夏热冬暖地区超高层办公楼大温差空调设计

陈捷 黄箐

华蓝设计（集团）有限公司

过去的20多年，全球超高层建筑空前发展，共计46座高度超过250 m的建筑在2018年落成。我国随着国民经济的不断进步和发展，超高层建筑如雨后春笋般不断涌现。全球已建成100座最高的摩天大楼中，我国占有51座，其中最高的前20座中，我国占10座[1]。由于超高层建筑自身的特性，会给暖通空调设计造成一些难点。本文结合南宁绿地中心8#楼超高层办公楼的暖通空调设计，介绍了空调冷热源设计，空调水系统竖向分区，末端系统设计等，阐述了设计思路及难点，供同行设计师参考。

1 工程概况

本工程位于广西壮族自治区南宁市五象新区总部基地。项目集超高层办公楼、高层办公楼、商业、地下室汽车库于一体的城市综合体，总建筑面积约为30万m2。其中1～7#楼为高层办公楼，商业及售楼部，8#楼为超高层办公楼。

8#楼超高层办公楼，地下室2层，主要功能为汽车库和设备用房。地上共47层，首层为办公大堂，其他层办公用房，避难层设置在16层和32层。建筑高度为199.95 m，总建筑面积93825 m2。本文主要介绍8#楼超高层办公楼暖通空调系统设计，1～7#楼暖通空调设计不做叙述。

2 设计参数及冷热负荷

2.1 室内外设计参数

室外气象参数与室内空调主要设计参数分别于表1、表2所示：

表1 室外气象参数

表2 室内空调主要设计参数

2.2 冷、热负荷计算结果

8#楼空调系统夏季逐项逐时计算最大冷负荷为8732.3 kW，单位面积冷指标为93.0 W/m2，冬季计算热负荷为4037.7 kW，单位面积热指标为43.0 W/m2。

3 空调冷热源与水系统

3.1 空调冷热源

空调冷热源选择是超高层建筑暖通空调设计中的重要环节，应根据建筑物规模，用途，建设地点的能源条件，结构，价格以及国家节能减排和环保政策的相关规定等，通过综合论证确定。

根据本项目房间功能和业主使用、管理需求，在充分考虑当地能源供应现状，价格因素和空调制冷供热主机系统及末端搭配等方面因素，本工程集中空调及供暖系统冷热源配置如下：空调冷源采用三台单机制冷量为2947 kW水冷离心式冷水机组，热源采用二台单机制热量为2088 kW的燃气热水锅炉。水冷离心式冷水机组设在地下一层冷冻机房，燃气热水锅炉设在地下一层锅炉房。冷却塔设在7#楼裙房屋面。

3.2 空调水系统

本工程冷（热）水系统采用一、二次泵二管式闭式变流量系统（图1）。低区一次侧采用直接供冷及通过板式换热器供热，高区二次侧采用板式换热器换热供冷（热），板换设在地下一层锅炉房和32层避难层。一次侧冷水供回水温度6/13 ℃，热水供回水温度59/49 ℃。二次侧冷水供回水温度7/14 ℃，热水供回水管温度58/48 ℃。

图1 空调水系统原理图

空调水系统低区设三个环路：2～31层办公用房，16层及32层热回收新风机组、高区板换。高区设二个环路：33～47层办公用房、屋面层设备机房热回收新风机组。低区系统膨胀水箱设在33层空调机房，高区系统膨胀水箱设在屋面层设备机房。

为减少空调水系统的水力不平衡率，在各层水平干管上及热回收新风机组支管上设静态平衡阀及可调型自力式压差控制阀。低区空调水系统最大工作压力为1.81 MPa，高区空调水系统最大工作压力为1.06 MPa。

3.3 空调水系统竖向分区原则

当系统静水压力P＞1.0 MPa时，空调水系统竖向应分区。一般宜采用中间设备层布置换热交换器的供水模式。冷水换热器温差宜取1～1.5 ℃。热水换热温差宜取2～3 ℃[2]。超高层建筑空调水系统竖向分区设计是否合理，对工程的安全性，经济性和运行管理等方面会产生重大的影响，是空调水系统设计的重要环节。在综合考虑使用安全、运行节能和管理方便等因素，并结合建筑避难层设置的情况，确定空调水系统竖向分区原则如下[3]：

1）尽量减少经过板换换热次数，优先采用一次换热方案。

2）冷水机组和板式换热器根据系统具体情况选择不同的承压要求，当冷水机组或板式换热器和水泵需增大承压时，优先增大板式换热器和水泵的承压。

3）在满足冷水机组承压要求的前提下，尽量增大冷水机组直供区域。

4）末端设备承压不超过1.6 MPa。

5）系统最大工作压力不超过2.0 MPa。

3.4 空调水系统竖向分区设计

空调系统设备及管件的承压能力主要有1.0 MPa、1.6 MPa、2.0 MPa、2.5 MPa几种[2]。通常制冷主机，水泵，板式换热器及其连接件承压最好控制在2.0 MPa以内。。风机盘管、新风机组等末端设备承压一般达不到2.0 MPa，所有末端设备及其配件的承压一般控制在1.6 MPa或1.0 MPa以内。如果要增大设备的承压范围，选用非标产品，则设备的初投资增加，经济性降低。因此本项目的制冷主机，板式换热器，二次侧水泵及连接件等承压控制在1.6 MPa，一次侧水泵及连接件控制在2.0 MPa，风机盘管，新风机组及配件承压控制在1.6 MPa，冷冻水系统仅经过一次换热，换热系统经济性最优化。

8#楼超高层办公楼制冷组机房位于地下1层，建筑标高-5.6 m，16层避难层建筑标高67.8 m，32层避难层建筑标高135.6 m，屋面建筑标高199.95 m。根据以上情况综合考虑，将8#楼空调水系统竖向分为高、低2个区。其中地下1层至32层为低区，冷冻水系统直接由地下1层制冷机房提供。33层至47层为高区，在32层避难层设置换热机房，冷冻水由低区供至高区一次侧板式换热器换热后供高区空调末端系统使用。

32层至地下1层为低区系统，低区膨胀水箱设置33层，定压点设在制冷机房集水器上。低区系统静水压力为147 m，一次侧冷冻水泵扬程为34 m，因此低区系统最大工作压力为1.81 MPa。一次侧冷冻水泵采用从制冷主机吸出的方式，以减少制冷主机及水泵承压，降低设备初投资。

47层至33层为高区系统，高区膨胀水箱设置在屋面层设备机房内，定压点设在32层换热机房集水器上，高区系统静水压力为74 m，二次侧冷冻水泵扬程为32 m，因此高区系统最大工作压力为1.06 MPa。二次侧冷冻水泵采用从板式换热器吸出的方式，以减少板式换热器及水泵的承压，降低设备初投资。

供热水系统分区与冷冻水系统分区相适应，在地下一层锅炉房采用燃气热水锅炉供热，通过锅炉房及32层避难层的板式换热器换热后分别供至系统的低区和高区。热水系统及冷水系统通过分水器上的阀门切换实现冬夏工况转换。

4 空调末端系统

4.1 风机盘管

超高层办公楼通常都会采用大温差小流量的冷冻水系统。因为大温差小流量系统有着可以减少空调冷冻水输送量，降低水泵能耗，减少水系统管材和设备的初投资等优点。但加大冷冻水供回水温差会对末端设备换热能力产生一定的影响。因此需要采用合适的供回水温差，将影响控制在合理的范围内。

对于相同的进水温度，随着供回水温差不断增大，风机盘管机组的实际供冷量逐渐减小。在相同的供回水温差下，随着冷冻水温度的降低，风机盘管机组的平均供冷量呈现不断增大的趋势[4]。本项目低区采用6 ℃供水，13 ℃回水，7 ℃温差的冷冻水系统，二次侧高区采用7 ℃供水，14 ℃回水，7 ℃温差的冷冻水系统。根据某企业的风机盘管选型软件计算，得出风机盘管在不同温差下的换热特性如表3所示。

表3 风机盘管在不同温差下的换热特性

从表3中数据可以看出，随着供回水温差加大，供水温度升高，各型号风机盘管换热能力呈下降趋势。导致这一结果的原因是因为随着温差加大，水流量相应减少，导致盘管表冷器管束内流速降低，换热能力下降，从而制冷量减少。各型号风机盘管大温差工况与标准工况制冷量下降百分比如表4所示。

表4 风机盘管大温差工况与标准工况制冷量下降百分比

从表4中数据可以看出，低区采用6 ℃供水，13 ℃回水，7 ℃温差下风机盘管机组制冷量降幅在7.7%～15.1%之间。高区采用7 ℃供水，14 ℃回水，7 ℃温差下风机盘管机组制冷量降幅在17.2%～25.2%之间。高区风机盘管制冷量降幅更为显著。因此在超高层空调系统设计中采用大温差小流量的空调冷冻水系统，风机盘管非标况的制冷量应采用适当的修正系数或由企业提供的选型计算软件计算出非标况下的实际制冷量，再根据各房间的计算冷负荷进行选型。不能采用标准工况下的制冷量进行选型，否则会造成比较大的误差，导致房间制冷量不足，达不到设计的要求。

4.2 新风机组

为保证本项目建筑外立面玻璃幕墙效果，新/排风系统的热回收新风机组分别设置在16、32层避难层及屋面机房层，每个区域设置2台，每台热回收新风机组处理风量为45000 m3/h。采用竖向管井经各层水平干管引至各办公房间。为适当增大有效的送风范围，避难层的机组采取向上下层区域同时送风的方式，每组全热回收机组竖向送风范围为13～15层。设在16层避难层的机组负担2～18层。设在32层避难层的机组负担19～34层。设在屋面机房层的机组负担35～47层。具体设置如图2所示。

图2 各层热回收新风机组竖向分区系统图

各层水平回风管通过排风竖井将室内回风汇总至各机房热回收新风机组，与从室外引入的新风通过机组换热管进行充分的热交换后（显热交换效率达60%）排出室外。热交换的新风再表冷器降温除湿处理，经送风竖井由各层水平送风管送入各办公区。各层送回风干管上设电动风量调节阀，根据各层实际使用情况启闭，热交换新风机组内设二氧化碳浓度传感器，通过实时的二氧化碳浓度及各楼层投入使用情况进行变风量调节，按需控制新风量供应，减少新风负荷，降低运行能耗。

5 结论

1）超高层建筑空调水系统分区设计要综合考虑使用安全，运行节能和管理方便等因素，并结合建筑避难层的设置情况，保证空调制冷主机，水泵，板式换热器，末端设备及管件在合理的承压范围内。

2）大温差小流量冷冻水系统，要根据实际供回水温差及供水温度，对非标准工况下的风机盘管等末端设备制冷量修正后再进行设备选型。

3）为保证建筑外立面玻璃幕墙整体效果并实现能量回收，节能减排，超高层建筑新/排风系统宜采用热回收新风机组，并结合避难层机房竖向分区设置。