浅谈广州某超高层建筑空调水系统分区设计

许 穗 民 ， 刘 坡 军 ， 张 斯 雅

（1.广东省建筑设计研究院有限公司，广东省广州市 510010；2.广东省制冷学会，广东省广州市 510080）

随着技术进步和经济发展，超高层建筑如雨后春笋般拔地而起。为了与项目的定位匹配，超高层建筑一般都采用冷冻水系统。而整幢建筑物的空调容量大，各房间功能迥异，使用规律与负荷特点差别很大，空调水系统竖向合理分区，一直都是暖通空调设计师的挑战。空调水系统竖向分区是否合理，是暖通设计一个非常关键和重要的环节，对整个项目空调水系统方案确定，起着决定性的作用。本文以作者的实际工程案例，对超高层建筑空调水系统竖向分区三种常见方法［2，8-11］，对各形式水压分布和设备承压情况分析比较，再根据功能房间使用需求，而确定采用水冷与风冷相结合的空调系统方案。

1 目前空调系统主要设备和管道系统的承压

保证设备在实际运行时的工作压力不超过其额定工作压力，是系统安全运行的必须要求［1］。充分利用设备和管道系统承压能力，是确定竖向分区方案的前提条件。

1.1 设备承压［2］

（1）冷水机组：1.6、2.0 MPa

（2）空调机组、风机盘管机组：1.6 MPa

（3）板式换热器：1.6、2.0、2.5 MPa

（4）手动、电动阀门：1.6、2.0、2.5、4.0 MPa

1.2 管道系统承压

根据文献［3］调研结论，

（1）薄壁不锈钢管道最大承压不能超过1.6 MPa，钢塑复合管、铜管最大工作压力不超过2.5 MPa。当系统工作压力≤1.6 MPa时，可采用焊接钢管，当系统工作压力大于1.6MPa时，宜采用无缝钢管。

（2）管道连接方式的承压

卡压、卡套连接最大承压不超过1.6 MPa；螺纹连接最大承压不超过1.6 MPa；沟槽连接采用螺纹式机械三通时其最大承压为1.6MPa，不采用螺纹式三通时最大承压为2.5 MPa；螺纹法兰连接最大承压为1.6 MPa，普通焊接法兰连接最大承压为2.5 MPa，特殊工艺的法兰可以达到4.0 MPa，甚至更高的承压要求；焊接连接承压可以达到管道本身的承压要求。

（3）空调水系统的其它附件（如水处理设备、过滤器、软接等）的承压应根据系统工作压力选取。

2 超高层空调水系统竖向分区常见方案

在充分利用设备和管道系统承压能力的前提下，常采用①冷水机组统一设置在地下室机房，采用高承压管道和设备；②设置板式水-水换热器竖向分区；③冷水机组上楼分段设置空调系统的方式来进行竖向分区。

（1）冷水机组统一设置在地下室机房，采用高承压管道和设备系统方案。该方案系统的工作压力较高，设备和管道系统选用和安装工艺要求严格。但此方案冷水机组集中设于地下制冷机房内，噪声和振动的问题容易处理，安装方便，冷水机组可综合全楼能耗进行集中控制，综合能效比高。没有中间换热设备和分区循环泵，冷水温度和末端设备的换热面积不变，运行能耗降低，能源利用效率提高。一次水循环系统可减少管路及设备投资，系统简单，运行管理简单。

（2）设置板式换热器竖向分区方案，低区采用水冷冷水机组直接供冷，高区采用经中间换热设备换热后的二次水。根据文献［4］的措施要求，高、低区采用同一冷热源，在中间设备层内布置水－水换热器供高区使用，应符合下列要求：

1）高区二次空调冷水供水水温宜高于一次水供水水温1～1.5℃；

2）高区二次空调热水供水水温宜低于一次水水温2～3℃。

该方案可将设备和管道系统承压控制在1.6MPa以内，但因二次水温升高，经过一级板式换热器，冷源的供冷效率降低20%，在相同负荷的情况下，高区末端设备表冷器面积增大20%，不仅降低能源利用效率，系统还增加了高区循环泵，运行管理相对复杂。

（3）冷水机组上楼分段设置空调系统的方式即高、低区分别设置独立的冷水机组，互不影响，不存在因换热造成的能量损失。根据文献［4］的措施要求，高区冷热源设备布置在中间设备层或顶层楼板上时，应妥善解决设备的消声、隔振问题以及对设备层净高、结构的荷载要求。

作者将本超高层采用冷水系统作为初步方案，进行水压计算、分析和比较，来确定设备和管道系统承压能力，以充分利用其承压能力，且分区次数尽量少为基本原则，最终确定舒适安全的空调水系统方案。

3 设备承压与系统高度的关系

3.1 水压计算与分析［5-7］

如图1常见水系统示意图中A点为系统最低点，其中水箱到A的的高度为h0（管路最低处静水压力），水泵杨程为hp。

图1 方案一 水泵压入制冷主机

图2 方案二水泵吸出制冷主机

图3 方案三水泵吸出制冷主机

当系统停止运行时，A 点压力为系统静水压力：

当系统启动瞬间，由于动压尚未形成时，A点水压为系统静压与水泵全压之和：

当系统正常运行时，水泵出口压力为系统静压与系统总阻力之和：

当系统启动瞬间，由于动压尚未形成时，管路中任意位置D点水压为系统D点位置处静压与水泵全压之和：

式中

HA— 系统静水压力，m H2O；

h0—管路最低处静水压力，m H2O；

hd— 管路任意位置D 点处静水压力，m H2O；

hp— 水泵压头，m H2O；

△hDA— 管路任意位置D 点～A点阻力损失（小于水泵压头），m H2O。

表1 各方案压力情况

由于系统启动瞬间，各点水压为系统静压与水泵全压之和减去△hDA， 为最大值，因此系统任意位置处设备和管道及辅材耐压等级应按照其所在位置处的静压与水泵全压之和减去△hDA确定。

3.2设备承压

系统任意位置处设备和管道及辅材的承压应不小于其所在位置处的静压与水泵全压之和。即

式中

P—设备承压，Pa；

Pd— 管路最低处静水压力，Pa；

Pp—水泵压头，Pa。

4 案例分析

4.1 建筑概况

广州某总部基地项目， 建筑面积约192960m²，地下三层，地上裙楼三层，二座塔楼分为A塔楼和B塔楼，A塔楼三十六层，顶标高+149.95m， B塔楼楼三十二层， 屋面标高+128.85m。其中：

（1）地下一～三层主要功能汽车库和设备配套用房，其中制冷机房设置在地下二层；

（2）裙楼首层～三层主要功能为A,B座大堂、餐饮用房和商场等；裙楼四层做空调机房、避难层等；

（3）A塔楼：五～三十三层为出租办公用房，三十四～三十六层为该公司内部办公用房；

（4）B塔楼：五层～三十四层作办公用房等；

（5）A塔楼和B塔楼二十一层作避难层，A塔楼十二层局部做避难区；

（6）拟采用空调冷水系统，仅夏天供冷。

4.2 水压力特性

对高度较高的A塔楼作方案选定，且其空调水系统拟采用设计扬程为36.0m的冷冻水循环泵, 高位膨胀水箱定压标高为 +(149.95+2.00)m

拟采用冷水机组设置于二层地下制冷机房高承压设备和管道系统，不做竖向分区。

根据公式（5），可得

当冷水机组进水口侧承受的压力大于所选冷水机组蒸发器的承压能力，但系统静水压力在冷水机组蒸发器承压能力以内，且末端空调设备和管件、管路等能够承受系统压力时，可将水泵安装在冷水机组蒸发器的出水口侧（水泵抽吸式），水系统竖向可不分区。［4］

计算结果显示，该项目空调水系统采用方案二（图2）的定压方式，即水泵吸入侧与冷机组相连，定压点在水泵吸入口前，竖向不分区。

4.3 该项目AB两塔楼空调系统最终设计方案

（1）客户对功能房间提出新的需求

1）对于A塔楼三十四～三十六层自用办公区域实现夏天供冷冬天供暖；

2）空调系统独立于其他楼层，实现24小时不定时的供冷或供热；

3）裙房商业、出租办公需进行计量管理。

（2）根据以上要求，结合该项目的使用功能，采用风冷水冷搭配的中央空调系统。

1）风冷部分：AB座一～三层电梯厅设置商用分体空调系统。A塔楼三十四～三十六层自用办公区域设置多联式中央空调系统，室外机设置在A塔屋面。

2）水冷部分：分别于裙房商业部分，A座塔楼五～三十三层出租办公用房部分，B座塔楼部分设置三套独立的水冷中央空调系统，制冷机房设置在地下二层，冷却塔放置在裙房屋面；AB座塔楼首、二层大堂空调设置全空气系统，全空气处理机组设置在裙楼四层空调机房，送回风管通过竖向管井送至对应大堂。

制冷主机房设于地下二层（标高-11.2m），制冷工况冷冻水设计供/回水温度7/12℃，冷却水设计供/回水温度为32/37℃，冷却水泵、冷冻水泵与制冷主机一一对应设置。冷冻水泵设于地下二层制冷机房内（标高-11.2m），设计扬程36.0m。空调末端采用风机盘管加新风系统。

（3）以A塔楼五～三十三层出租办公用房部分的空调水系统为例再次进行校验。

地下二层制冷机房标高为-11.2m，系统最低末端设备位于裙楼四层空调机房，标高为+16.00m，系统最高末端设备位于33层，末端标高136.80m，高位膨胀水箱定压（标高为+139.00m），定压接入点为制冷机房内的水泵吸入口处，A塔空调竖向水系统示意图，见图4。

图4 A塔空调竖向水系统示意图

对于A点，地下二层水泵出口侧设备承压：

对于B点，四层设备承压：

对于C点，十九层设备承压：

对于地下二层水泵入口侧设备（制冷主机）承压：

因此，A点～B点仅制冷机房间的设备，管道及辅材的承压选用2.0 MPa等级；B点～C点四层至十八层区间的设备，管道及辅材的承压选用1.6 MPa等级；C点十九层～顶层区间的设备，管道及辅材的承压选用1.0MPa。A塔楼五～三十三层出租办公用房部分的空调水系统工作压力满足设备和管道系统的承压能力。

5 结论

（1）参与超高层项目空调水系统设计时，务必掌握设备和管道系统的承压能力；

（2）务必先对空调水系统进行最大工作压力的计算；

（3）结合现行设计规范和技术措施的规定，工作压力控制在2.0Mpa以内为前提，进行分区方案对比；

（4）应尽量用足一次水可能达到的高度，避免分区，也是一项节能措施。

（5）空调水系统设计发生变更后，务必再进行水压验算，并将不同的工作压力于水系统图标注清楚。