超高层建筑空调水系统竖向分区分析

丁学贵 贺德军 尹诚刚

湖南省建筑设计院有限公司

建筑根据高度不同分为多层建筑、高层建筑和超高层建筑，对高度超过100 m的建筑称为超高层建筑[1]。随着建筑高度的不断提高，空调水系统的承压也就越来越大，当建筑物的高度超过一定程度时，水系统需要进行竖向分区以减小系统工作压力。空调水系统是否要竖向分区，主要取决于空调设备、管道及附件的承压能力，一般情况下，空调冷水机组的蒸发器和冷凝器的工作压力为1.0 MPa，加强型机组为1.6 MPa，如有需要还可以提高其承压能力；空调末端设备的工作压力为1.6 MPa；管道及其附件的承压能力，可根据需要进行选择。众所周知，提高设备和管道的承压等级，会相应增加工程投资（造价），除此之外，增加水系统的工作压力，对施工会提出更高的要求，要求系统能安全运行。可见超高层建筑的竖向分区设计关系着空调系统的技术经济及安全运行等问题。

1 空调水系统的水压分布

超高层建筑的水系统设计，首先要尽量降低冷水机组的工作压力，水系统的水压分布与水泵的设置位置密切相关。

图1为冷水机组压入式系统[2]，冷水机组入口的工作压力ΔPm1表示如下：

式中：H为水泵扬程，m；h为水箱水面相对水泵入口高度，m。

图1 水泵压入式系统

图2为冷水机组吸出式系统[2]，冷水机组入口的工作压力ΔPm2表示如下：

式中：ΔP0为冷水机组阻力，m；ΔP1为水泵出口至冷水机组入口管段水力损失，m；ΔP2为冷水机组出口至膨胀水箱水管接口管段的水力损失，m。

图2 水泵吸出式系统（一）

为降低冷水机组的承压，还可将膨胀（水箱）水管接入点移至冷水机组前，见图3，冷水机组入口点工作压力为ΔPm3：

图3 水泵吸出式系统（二）

还可将膨胀水箱置于回水主管上部，见图4，则冷水机组入口点工作压力ΔPm4：

式中：ΔP3为膨胀水箱O点至冷水机组水力损失。

图4 水泵吸出式系统（三）

空调水系统的最高工作压力点位于水泵的出口端。系统启动瞬时，动压尚未形成时，水泵出口压力ΔPm是静压和水泵全压之和。

吸出式系统中，冷水机组的工作压力接近静水压；与压入式系统比较，吸出式工作压力低了相当于水泵的扬程的压力，因此当水系统竖向高差大于60～70 m左右时（空调冷水机组的普通承压一般为1.0 MPa），宜采用吸出式系统。

吸出式系统中，位于低层的末端设备可能处于高工作压力区，对水泵出口端管道及附件的施工也提出更高的要求。

2 水系统竖向分区的分析

2.1 竖向不分区的系统

冷水机组蒸发器的承压能力分为1.0 MPa、1.6 MPa、2.5 MPa（个别厂家为1.0 MPa、2.0 MPa、2.5 MPa）。前者为普通型，后两者为加强型[3]。冷水机组蒸发器工作压力1.6 MPa（2.0 MPa）较1.0 MPa增加造价5%～7%左右，蒸发器工作压力为2.5 MPa的机组应用较少，但也可定制，增加造价相对较多，据了解约增加15%～20%。

水泵按工作压力分为 1.0 MPa、1.6 MPa、2.5 MPa，目前大多数国产水泵一般按出口承压1.6 MPa设计，承压2.5 MPa需特殊定制。进口水泵工作压力1.6 MPa较1.0 MPa增加造价30%左右。

目前国产阀门的工作压力1.0 MPa和1.6 MPa造价基本无差别，工作压力2.5 MPa较1.0 MPa增加造价30%左右。普通无缝钢管工作压力为≤6 MPa，普通镀锌钢管≤1.0 MPa。加厚镀锌钢管为≤1.6 MPa。其他管件承压可按阀门等同选择，管道连接及法兰垫片按管材承压等同设置。

按水泵出口承压1.6 MPa考虑，空调水系统高度小于120 m时竖向可不进行分区（水泵扬程一般情况都小于40 m H2O），当采用二级水泵系统时，空调水系统高度小于130 m时竖向可不进行分区（一级泵扬程一般为10～20 m，二级泵扬程为20～25 m）。此时，冷水机组、阀门、管道及末端设备工作压力均小于1.6 MPa。除了冷水机组蒸发器需要加强外，与一般高层建筑设计差别不大，具有较好的经济性和节能性。需要注意的是应分析底层管道承压，选择镀锌管时可能应选加厚镀锌钢管。

2.2 设置中间换热器

在水系统中设置中间换热器，将水系统分成高、低区独立的系统，见图5；或将水系统分成高、中、低区独立的系统，见图6；从换热温差考虑节能、一次性投资，不宜设置3级以上中间换热器。只设置一级中间换热器，高、低区水的换热温差宜为1～1.5 ℃，即高区的供水温度比低区的供水温度夏季高1～1.5 ℃左右，冬季可低3～5 ℃；设置二级中间换热器的系统，高、中区或中、低区夏季换热温差宜取1 ℃，冬季换热温差宜取 2～3 ℃。

图5 设一级中间换热器

图6 设二级中间换热器

如长沙某广场，建筑高度303 m，66层，采用的是图6方案，在20层与50层分别设置中间换热器，20层以下冷热源主机直供，冷冻水供回水温度6/12 ℃，冬季热水供回水温度60/50 ℃；21～49层冷冻水供回水温度7/13 ℃，冬季热水供回水温度58/48 ℃；51～66层冷冻水供回水温度8/14 ℃，冬季热水供回水温度56/46 ℃。

设置中间换热器是不得已而为之的办法，它具有以下缺点：

①高区比低区供水温度高。对于设置二级中间换热器的系统，制冷主机制备6 ℃的冷冻水，经过两次换热以后，高区实际得到的是8 ℃冷冻水，相对于直供8 ℃冷水，冷水机组多耗能6～7%。

②由于设置了中间换热器，高、中、低区需要分别设置水泵，即中区增加了板换阻力以及过滤器、水泵止回阀、板换及水泵管路阻力，水泵功耗需增加，高区增加了二级板换阻力以及二级过滤器、水泵止回阀、板换及水泵管路阻力，水泵功耗增加更多。

③增加投资较多。热交换器换热温差小，换热面积要求较大，因此中间换热器投资较大，另需增加水泵、阀门、管道、管件等投资；供水温度提高，空调末端设备出力减小，需进行修正、放大型号，对于2 ℃以上温差的系统，末端相对低区系统宜加大一级。

因此，设计时应尽量扩大冷水机组直接供冷的范围，减少二次换热供冷的范围。

2.3 冷热源集中布置分区设置

1）冷热源主机集中设置，直接供给（不设中间换热器）

将水系统分为高低区，高区和低区分别设置冷水机组，冷水机组集中设在一个机房内，如图7。低区系统冷水机组Ⅰ可选用工作压力1.0 MPa设备，高区系统冷水机组Ⅱ可选用工作压力1.6 MPa（2.0 MPa）设备。超高层建筑一般设有裙房，面积较大，该种形式将塔楼（高区）和裙房+地下室（低区）机组和系统分开，避免了一泵到顶形式使所有设备均承受较高工作压力的缺点。

图7 高地区冷热源主机集中设置在地下机房

为加大直供高度，可将高区水泵设置在中间层，一般设置在避难层。如图8，将水泵移至避难层，底部机房高区部分只剩了冷水机组及其相应管道，相对来说，大大减少了底部机房的管道、阀门承压数量。只需将冷水机组及阀门工作压力提至2.0 MPa或以上，该方式可用于高度200 m的系统。

图8 高区设置设置在中间避难层

2）冷热源主机集中设置，直供+设中间换热器供给。

对于高度较高的超高层建筑，可采取直供+设置中间换热器供给方式，如图9。

图9 直供+设置中间换热器

如长沙某超高层建筑，328 m，采用的就是图9方案。商业裙楼1-5层及办公7～21层冷水由地下二层制冷机房冷水经地下二层制冷机房板换换热后提供，冷冻水供回水温度为7/13 ℃，热水由地下二层锅炉房热水直接提供，空调热水供回水温度为65/55 ℃。办公23～37层冷水由地下二层制冷机房直接提供，冷冻水供回水温度为6/12 ℃，热水由地下二层锅炉房热水经地下二层制冷机房板换换热后提供，空调热水供回水温度为62.5/52.5 ℃。办公39～57层冷水由地下二层制冷机房冷水经38层换热机房板换换热后提供，冷冻水供回水温度为7/13 ℃，热水由地下二层锅炉房热水经地下二层制冷机房和38层换热机房板换二次换热后提供，空调热水供回水温度为60/50 ℃。办公58～75层冷水由地下二层制冷机房冷水经38层换热机房板换换热后提供，冷冻水供回水温度为7/13 ℃，热水由地下二层锅炉房热水经地下二层制冷机房和38层换热机房板换二次换热后提供，空调热水供回水温度为60/50 ℃。

需要引起注意的是，避难层设置水泵的振动噪声问题。笔者亲历过的两个超高层建筑，高区水泵设置在避难层，水泵投入运行后，振动引起的噪声对上下楼层影响较大，两个工程均进行了隔振改造。由于土建已定局，改造的办法只能是增加一级减振。其实更好的办法是在初次设计时，将水泵设置在“浮筑”隔振地面上，“浮筑”隔振地面是将泵（机）房地面用弹性材料与楼板和四周墙体完全隔离，即将泵（机）房地面“浮筑”于楼板上。“浮筑”的弹性隔振材料，一般采用如玻璃棉的无机纤维材料或橡胶减振器。水泵在“浮筑”隔振地面上再设计隔振措施。

2.4 竖向分区设置冷热源站

对水系统的高低区分别设置冷热源设备，高区冷水机组可设置在中间设备层和屋顶，冷水机组可选水冷型或风冷型。对于超过300 m的超高层建筑，采用此种形式是十分必要的，因为前面所介绍的分区形式难以满足要求或不合理。

分区设置冷热源的分区方式存在以下问题：设备吊装相对困难；设备振动，噪音对楼内用房有一定影响。

如长沙某中心，建筑高度434 m，采用如图10方案。空调水管采用四管制。制冷主机分高、中、低区三处设置，分别在地下三层、54层、80层，27层以下主机直供；28～44层由设置在27层避难层的板换换热后供给；45～80层由54层主机供给，其中45～54层经54层换热后供给，55～80层由54层主机直供；81～90层由80层主机直供。供热27层以下由热水锅炉直供，28～44层由设置在27层避难层的板换换热后供给；45～80层由44层换热后供给，其中45～54层经44层换热后供给；81～90层经80层换热后供给。

图10 竖向分区设置图

3 结语

超高层建筑首先应分析空调水系统竖向压力分布，根据建筑物的高度、设备层（避难层）位置、房间功能、负荷分布情况等进行综合分析比较后确定，可采用上述分区方式或结合起来联合应用。