某超高层建筑冷热源及水系统分析

吴立人

（华东建筑设计研究总院机电二院）

1 引言

作为现代城市中的地标，超高层建筑不仅在一线城市趋于密集，二三线城市也涌现出越来越多高品质的超高层建筑，在建筑师不断展现个性化的同时，也对暖通工程师提出了新的挑战，其中，提升冷水机组的能效和减小空调水系统的输送能耗，是暖通专业在超高层建筑设计中着重探讨的研究对象。

本文主要以实际项目案例来进行方案比较，初步展开对超高层水系统分区设计的思考。

2 项目概况

本项目位于华东地区，是一个包括五星级酒店、甲级写字楼、百米办公楼、金融类商业裙房、商业MALL的超高层城市综合体。建筑单体包括超高层主塔楼、百米塔楼、裙房及地下车库。超高层主塔楼高度420m，地上88层，地下室4层。总建筑面积248224m2，其中地上3～52层为办公，53～72层为公寓办公，73层以上为五星级酒店），地下室包括商业、酒店用房、设备用房及地下车库。百米办公楼99m，地上22层，地下3层。商业裙房地上6层，地下1层。

论文将对主塔楼水系统分区和设备承压方案设计进行讨论。

3 功能分区及空调系统分区

3.1 建筑功能分区

主塔楼地上共88层，其中10F、20F、31F、41F、52F、62F、71F、81F为避难及设备层。

建筑功能分区及主要设备用房如图1：

3.2 水系统分区设计思路

3.2.1 功能分区

图1 建筑功能分区简图

按冷热源和使用功能不同，本建筑水系统分为酒店、办公和公寓办公，与建筑竖向分区基本一致，在此基础上，酒店分为高区和低区，其中高区主要为酒店客房、行政酒廊及功能用房等，低区为酒店大堂、宴会及服务用房。办公与公寓办公使用市政冷热源，在换热机房内分别设置独立的换热器供给各自分区，通过竖向管井输送至各功能分区。

3.2.2 系统承压

设备的承压能力应按系统运行时的压力考虑。当系统运行时，建筑物内任一位置的设备、管道、阀门及配件的工作压力是管道内该点的静水压与水泵在该点产生的动水压力之和。

空调设备的压力等级一般有1.0MPa、1.6MPa、2.0MPa、2.5MPa等， 在 实 际应用时，应根据其在建筑和空调系统中所处位置，确定空调设备的工作压力，并使设备承压能力不小于工作压力，确保设备使用安全。特别需要注意丝扣连接的接口承压能力较差，因此，当采用风机盘管时，分区压力不应超过1.6MPa，而采用空调箱时，分区压力做到2.5MPa。本工程空调末端除大空间场所如各功能区大堂、中庭及酒店行政酒廊采用全空气定风量系统外，其他空调区域主要以风机盘管加新风系统为主。

3.2.3 换热损失及经济性比较

主要有两个出发点：

1）在设备承压的允许范围内，将换热降低到最少。空调水系统中尤其是空调冷水，1℃的温差对夏季空调舒适性的影响非常大的，所以在冷水机组送回水温度为正常6℃/12℃的前提下，经一次换热（1℃温差）后达到7℃/13℃，如供水温度升高到8℃，舒适性则大大下降。

2）在满足前两项要求的同时尽量考虑经济性，其中包括直接经济性（设备造价）和间接经济性（如设备布置合理化对建筑面积的影响等），如为了满足承压要求，过多设置换热器和水泵，除造成温差损失过多舒适性下降外，还会造成初投资增加，以及机房面积过大等影响。

4 设计方案

4.1 办公及公寓办公

1）换热器

在满足空调末端的工作压力前提下，我们将换热器均集中设于31F，其中办公二次板换工作压力为1.0MPa，公寓办公二次板换工作压力2.0MPa，从而使一次（市政引进）换热器的工作压力达到2.0MPa。换热器及其系统附件的工作压力均能满足一般安全要求。

2）冷热水泵

根据不同功能和系统高度，将二次冷热水泵分别设于31F（办公）及52F（公寓办公），使冷热水泵承压小于1.0MPa。此外，公寓办公的二次冷热水泵也可设在31F公寓办公换热机房内，但由于31F设备机房过多，如风机房、变电所等，以及建筑要求的避难区面积非常紧张，无法将换热器及其水泵设置在一个大机房内，考虑到水泵位置提高也可将其工作压力减小，故将公寓办公的二次冷热水泵设置在面积相对不是很紧张的52F，其工作压力为1.0MPa。

3）空调末端

方案中，由于办公低区的末端空调箱和风机盘管由办公部分空调一次水供应，此干管同时将空调冷热水送至31F办公二次换热机房内，故除了其他区域空调末端的工作压力为1.0MPa外，办公低区的空调末端工作压力达到了2.0MPa，虽然也能满足现有设备市场的安全要求，但也须在设备表中加以注明，与其他区域的末端设备加以区分。

4.2 酒店部分

①酒店空调水系统为四管制。冷水机组设于B4F，冷却塔设于裙房屋面，采用燃气热水锅炉作为空调及生活热水热源，锅炉房设于B1F。

空调分为低区和高区，高区以客房为主，低区以宴会会议为主。

②酒店低区空调冷水单独在B4F冷冻机房内设置板交换热，供给低区功能用房及宴会等，供回水温度7℃/13℃。高区空调冷水换热一次，换热机房设于41F，冷水机组工作压力近2.5MPa，板换及其管材、管件等承压也近2.5MPa，酒店冷水二次泵设于62F，水泵及其管件承压小于1.6MPa，高区酒店末端空调箱及风机盘管承压1.0MPa。

③酒店燃气热水锅炉房设于B1F，分别供给低区及高区空调及生活热水，高区热水设两次换热，换热机房分别位于10F及52F，高区二次泵房设于10F换热机房内，三次泵房设于62F水泵房内，热水锅炉承压1.0MPa，一次换热板交承压2.0MPa，二次换热板交承压1.6MPa，三次水泵后末端空调箱及风机盘管承压1.0MPa。

5 方案探讨

基于本建筑功能分区及特性，设计原则有以下几个：

①系统及设备的安全可靠性；

②设备的经济合理性；

③系统分区方案对于建筑本身的可行性。

根据以上原则，在之前所作的分区方案中，有几个值得探讨的地方。

5.1 冷水机组与换热器的工作压力

在选择酒店冷水机组时，为了减少换热损失，冷冻机房后端只进行了一次换热，将冷水机组工作压力定为小于2.5MPa，虽然冷水机组的工作压力由常规的2.0MPa升高到了2.5MPa，但使换热器工作压力降低到2.5MPa以下。

在对设备选型时，除了设备本身的工作压力和规格外，设计人同时应考虑到其附属设备及其附件的安全可靠，以及进行各方案成本对比，结合工程实际情况来选择合适的方案。

5.2 办公及公寓区段分区

与酒店的设计思路一样，将公寓办公空调水泵位置作了相对的提升，将空调水泵房设于五十二层，以降低冷热水泵的工作压力。

5.3 水系统分区对建筑的影响

在本项目中，首先考虑到冷冻机房面积及荷载较大，层高要求较高，且运输及装载条件受到当地条件限制，但冷冻机房面积较大，加上本层还有上下两个区段的消防风机房及空调机房、酒店的变电所、水泵房等各种机电用房，使设备层即避难层避难区的面积大大缩减，无法满足规范要求。

本建筑是比较典型的综合型超高层建筑，功能多，机电专业需要的面积较大，在机电服务于建筑的原则下，合理排布设备机房，以满足功能使用需求，是方案设计中的一项重要内容。

6 结语

本文对400m以上超高层典型建筑空调水系统分区进行了初步的介绍和讨论，梳理了方案阶段的各部分注意事项，进行了方案可行性和合理性的比较，特别提出空调系统始终是以服务建筑为主，须根据建筑本身的特点和组织进行必要的协调，既要满足空调水系统各环节的安全可靠，也要在有限的条件下，使水系统在整个建筑框架中达到“物尽其用”的目的，进而使整个机电系统合理化。希望能对超高层建筑的空调设计能做一些有益的探索和研究。