浅析超高层建筑空调水系统方案

周 玮，李 顺

空调技术

浅析超高层建筑空调水系统方案

周 玮，李 顺

（中国中元国际工程有限公司，北京100089）

通过对超高层建筑模型空调水系统分区方案的对比分析，探讨超高层建筑空调水系统方案的可行性，并提出了兼顾换热效率及设备承压的优化解决办法。

超高层建筑； 空调； 水系统； 承压

0 引言

随着社会经济发展，全国各地纷纷建设各类超高层建筑，作为城市新地标或者经济中心的标志。目前，传统意义上的超高层建筑（建筑高度100m）早已司空见惯，各个大型城市中高度超过250m的建筑也十分常见，部分正在研讨或者设计的超高层建筑已经接近1000m高度。

随着建筑物高度不断升高，设计中各种各样的问题和难题随之涌现，其中如何合理的划分空调水系统是每个超高层建筑都必须面对的问题之一。

对于舒适性空调而言，冷冻水供、回水温度一般为7/12℃，这是兼顾了冷水机组效率、输送能耗以及冷冻除湿效果的经济平衡点[1]。但当建筑过高时，由于设备承压问题，水系统需要在竖向上分区，利用板换多次换热的方法减压。选用换热性能良好的板换也会有1℃的换热温差损失，而当换热超过2次时，供水温度将低于5℃时，会导致常规冷水机组运行工况相对较差且稳定性不够[2]；此时需要采用蓄冰等其它方式，不可避免的提高初投资和运行费用。故应尽量减少换热次数。

目前市场主流设备最大承压在2.0MPa，低压管道及阀门承压2.5MPa，特殊采购的冷水机组、板式换热器、水泵等设备承压可以达到3.0MPa。为了节省初投资，减少施工以及运行维护的困难，水系统分区应尽量控制设备承压小于2.0MPa，最大不超过3.0MPa。

下文中作者设定了两个近年来比较常见的超高层建筑模型，对空调水系统分区方案进行比较。

1 建筑模型简介

目前超高层建筑最常见的建筑构成为：地下部分四至五层，一般冷冻机房设置于地下三层，地下一层高度约为6m，其它地下层建筑高度约为4m，即冷冻机房位置一般位于-14.00m左右。地上部分为主塔和裙房两部分，裙房一般建筑高度在30m以下，为了简化消防设计，又以20～24m较为常见；主塔部分根据消防主管部门要求，在建筑高度50m以下必须设置第一避难层，以上每隔十四至十五层需要设置一个避难层。由此一般超高层建筑50m以下为第一区域，功能一般为入口大堂、商业、接待等，同时在40～50m附近设置第一避难层；50m以上一般每隔十四层为一个功能区，主要为办公以及酒店，在建筑物顶端设置部分观光层，办公部分层高一般为4.20m，酒店部分层高一般为3.80m；各功能区之间设置避难层以及机电层，此二层高度合计约10m，酒店大堂、接待、餐厅以及休闲部分集中在酒店下部。参考上述建筑情况，设定两个参考建筑模型。

建筑模型一（如图1所示）：冷冻机房置于地下三层，标高-14.00m，地上部分分为7个区，一区高度50m；二至四区每个区域高度为68.80m，包括十四层办公（58.80m）、避难层（5.0m）及机电层（5.0m）；五至七区为酒店及观光部分，其中五区包括据酒店大堂、餐饮、休闲以及部分客房，建筑高度（53.20m）、避难层（5.0m）及机电层（5.0m）；六区为十四层客房，建筑高度（53.20m）、避难层（5.0m）及机电层（5.0m）；七区为观光部分，建筑高度（43.20m），建筑物总高度为426.00m。

建筑模型二（如图2所示）：模型二与模型一类似，但建筑高度调整为626.80m，分区调整为10个，其中二至六区为办公层；七至十区酒店及观光部分，其中八、九区为酒店客房，十区为观光部分。

2 空调水系统方案

模型一与二的空调热水方案没有太多的差别，均建议采用蒸汽作为热源，根据区域功能分别设置汽水换热器，蒸汽系统和热水系统比较可以减少换热次数，提高用热效率，降低设备承压要求，从而节省投资，这里不再赘述。

空调冷水系统的方案，根据冷源位置不同分为两种，分别为冷机下置和冷机上楼方案。另外根据酒店管理公司的普遍要求，考虑酒店部分单独设置冷水机组及空调水系统。

2.1 冷机下置方案

冷机下置，即冷水机组置于地下三层（-14.00m）冷冻机房内，通过1次或者2次换热将空调水送至各个空调服务区。

在分析方案前，应明确设备承压与系统高度的关系。设备承压应不小于管路最低处静水压力和水泵的压头的和。即

式中 P—设备承压，Pa；

P1—管路最低处静水压力，Pa；

P2—水泵压头，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—冷水机组蒸发器的压力降或板换压力降，Pa，一般取50～100kPa；

ΔP2—空调末端压力降，Pa，一般取20～50kPa；

ΔP3—调节阀压力降，Pa，一般取40kPa；

P4—管路损失，Pa，一般取100～300Pa/m。

当不考虑水平管路长度的情况下，经计算得出对应管路设备承压2.0MPa、2.5MPa和3.0MPa三种情况，水系统的最大高度分别为163～182m、208～230m和254～279m。

模型一（426.00m）：冷水机组置于地下三层（-14. 00m），换热器分别置于二区与三区之间的设备层（108.80m）以及四区与五区之间的设备层（246.40m）。这样各个水系统服务区高度差分别为：低区（地下部分及一、二区）122.80m，中区（三、四区）137.60m，高区（五至七区）（179.60-10）m—对于高区，由于超高建筑造型的需要，水系统实际使用高度通常低于建筑顶标高至少10m。当高区适当减少水平管路长度或减小管路比摩阻时，各个水系统设备的承压均可控制在2.0MPa以内。

在某些情况下还可以采取一次换热的方案。笔者设计一个超高层建筑中，建筑物总高度428.00m，水系统最高点402.80m（顶层观光部分采用地面送风形式），三区与四区之间的设备层标高为144.00m，这样系统低区高度为158.0m，低区水系统设备承压2.0MPa，高区办公部分高度约100.0m，水系统设备承压1.6MPa，高区酒店高度258.8m，高区水系统设备承压3.0MPa。

模型二（626.8m）：冷水机组置于地下三层（-14. 00m），换热器分别置于三区与四区之间的设备层（177.60m）以及六区与七区之间的设备层（384.00m）。这样各个水系统服务区高度差分别为：低区（地下部分及一至二区）191.60m，中区（四至六区）206.4m，高区（七至十区）（242.8-10）m。这样冷水机组承压2.0MPa（水泵安装方式为抽出式），中、低区水系统设备承压为2.5MPa，高区水系统设备承压为3.0MPa。由于高区承压量较为富裕，在实际工程中可以合理调整两个设备层的高度，使得中、低区水系统设备承压均控制在2.0MPa以内。

冷机下置是最为传统的超高层建筑水系统方案，其优点在于适用性强，不受地域气候条件限制，冷水机组位于地下室，其震动和噪音对人员影响最小，安装及维护均比较容易。但是多次换热造成水温升高，使得高区用冷效率下降，为缓解这样的情况，空调系统一般会采用蓄冰等低温冷源，在低区采用低温空调末端设备，其它区域采用标准空调末端设备，这样导致空调系统设计、运行、维护复杂，也会导致空调系统投资增加；同时为减少换热次数，会尽量增加各个水系统区域服务高度，这样会导致设备承压较高，对项目投资也有一定的影响。

2.2 冷机上楼方案

最简单的冷机上楼方案是将冷水机组置于建筑顶端区域，冷水机组采用风冷型，服务上部酒店区域（五至七区），同时满足酒店管理公司对独立冷源的要求。采用此方案时，模型一：五至七区酒店水系统最大服务高度169.60m，设备承压可以控制在2.0MPa，一至四区水系统最大服务高度260.40m，可以采用一次换热方案或者冷水机组直接供给，水系统承压3.0MPa。模型二：七至十区酒店水系统最大服务高度232.80m，设备承压可以控制在3.0MPa，一至六区水系统最大服务高度398m，可以采用一次换热方案，换热器设置于标高177.60m设备层，水系统承压2.5MPa。

另一种冷机上楼的方案是将冷水机组置于设备层内，配合一次换热，达到降低各个区域水系统承压的目的。模型一：冷水机组置于四区与五区之间设备层（246.40m）内，向上服务五至七区酒店，同时向下服务三、四区办公，一区及二区由地下冷冻机组提供冷水，所有水系统设备承压均不大于2.0MPa。模型二：冷水机组置于六区与七区之间设备层（384.00m）内，向上服务七至十区酒店，水系统最大服务高度242.80m，中途设置一次换热，同时设备层内冷机向下服务五、六区办公，一至四区空调冷水由地下冷冻机组提供，中途设置一次换热，所有水系统设备承压均不大于1.6MPa。

另外，在建筑高度以及设备层标高合适的情况下，还可以将冷水机组置于裙房屋面，但是由于冷水机组位置仅仅上移了30～40m，对整体水系统影响较小，总体上仍然属于冷机下置的方案，在这里不再具体说明。

冷机上楼的方案在近年的超高层设计中越来越常见，其优点在于明显的减低各个水系统分区的设备承压，同时换热次数少，用冷效率高。冷机上楼的方案同样存在一定的弊端，首先冷水机组无论是置于屋顶还是设备层，其震动和噪音对相邻楼层的影响都是不可回避的问题，即便采用了静音型的设备，增加特殊的消声及减震措施等手段，与冷冻设备相邻楼层仍然可能受到影响；其次设备安装维护局限性大，受设备层层高、标高、功能、屋顶观景采光要求等条件限制，冷源设备的占地面积，高度经常受到很大限制，安装及后期维护难度较高；最后屋顶或者室外安装的冷水机组还会受到地域限制，冬季温度较低的区域不适用此类方案。

3 结论

总结模型一和二空调水系统方案见表1：

表1 模型一、二水系统方案对比

根据分析结果，对于建筑高度与模型二相似的超高层建筑，无论采用二次换热，还是冷机置于屋顶的空调水系统方案，水系统承压均会超过2.0MPa，但是当冷水机组置于设备层时，全楼所有水系统承压都可以控制在1.6MPa以内，同时仅仅需要一次换热，所以如果可以有效解决冷水机组噪音、安装、维护等问题，将冷源设备置于设备层是比较优选的水系统方案。建筑高度与模型一相似超高层建筑可以选择的水系统方案选择较多，从对比结果看，冷机下置一次换热及冷机置于屋顶的方案均有一个水系统分区承压在3.0MPa，但是当冷机置于屋顶时有大量的空调末端设备承受2.0MPa至3.0MPa的压力，给施工及日后维护都带来很大的困难，并不推荐使用，而另一方案仅板式换热器，水泵及部分管道阀门承压为3.0MPa，其它设备承压均控制在2.0MPa以下，同时冷水机组置于地下室，属于常规设计，笔者认为在条件许可情况下，应该优先选用此方案。而二次换热方案以及冷机置于设备层方案，前者用热效率相对较低，后者对设备品质，安装维护要求比较高，在选用此两种方案时需要进行技术经济比较后再确定。

4 结语

本文通过对两个超高层建筑模型（426m和626.8m）空调水系统的研究分析得出：

（1）当建筑高度低于或略高于400m时，通过合理优化设备层位置，常规方案（制冷机置于地下）即可实现最多1次换热且设备承压均不超过3.0MPa；

（2）当建筑高度显著高于400m时，常规方案将需要至少2次换热才能保证设备不超压，这对板换换热效率、制冷机出水温度以及运行维护提出了很高的要求；为了解决这一难题，建议单独为高区设置制冷机，并置于设备层或屋顶。

[1]陆耀庆.实用供热空调设计手册[M].2版.北京：中国建筑工业出版社，2008.

[2]GB 50736-2012，民用建筑供暖通风与空气调节设计规范[S].

修回日期：2016-05-23

表3 夏、冬季风冷热泵运行策略

（2）由于室内、外参数一年四季时刻变化着，所以泳池空调需要有完善的监控系统，保证室内舒适性。

（3）泳池空调设计时，暖通专业应与给排水专业紧密配合，避免出现虽选用节能设备但系统不节能的现象。

参考文献：

[1]陆耀庆.实用供热空调设计手册[M].2版.北京:中国建筑工业出版社，2008.

[2]陈沛霖，岳孝方.空调与制冷技术手册[M].2版.上海:同济大学出版社，1999.

[3]杨宝军.三集一体空调热泵机组在泳池热水系统中应用研究[J].浙江建筑，2013，30（6）：54～57.

[4]杨森.游泳馆空调的热湿负荷计算与节能[J].制冷空调与电力机械，2010，31（1）：5～8.

[5]刘辉，陈捷.浅谈室内泳池除湿热泵系统[J].大众科技，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 玮（1984-），男，北京人，硕士研究生，工程师，主要从事暖通设计工作；

李 顺（1979-），男，天津人，本科，高级工程师。