超高層空調水系統(tǒng)設計探討

1、 超高層建筑空調水系統(tǒng)設計探討深圳華森建筑與工程設計顧問有限公司曹莉 王紅朝中國建筑設計研究院潘云鋼摘要 對某超高層建筑空調水系統(tǒng)分區(qū)方案進行對比分析，探討超高層建筑采用高承壓空調水系統(tǒng)方案的可行性。關鍵詞超高層 空調 水系統(tǒng) 承壓一、前言超高層建筑體型巨大，功能復雜，容納人員眾多，投資十分龐大。超高層建筑絕不是普通建筑的拉伸或簡單疊加，在一般建筑物中的一般問題，到了超高層建筑中都可能成為特殊問題，需要特別處理。超高層建筑本身具備很多自然特性，對建筑設計造成較大影響：負荷計算方面：隨著建筑高度升高，大氣透明度、太陽輻射強度亦增大，室外風速隨著建筑高度遞增，圍護結構外表面放熱系數加大；隨著建筑高

2、度增加，空調水路系統(tǒng)設備及管件承壓要求提高，須經過梯級板換方式把冷熱水送至最高層；性能化設計方面：隨著建筑高度升高、層數增加導致疏散困難，對防排煙措施要求高，且建筑本身由于熱壓造成的煙囪作用較大，對空調通風、換氣、排煙效果有影響。在超高層建筑中，空調水系統(tǒng)分區(qū)及設備承壓問題是超高層空調系統(tǒng)設計中須著重考慮的問題。目前我國超高層建筑絕大部分水路系統(tǒng)的設計采用：在建筑中間層設置水水板式換熱器，把冷、 熱水從低區(qū)提升至設備層，經板式換熱器閉式熱交換后再由次級泵輸送至高區(qū)。采用這種做法可以使低區(qū)與高區(qū)承受由各自分區(qū)高度產生的壓力，從而避免低區(qū)的設備及管路承壓過大。目前鋼結構技術的進步使得超高層建筑的高

3、度有了進一步的提升，300400 米的超超高層建筑屢見不鮮。在這類建筑中如果水系統(tǒng)不能合理分區(qū)則勢必導致末端設備承壓要求過高， 導致?lián)Q熱器面板和管壁加厚過多，傳熱效率下降，同時設備承壓能力提高了，造價亦隨之提高；分區(qū)過多，從冷源供出的冷水經多級板式換熱器后效率將降低，研究表明每經過一級板式換熱器，其冷源的供冷（熱）效率至少下降20%左右，同時末端裝置的換熱面積則需要加大20%。表 1：典型超高層建筑空調水系統(tǒng)分區(qū)及承壓設計項目名稱高度分區(qū)中間板換位置最高設備承壓一次水溫度（換熱溫差）次級水溫度（換熱溫差）（ m）（個）MPa上海靜安希爾頓飯店14312.17/12上海金茂大廈420221 層2

4、.1/2.85.5/13.57/15上海環(huán)球金融中心4603150m/300m2.14/96/15,8/17深圳發(fā)展中心大廈165228 層1.67/1210/14深圳彭年廣場222224 層1.67/129/14深圳賽格廣場292.64分段冷源1.01.57/12表 2：空調制冷設備、管道及管件承壓能力空調制冷設備空調制冷設備額定工作壓力Pw（ MPa）冷水機組普通型1.0加強型1.7特加強型2.0特定加強型2.1空調處理器、風機盤管機組1.6板式換熱器1.63.0水泵殼體1.0 2.5管道及管件管材和管件的公稱壓力PN （ MPa）低壓管道2.5中壓管道4.06.4高壓管道10100低壓閥

5、門1.6中壓閥門2.56.4高壓閥門10100無縫鋼管1.6表 1 匯總了上海、深圳地區(qū)典型超高層建筑的空調水系統(tǒng)分區(qū)及承壓設計?？梢钥闯觯斍肮こ淘O計中，超高層建筑空調水系統(tǒng)的設備承壓能力不再局限于1.0MPa 以下，1.6、 2.1MPa 以上的高承壓設計已經越來越多。另外隨著設備廠家技術的提高，空調設備的承壓能力也越來越高。表 2 給出了現有空調制冷設備、管道及管件承壓能力?？照{機組及板換的額定工作壓力已可達到1.6MPa，低壓管道的承壓可達 2.5MPa，低壓閥門的承壓可達1.6MPa，采用加強型冷水機組時已可承壓1.7MPa。對超高層建筑水系統(tǒng)進行分區(qū)，首先要確定一個分區(qū)高度，這個分

6、區(qū)高度是由設備和管道的承壓能力決定的。根據表2 可以知道，冷機的承壓范圍是1.02.1MPa、板換的承壓范圍為1.63.0MPa、水泵殼體的承壓范圍是1.02.5MPa、空調機組承壓為1.01.6MPa、管道及閥門的承壓范圍是1.62.5MPa。對于超高層建筑來說，板換級數增加則導致冷源效率降低，板換級數少則設備承壓要求提高，因此其空調水系統(tǒng)的分區(qū)設計需結合建筑實際情況經技術經濟比較后確定。二、超高層辦公空調水系統(tǒng)分區(qū)方案比較1 ：某超高層辦公樓效果圖圖 1 為某超高層辦公樓效果圖，共98 層，最高點高度439m，集辦公和酒店于一體。其中，73 層以下為辦公區(qū)，73 層以上為酒店。根據建筑專業(yè)

7、疏散要求，分別于18、 19、37、 38、 55、 56、 73、 74、 91、 92 層設置避難（機電）層。由于使用功能不同，辦公和酒店分別設有獨立的集中空調冷（熱）源系統(tǒng)：辦公區(qū)采用蓄冰空調系統(tǒng)，主機房位于地下四層 （ -18.500m） ； 酒店采用風冷熱泵（帶熱回收）系統(tǒng)，機組設于73 層。則辦公部分末端設備的最高點位于72 層（ 316m） ，因此定壓膨脹水箱箱底高度不應低于317.5m，則辦公空調水系統(tǒng)最大可能的靜水壓力為336.0m H2O，約3.36MPa。即使水泵的安裝方式為打出式，主機或板換的承壓也將達到3.5MPa，目前還沒有設備有這么高的承壓能力。因此對于本項目，不

8、設中間換熱器的做法從技術上來說是不可行的。如何對本項目的空調水系統(tǒng)進行分區(qū)，綜合考慮其空調的使用情況，建筑避難層的設置位置及設備、管件的承壓能力，最終確定了3 種分區(qū)方案。2：方案1 水系統(tǒng)原理示意圖方案2：如圖3 所示，基于辦公部分建筑本身避難層的設置將辦公部分自然分為4個區(qū)間， 水系統(tǒng)亦按此分為四個區(qū)，18 層以下區(qū)18 層避難層處，分別服務于上部的36 /14 。 一次水系統(tǒng)的膨脹水箱設38 層，總定壓點位于集水器出水總管處，一次水泵采用一次水泵及分水器等部件的2.1MP（a 即為直接供水的用戶最高點至主機房。本方案雖分區(qū)較多，但末端設備的供回水均為二次水，且末端設備1.0MPa 以內，

9、但主機、水泵、板換及部3：方案2 水系統(tǒng)原理示意圖方案 1 ：如圖 2 所示，在辦公部分的中間設備層（37F）處設置一組水水板式換熱器，整個系統(tǒng)僅分為高低2 個區(qū)，37 層（含）以下為低區(qū)、39 層（含）以上為高區(qū)。低區(qū)水由分水器直接供水，末端設備的供回水溫度為5 /13 ；高區(qū)水經 37 層處的板換換熱后間接供水，末端設備的供回水溫度為6 /14 ，供冷效率有所下降。一次水系統(tǒng)的膨脹水箱設于 38 層，總定壓點位于集水器出水總管處，一次水泵采用打入式， 則主機房內冷水機組、一次水泵及分水器等部件的最高承壓約為2.1MPa（即為直接供水的用戶最高點至主機房的靜。高區(qū)和低區(qū)的末端設備承壓隨1.0

10、2.1MPa 之樓字寫4：方案3 水系統(tǒng)原理示意圖方案3：如圖4 所示，其設計思路與方案2 較為接近，即確保末端設備的承壓要求均為1.0MPa。但方案2 對冷源側的承壓較高，因此在方案3 中將板換集中降低至18 層。由于一次水的用戶高度降低，則對冷源側的設備及管路的承壓要求也相應降低至1.3MPa?？照{水系統(tǒng)仍然結合建筑避難層的設置自然劃分為4 個區(qū)，但由于5572 層之間的供水如由18 層的 2 級板換直接供應將導致對應的板換及水泵承壓達2.6MPa以上，超出水泵的最高承壓能力，因此該區(qū)域的供水由設置55 層避難層的第3 級板換供應。則末端設備的供回水溫度6 /14 、7 /15 。本方案中

11、冷源側各設備管件的承壓要求降低至1.3MPa， 而同時末端設備的承壓也降低至1.0MPa，但最高分區(qū)處需設置第3 級板換。綜上，將各方案的分區(qū)及設備承壓等匯總如表3 所示。綜合比較可以看出，方案1 的系統(tǒng)分區(qū)少，泵組及板式換熱器組設置數量少，運行管理較為簡單，運行能耗較低，并且由于采用次級水的樓層少，對冷源的總供冷效率降低最少，僅占10%。但方案1 對冷源、水泵、板換及末端的承壓要求比較高，但也在現有設備承壓能力的范圍內，且目前已有典型工程使用。方案2、 3 雖對末端設備的承壓要求較低，但對板換、管路的承壓仍不可避免的要采用高承壓部件，且方案2、 3 供冷效率的降低較多，板換組及泵組多，運行控

12、制和維護均較為復雜。因此認為方案 1 為最佳方案。同時， 由于本項目是目前深圳地區(qū)建筑高度較高的地標性建筑，在此項目中采用先進的設計理念和技術也具有典型的意義。為保證項目的安全性，在末端設備的選擇上，均選用組合式空氣處理機組，設置于專用的空調機房內，避免高壓管道進入人員活動區(qū)域。表3： 3 種方案水系統(tǒng)分區(qū)及承壓比較分區(qū)方案分區(qū)中間板換位置冷源側設備承壓中間板換承壓末端設備承壓一次水溫度次級水溫度冷源效率降低（個）MPaMPaMPa方案1237F2.12.01.02.15/136/1410方案24B4F,37F2.11.11.81.06/1420方案34B4F,18F1.31.11.81.06

13、/14257/15三、結論在超高層建筑的空調系統(tǒng)里，考慮到管路系統(tǒng)的焊接、密封、成本及可靠性等問題，其空調水系統(tǒng)的劃分應控制在2.5MPa 以內。 超高層空調水系統(tǒng)分區(qū)減少，則泵組及板換設置數量少，運行管理簡單，運行能耗低，供冷效率高。本文通過對某超高層項目3 個方案的對比，認為在嚴格的選材和規(guī)范施工的基礎上，高承壓的水系統(tǒng)方案是更為經濟合理的。 TOC o 1-5 h z 劉天川超高層建筑空調設計M 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2004沈恭，等上海八十年代高層建筑設備設計與安裝M 上海：上?？茖W普及出版社，1994陸耀慶，等實用供熱空調設計手冊（第二版）（上冊）M 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008陸耀慶，等實用供熱空調設計手冊（第二版）（下冊）M 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008中華人民共和國國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局、中華人民共和國建設部通風與空調工程施工質量驗收規(guī)范S