè)置，且公共建筑每段高度不應(yīng)超過50m，住宅建筑每段高度不應(yīng)超過100m。由于高溫?zé)煔馍细〉奶匦?，為保證煙氣順利排出室外，排煙風(fēng)機(jī)宜設(shè)置在系統(tǒng)的最高處，同時與加壓送風(fēng)系統(tǒng)的進(jìn)風(fēng)口和自然通風(fēng)的樓梯間、前室的外窗或開口保持一定距離。

四、高層建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能措施

（一）空調(diào)系統(tǒng)

提高空調(diào)系統(tǒng)的自動化控制水平，是高層建筑空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能的關(guān)鍵，將系統(tǒng)加入樓宇自控系統(tǒng)，在保證舒適性的前提下，對建筑內(nèi)的空調(diào)系統(tǒng)及通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行集中監(jiān)控和自動控制，可以有效節(jié)省空調(diào)系統(tǒng)的能耗。對于單層建筑面積較大的建筑，外區(qū)受到圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱的影響導(dǎo)致空調(diào)負(fù)荷變化幅度較大，一般夏季需要供冷而在冬季需要供暖，內(nèi)區(qū)空調(diào)負(fù)荷則主要來源于人體、照明、設(shè)備等，因此變化較小，夏季需要供冷，而在冬季可能不但不需要供暖，甚至需要供冷，為了實(shí)現(xiàn)節(jié)能運(yùn)行，在空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計中應(yīng)考慮系統(tǒng)分區(qū)問題，各系統(tǒng)分區(qū)應(yīng)滿足負(fù)荷變化及調(diào)節(jié)的需要，以減少能耗，節(jié)省空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用。溫濕度獨(dú)立調(diào)節(jié)的空調(diào)系統(tǒng)相比于常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)也更加節(jié)能，其核心是把溫度和濕度兩個參數(shù)的控制由原來常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)的一個處理手段改為兩個處理手段，即通過新風(fēng)除濕來控制室內(nèi)濕度，高溫冷水（16～18℃）降溫控制室內(nèi)溫度。該方法能顯著提高室內(nèi)溫濕度的控制精度，使空調(diào)系統(tǒng)的綜合能效比得到進(jìn)一步提高，達(dá)到節(jié)能、舒適，提高空氣潔凈度的目的。

（二）通風(fēng)系統(tǒng)

在VRV 等空調(diào)系統(tǒng)中，可以選擇全熱交換器進(jìn)行熱回收。它是一種高效節(jié)能的熱回收裝置，通過回收排風(fēng)中的余熱對室外新風(fēng)進(jìn)行預(yù)熱或預(yù)冷，在新風(fēng)進(jìn)入室內(nèi)或空調(diào)機(jī)組的表冷器進(jìn)行熱濕處理之前，降低（增加）新風(fēng)焓值?？梢杂行Ы档涂照{(diào)系統(tǒng)的負(fù)荷，既可以節(jié)省空調(diào)系統(tǒng)能耗和運(yùn)行費(fèi)用，又有效解決了提高室內(nèi)空氣品質(zhì)與空調(diào)節(jié)能之間的矛盾，其回收效率可達(dá)70%～90%；在人員密度相對較大且變化較大的房間，如果一直按照設(shè)計的較大人員密度供應(yīng)新風(fēng)，將浪費(fèi)較多的新風(fēng)處理負(fù)荷，在室內(nèi)設(shè)置二氧化碳濃度傳感器，測量室內(nèi)CO2 含量，根據(jù)室內(nèi)CO2 濃度檢測值進(jìn)行送入室內(nèi)新風(fēng)量的控制，能夠有效減少空調(diào)系統(tǒng)的新風(fēng)處理負(fù)荷，達(dá)到節(jié)約系統(tǒng)能耗的目的。在地下車庫的排風(fēng)系統(tǒng)中，應(yīng)設(shè)置與排風(fēng)系統(tǒng)聯(lián)動的一氧化碳濃度探測設(shè)備，通過CO 濃度的監(jiān)測來控制通風(fēng)設(shè)備的運(yùn)行，以節(jié)約設(shè)備運(yùn)行能耗。

五、結(jié)語

在社會快速發(fā)展的當(dāng)下，人們對室內(nèi)空氣品質(zhì)的要求越來越高，高層建筑中暖通空調(diào)系統(tǒng)的舒適性和運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性是建筑的使用效果的重要因素之一。在工程設(shè)計中應(yīng)根據(jù)建筑特點(diǎn)、使用要求等因素選擇更加合理、節(jié)約的暖通空調(diào)系統(tǒng)形式，提高系統(tǒng)的安全性和可靠性。