超高層建筑項目暖通空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計分析

常 珠

（山西工程科技職業(yè)大學(xué)，山西 晉中 030619）

0 引言

超高層建筑因具有土地資源利用率高的特點而在現(xiàn)代建筑行業(yè)中占據(jù)較大的比重，暖通空調(diào)屬于其不可或缺的設(shè)施，在調(diào)節(jié)建筑室內(nèi)溫度、濕度等方面均有重要作用。在發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)的當(dāng)下，超高層建筑項目暖通空調(diào)系統(tǒng)需兼顧暖通空調(diào)功能的有效性和與節(jié)能環(huán)保相關(guān)的多項要求。因此，深入探討暖通空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計方法極具必要性[1-2]。

某超高層建筑項目地下3層、地上51層，建筑高度為232m，建筑面積約為13.5萬m2。地下3層作為設(shè)備用房及地下車庫，地上首層為大堂，2～4層為商業(yè)和餐廳，剩余各層均定位為辦公區(qū)。本文就該超高層建筑項目暖通空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計進(jìn)行分析。

1 超高層建筑暖通空調(diào)設(shè)計原則

1.1 可行性原則

超高層建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計方案必須具有可行性，在此前提下，根據(jù)方案開展暖通空調(diào)的各項施工活動。設(shè)計人員在設(shè)計工作中需綜合考慮暖通空調(diào)的運行特性、建筑對其的要求、現(xiàn)場運行環(huán)境等，以統(tǒng)籌兼顧的理念進(jìn)行設(shè)計。除了溫、濕度調(diào)節(jié)功能的有效性外，還需控制暖通空調(diào)運行時的能源消耗，以免引起資源浪費、環(huán)境污染問題。因此，為保證暖通空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計的可行性，功能有效性和節(jié)能環(huán)保特性必須成為設(shè)計中的重點。

1.2 可調(diào)節(jié)性原則

不同季節(jié)的環(huán)境溫度不同，用戶對暖通空調(diào)溫度的要求也隨著季節(jié)的變化而改變，設(shè)計人員需關(guān)注此特點，賦予暖通空調(diào)可調(diào)節(jié)的特性，以滿足特定季節(jié)的溫度調(diào)節(jié)需求。環(huán)境因素對超高層建筑暖通空調(diào)的使用有明顯的影響，因此設(shè)計人員需考慮環(huán)境因素的影響機(jī)制，提高暖通空調(diào)的荷載能力，避免由于外部因素的作用而出現(xiàn)暖通空調(diào)無法正常運轉(zhuǎn)的情況。

1.3 實用性

暖通入口是實用性設(shè)計的重點，例如設(shè)施的安裝需符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，溫度計等輔助設(shè)施必須配置到位，加強(qiáng)對暖通空調(diào)設(shè)備運行狀態(tài)的檢查。除了前期的有效建設(shè)外，后續(xù)暖通空調(diào)的運行維護(hù)需具備便捷的條件，需妥善設(shè)置室外暖通空調(diào)設(shè)備的接口，提供充足的空間用于檢查和維修。

2 空調(diào)負(fù)荷計算關(guān)鍵參數(shù)的修正

2.1 超高層建筑主要功能區(qū)的室內(nèi)設(shè)計參數(shù)

超高層建筑主要功能區(qū)的室內(nèi)設(shè)計參數(shù)（見表1）是空調(diào)負(fù)荷計算的基礎(chǔ)。

表1 主要功能區(qū)室內(nèi)設(shè)計參數(shù)

2.2 空調(diào)負(fù)荷計算關(guān)鍵參數(shù)的修正

太陽輻射強(qiáng)度、風(fēng)速等因素對超高層建筑產(chǎn)生明顯的影響，在暖通空調(diào)負(fù)荷計算時需密切關(guān)注此類因素并予以控制。為使暖通空調(diào)冷、熱負(fù)荷計算結(jié)果準(zhǔn)確可靠，在設(shè)計階段應(yīng)加強(qiáng)對關(guān)鍵參數(shù)的修正，具體如下：

（1）對太陽輻射強(qiáng)度影響的修正。根據(jù)規(guī)律，太陽輻射強(qiáng)度隨著建筑高度的增加而增強(qiáng)。在該超高層建筑項目中，采用玻璃幕墻外圍結(jié)構(gòu)，直接受到太陽輻射作用，考慮到此特點，按照如下思路開展負(fù)荷計算：北側(cè)房間，冬季空調(diào)負(fù)荷增加10%；西側(cè)房間，夏季空調(diào)負(fù)荷增加10%，冬季減少5%；不考慮外遮陽的影響。

（2）對室外風(fēng)速影響的修正。風(fēng)速的高低主要影響到建筑外表面放熱系數(shù)，隨著建筑高度的增加，室外風(fēng)速遞增，產(chǎn)生強(qiáng)烈的旋渦氣流，在此影響下外圍護(hù)的外表面放熱系數(shù)提高。在該超高層建筑項目中，進(jìn)行冬季熱負(fù)荷計算時，以15層依次劃分出多個區(qū)域，各區(qū)域的結(jié)構(gòu)外表面放熱系數(shù)遞增5%，以此進(jìn)行冬季熱負(fù)荷的計算；夏季冷負(fù)荷計算時，暫不考慮風(fēng)速的作用。

（3）對熱壓影響的修正。冬季，超高層建筑存在“熱壓”作用，室內(nèi)持續(xù)接收源自于室外的冷空氣，冷空氣下沉后迫使底層區(qū)域的溫度受到影響。出于控制室外冷空氣滲入量、改善室內(nèi)環(huán)境品質(zhì)的目的，按照如下思路設(shè)計：在首層大堂設(shè)地板輻射供暖系統(tǒng)；優(yōu)化通向樓梯間的門，較為適宜的是彈簧門；首層出入口采用旋轉(zhuǎn)門。

（4）對冬季室外計算溫度的修正。室外計算溫度隨建筑高度的增加做靈活的優(yōu)化，該超高層建筑項目中，最大高度為232m，在此建筑高度下冬季室外計算溫度降低約1～1.5℃（按照每升高100m，溫度降低約1℃考慮），雖然溫度存在變化但對計算結(jié)果無明顯的影響。需注意的是，對于高度更高的建筑，則冬季室外計算溫度應(yīng)大幅度降低，在設(shè)計中需充分關(guān)注此特點。

3 暖通空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計

3.1 空調(diào)水系統(tǒng)分區(qū)設(shè)計

根據(jù)工作壓力對空調(diào)水系統(tǒng)分區(qū)，設(shè)備和管材所承受的水靜壓隨著建筑高度的增加而增強(qiáng)，若工作壓力等級在2.0MPa以上，對設(shè)備和管材的穩(wěn)定性要求有所提高，需在材料升級、結(jié)構(gòu)形式優(yōu)化等方面投入更多的成本。

在該項目中，沿豎向?qū)⒖照{(diào)水系統(tǒng)劃分為低區(qū)、中區(qū)、高區(qū)三個部分，各自對應(yīng)的樓層為地下2~22層、23~37層、38層至屋頂層，各區(qū)的空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備承壓均按1.6MPa考慮，高區(qū)空調(diào)系統(tǒng)換熱設(shè)備承壓取1.8MPa，確保各分區(qū)的任何設(shè)施所承受的壓力均低于2.0MPa，以免出現(xiàn)異常。于22層避難層設(shè)中、高區(qū)換熱站，此層不可出售，因此適宜作為換熱站的布設(shè)場所，此分區(qū)方式不會對項目的經(jīng)濟(jì)效益造成不良影響。

高區(qū)空調(diào)系統(tǒng)運行中可能存在二次供水溫度偏高的問題，為予以規(guī)避，在22層（避難層）設(shè)高區(qū)空調(diào)系統(tǒng)的換熱設(shè)備，具體思路為：

（1）低區(qū)由制冷機(jī)房提供回水溫度為5.55℃/11.5℃的冷凍水，冷凍水供回水系統(tǒng)采用65℃溫差。

（2）冷凍水一次水在換熱機(jī)組換熱，提供冷凍水二次水。

在該設(shè)計方式下，高區(qū)換熱器的一次水來源可靠，無需采用中區(qū)換熱器提供的二次水，確保高區(qū)空調(diào)冷凍水的低溫具有合理性。從冷水機(jī)組制冷效率的角度來看，5.5℃的供水溫度對此項指標(biāo)的影響微乎其微。

3.2 防排煙系統(tǒng)的設(shè)計

高層建筑的容納能力強(qiáng)，人員相對集中，遇火災(zāi)事故后，面臨著疏散距離遠(yuǎn)、疏散難度大、火勢撲滅條件差等問題。為保證超高層建筑的安全和內(nèi)部人員的人身財產(chǎn)安全，需加強(qiáng)防排煙系統(tǒng)的設(shè)計。根據(jù)煙氣侵害的程度，將高層建筑劃分為辦公區(qū)、走道、前室和合用前室、避難層和防煙樓梯間，共形成4個安全區(qū)。經(jīng)過對高層建筑內(nèi)部空間的劃分后，進(jìn)一步設(shè)計防排煙系統(tǒng)。

（1）排煙系統(tǒng)。在辦公區(qū)及走道布設(shè)機(jī)械排煙系統(tǒng)（見圖1），室外排煙風(fēng)口朝向西側(cè)或南側(cè)，即朝向西南主導(dǎo)風(fēng)向（東北風(fēng)）的下風(fēng)向或平行，促進(jìn)建筑內(nèi)部煙霧的高效外排。

圖1 機(jī)械排煙系統(tǒng)示意圖

（2）防煙系統(tǒng)。前室和合用前室的獨立機(jī)械加壓送風(fēng)系統(tǒng)余壓值取25Pa，防煙樓梯間、避難層的余壓值分別為40Pa、30Pa。設(shè)計中考慮到樓梯間正壓值異常波動、自垂式百葉風(fēng)口送風(fēng)量不均等問題，在百葉風(fēng)口的位置增設(shè)風(fēng)量調(diào)節(jié)閥，自適應(yīng)現(xiàn)場環(huán)境，動態(tài)調(diào)節(jié)風(fēng)量；同時，在加壓風(fēng)機(jī)的出口設(shè)風(fēng)量調(diào)節(jié)閥和止回閥，借助此類裝置調(diào)節(jié)系統(tǒng)風(fēng)量和風(fēng)壓。

3.3 空調(diào)通風(fēng)控制系統(tǒng)的設(shè)計

3.3.1 冷水機(jī)組和空調(diào)水系統(tǒng)的自動控制

（1）為冷凍機(jī)房采取雙重控制措施，以機(jī)房就地控制為核心，在此基礎(chǔ)上搭配中央室監(jiān)控的方法，以便強(qiáng)化控制效果。冷水機(jī)組、冷卻水泵、冷水泵及冷卻塔四類裝置連鎖運行。

（2）在獲取供回水總管的溫度和流量信號后，由空調(diào)自動控制系統(tǒng)計算空調(diào)負(fù)荷，根據(jù)計算結(jié)果調(diào)控冷水機(jī)組及空調(diào)水泵的數(shù)量，期間全面記錄各冷水機(jī)組、空調(diào)水泵的運行起止時間以及具體時長，根據(jù)設(shè)施的運行特性采取輪時啟動功能，合理調(diào)用冷水機(jī)組和空調(diào)水泵，適時提供優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。

（3）冷水機(jī)組配置工作中，在蒸發(fā)器出水管處設(shè)水流開關(guān)，運行中存在水流量降低（達(dá)到整定值）或管道水不再繼續(xù)流動的情況時，主機(jī)自動停止運行。

（4）空調(diào)水系統(tǒng)的設(shè)計考慮到運行穩(wěn)定、功能可靠、檢修便捷等多項要求，選擇二次泵變流量系統(tǒng)。在供回水總管間設(shè)平衡閥，以水環(huán)路供回水管的壓差為參考，根據(jù)最新的動態(tài)情況進(jìn)行變頻調(diào)節(jié)，全過程中設(shè)施的運行狀態(tài)有效契合于當(dāng)前的環(huán)境，一方面保證空調(diào)水系統(tǒng)的功能達(dá)到用戶使用要求，另一方面減少空調(diào)水系統(tǒng)運行時不必要的能源消耗，達(dá)到良好的生態(tài)環(huán)境效益。

3.3.2 空調(diào)處理裝置和空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)的自動控制

（1）中央控制作為空氣、新風(fēng)處理機(jī)的主要控制方式，為提升控制的可靠性，輔以就地控制的方法。機(jī)組與送風(fēng)機(jī)連鎖，將動態(tài)平衡閥安裝在表冷器出水管處，根據(jù)當(dāng)前運行狀態(tài)動態(tài)調(diào)節(jié)水流量，以此實現(xiàn)對送風(fēng)溫度的精細(xì)化控制。

（2）公共場所的暖通空調(diào)系統(tǒng)中配置了風(fēng)機(jī)盤管，此設(shè)施的控制采取中央控制機(jī)制，除此之外的其他風(fēng)機(jī)盤管均為就地控制?？刂葡到y(tǒng)的設(shè)計需考慮控制及時性、精準(zhǔn)性的要求，配置溫控器、三速開關(guān)及電動二通閥，在彼此間建立起協(xié)作機(jī)制。例如，溫度傳感器檢測的信號由溫控器執(zhí)行分析，判斷與設(shè)定溫度的差值，根據(jù)偏差程度輸出電壓信號，在信號的指揮下做出電動二通閥的動作，水流量隨之發(fā)生變化，從而實現(xiàn)對室內(nèi)溫度、出風(fēng)風(fēng)速的動態(tài)調(diào)節(jié)。

（3）為獲取新風(fēng)溫濕度、CO2濃度等與建筑室內(nèi)環(huán)境品質(zhì)有關(guān)的關(guān)鍵參數(shù)，配置溫濕度傳感器、CO2探測器，用于測定具體指標(biāo)，根據(jù)實測結(jié)果與暖通空調(diào)系統(tǒng)的運行要求做對比分析，動態(tài)調(diào)節(jié)新風(fēng)閥、排風(fēng)閥、回風(fēng)閥的開度，經(jīng)過對多類閥門裝置的調(diào)節(jié)后，使空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)的運行始終維持在最佳的新回風(fēng)比例狀態(tài)。

3.3.3 通風(fēng)與防排煙系統(tǒng)的自動控制

（1）于地下車庫設(shè)CO探測器，根據(jù)探測結(jié)果評價此空間的CO濃度特征，自動控制風(fēng)機(jī)的啟停和運行數(shù)量，將CO濃度穩(wěn)定在許可范圍內(nèi)。同時，密切監(jiān)測風(fēng)機(jī)的運行狀態(tài)，若有故障及時報警，采取維修措施。

（2）遇火災(zāi)事故時，（煙）溫感器產(chǎn)生報警信號并及時向消防控制中心傳輸，及時開啟排煙口，運行排煙風(fēng)機(jī)、加壓送風(fēng)機(jī)及補(bǔ)風(fēng)風(fēng)機(jī)，在第一時間采取管控措施，抑制事故的持續(xù)發(fā)展；切斷通風(fēng)設(shè)備和空調(diào)的電源，以免誘發(fā)大范圍的安全事故。

該超高層建筑的地下3層作為設(shè)備用房和地下停車庫，此類空間均采用機(jī)械排放系統(tǒng)進(jìn)行環(huán)境的優(yōu)化。換氣次數(shù)對空間環(huán)境品質(zhì)有明顯的影響，根據(jù)房間功能而定，具體如表2所示。

表2 換氣次數(shù)

公共衛(wèi)生間的換氣次數(shù)不低于12次/h，換氣設(shè)備采用百葉窗式排氣扇，由其將室內(nèi)的污濁氣體排向外界，除此之外也可以借助導(dǎo)管式排氣扇進(jìn)行排氣，再進(jìn)一步結(jié)合排風(fēng)機(jī)，將污濁氣體送入豎向管井，最終向室外排放。

3.4 綠色節(jié)能設(shè)計

暖通空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計一定要重視綠色節(jié)能設(shè)計，一方面硬件設(shè)施的選型要考慮適配能效比，另一方面，循環(huán)水泵采用變頻調(diào)速模式，空調(diào)水系統(tǒng)采用二次泵變流量模式。根據(jù)與制冷站的距離和功能分區(qū)的不同，分區(qū)配置二次泵，需考慮的是空調(diào)低區(qū)、裙房商業(yè)區(qū)等。各區(qū)泵組的運行均具有獨立性，例如以負(fù)荷變化為參照基準(zhǔn)，動態(tài)調(diào)節(jié)循環(huán)水泵流量，在保證泵組功能正常實現(xiàn)的同時降低水泵能耗?？照{(diào)風(fēng)系統(tǒng)對新風(fēng)預(yù)冷或預(yù)熱，以此高效回收能量。全熱回收機(jī)組用于將各層新風(fēng)經(jīng)由豎井輸送至各層，為回收機(jī)組增設(shè)旁通管，目的在于保證過渡季節(jié)可實現(xiàn)對風(fēng)機(jī)運行能耗的有效控制（此階段新、排風(fēng)不通過熱回收裝置）。秉承資源利用價值最大化的原則，集中回收空調(diào)冷凝水，為冷卻塔提供水分補(bǔ)給。

4 結(jié)束語

超高層建筑對暖通空調(diào)系統(tǒng)的依賴度較高，系統(tǒng)運行時面臨功能有效性差、能耗偏高等問題，因此科學(xué)設(shè)計暖通空調(diào)系統(tǒng)尤為關(guān)鍵。設(shè)計應(yīng)圍繞安全、可靠、低能耗等目標(biāo)進(jìn)行，根據(jù)超高層建筑的高度特點進(jìn)行分區(qū)，分別設(shè)計各區(qū)相應(yīng)的暖通空調(diào)系統(tǒng)，賦予系統(tǒng)自動化和智能化的特性，動態(tài)控制，營造舒適的超高層建筑內(nèi)部環(huán)境。