超高层建筑暖通空调系统设计分析

顾畅

北京国科天创建筑设计院有限责任公司 北京 100042

引言

超高层建筑在一线城市的数量越来越多，无论是人们的生活还是工作，超高层建筑都是人们的主要聚集地之一，和普通建筑相比，超高层建筑的结构往往更加复杂和庞大，同时还需要容纳更多的人以及承担更多的功能，在这种情况下，做好对超高层建筑暖通空调系统的有效设计，能够更加全面考虑到超高层建筑的整体特征，遵循超高层建筑的相应原则，才能保证暖通空调设计符合超高层建筑的整体舒适性，满足人们的生活、工作需求。

1 项目概述

本项目以某市超高层建筑设计为主，该项目总建筑面积约为200000m2，其中地上建筑面积约为137800m2，地下面积约为62200m2。整个项目包括两栋超高层塔楼和裙房，裙房六层，主要以商业、商务、餐厅以及多功能服务为主，超高层A、B两座塔楼属于甲级办公楼，A做39层， B座32层。在设计过程中，参考国家规范标准，确定该超高层建筑的主要功能房间室内设计参数，如表1所示。

表1 高层建筑室内参数

2 超高层建筑暖通空调系统设计

2.1 冷热源系统设计

首先是针对裙房和塔楼办公区的冷热源系统进行设计，根据物业管理分割需求，A座和B座两栋塔楼冷热源分别设置，两套制冷系统独立运行，本次以A座塔楼为例，进行系统设计论述。

A座塔楼冷源设置在地下一层的制冷机房内，采用两台离心式制冷机组、两台螺杆式制冷机组，均为变频机组，搭配运行。本项目空调水系统采用两管制，根据建筑高度，分为高区和低区两个不同的区域，低区定压100m水柱，高区定压200m水柱。冷源一次空调冷冻水供回水温度为5.5/11℃，直供低区空调水系统；一次空调冷冻水经冷水板式换热器换热后，提供二次空调冷冻水，供回水温度为7/12.5℃，为高区空调水系统提供冷源。冷水循环泵均为变频泵，变流量运行，分、集水器之间设置电动旁通调节阀，调节阀的设计流量取各台冷水机组允许的最小流量中的最大值[1]。低区补水定压系统采用变频补水泵及定压罐定压，高区补水定压系统采用高位膨胀水箱定压。冷却水供回水温度为32/37℃，冷却塔设置于六层裙房屋面，冷却塔台数与冷水机组一一对应，采用变频调速风机控制风量，通过调节风量控制出水温度。

A座塔楼热源由空气源热泵机组提供，采用四台空气源热泵，主机设置于塔楼屋面，一次热水供回水温度为55/45℃，直供高区冬季空调水系统；二十二层为避难层，本层设置一套热水板式换热机组，为低区冬季空调水系统提供二次热水，供回水温度为50/40℃。

在进行冷热源设计时，应在确保冷负荷计算的准确性前提下，综合考虑冷热需求及能源消耗，合理配置冷热源主机的容量，使超高层建筑与暖通空调的设计合理的结合在一起。

2.2 空调风系统设计

设计人员对超高层建筑暖通空调系统的通风进行设计时，需要遵循相关的设计标准，通过计算了解该建筑所使用的冷负荷指标，从而使设计完成的暖通空调系统符合建筑物的使用需求[2]。如果设计人员忽视了设计阶段的相关标准要求，往往会导致设计规范不合格，同时也会导致建筑成本增加。

本项目首层大堂采用全空气系统，组合式空调机组安装于机房内，风机变频，风量可根据室内温度需求进行调节，机组混合段设置电动调节阀，可实现变新风比运行。裙房商业采用风机盘管+新风系统，新风采用集中热回收系统，减少能耗实现节能。办公区采用外区风机盘管、内区全空气变风量空调系统，风机盘管承担外围护结构冷热负荷，变风量空调系统承担内区人员、设备、照明、新风负荷，变风量空调系统由空调机组、单风道末端装置等组成，空调机组设置于核心筒空调机房内，靠风管内的静压传感器控制机组风机变频运行，以固定的送风温度和变化的送风量送入设在室内的变风量末端装置风箱，再通过风箱经风管及风口送入室内。本项目变风量末端装置采用压力无关型风箱，当控制室温未变化时，风道压力的变化应由末端装置自动调整风阀开度而保持当前的送风量不变。变风量末端装置可随该房间温度的变化自动控制送风量，使空调房间过冷或过热现象得以消除，能量得以合理利用，并提高室内舒适度，有利于更好地满足不同条件下和环境中的暖通空调优化运行需求。

2.3 防排烟系统设计

针对超高层建筑暖通空调系统的设计中，防烟系统的设计需要做到火灾时，防烟楼梯间、独立前室、消防电梯前室、合用前室、避难走道前室、避难层能够安全使用，阻止烟气入侵，实现人员安全疏散；排烟系统的设计需要做到室内烟气有效排除，避免烟气堆积危害人身安全。

本项目机械加压送风系统竖向分段设置，每段高度不超过100m，地上与地下分别独立设置，加压送风机设置在专用机房内，风机设置带防火阀的余压阀压力控制装置，以控制加压送风系统在该部位的正压值，楼梯间与走道之间的压差应为40～50Pa，前室、避难层与走道的压差应为25～30Pa[3]。加压送风系统与火灾自动报警系统联动，前室的加压送风口设手动与自动开启装置，并与加压送风机的启动装置联动。避难层除设置机械加压送风系统外，应在外墙设置可开启外窗，其有效面积不应小于该避难层地面面积的1%。

本项目机械排烟系统竖向分段设置，每段高度不超过50m，排烟风机设置在专用机房内。考虑到排烟风管较大，占用室内吊顶空间较多，排烟系统尽量采用外窗自然排烟，与建筑专业设计人员共同协商外窗开启高度及开启面积，合理设计储烟仓厚度，满足室内清晰高度要求。

2.4 节能环保设计

随着当今社会的快速发展，资源的消耗也越来越多，节能环保成了当今社会重点关注的问题之一。在这种情况下，各行各业加强了降低能源消耗的措施，而在超高层建筑暖通空调的设计研究中，如何合理降低能源消耗是设计的主要问题。在设备选型过程中，首先对制冷机组的性能系数进行判定，需满足节能设计标准中的数值要求，其次是合理布置管线路由，并对循环泵的耗电输冷比进行计算，应满足规范要求限值，循环泵采用变频变流量，以达到节能目的。冷热能源中心采用机房群控系统，按需提供冷、热量，由于自动化系统运行程序是固定的，可以避免人为原因导致设备不合理运行，对于提升整个系统的运行效率起到了重要的作用。自动化系统控制可以减少能源的浪费，并降低人工费用和运行成本。末端组合式空调机组可调新风比，过渡季节利用新风消除室内余热，新风机组热回收处理，可以降低空调系统能耗和运行费用，利于节能设计。

3 设计总结及难点

3.1 总结

在超高层建筑暖通空调系统的设计过程中，要遵循安全性、可行性、舒适性以及经济性的原则。超高层建筑内人员及设备较多，一旦发生火灾，对于其居住人员的生命财产安全造成了严重的威胁，所以超高层建筑在设计的过程中，就需要保证拥有足够的安全性，同时在施工过程中，应保证建材原料的安全性，且避免在较小的空间进行安装调试，在消防设备及管道的施工中，严格按照施工图纸的具体要求进行铺设，避免出现不规范的问题，当暖通空调系统动力区域出现异常时，应该及时对故障位置进行排查。在可行性的原则中，超高层建筑暖通空调系统设计应该遵循相关建筑设计规范，确保设计具有合理性，尤其是对湿度和温度方面的控制一定要严格把控，减少暖通空调的能源消耗问题。针对舒适性原则，设计人员要考虑到吸收此前超高层建筑暖通空调设计中的优势，对弊端采取合理的措施进行规避，使暖通空调在应用中为建筑居民提供优质的室内环境[4]。而在经济性原则中，设计人员不但要考虑到以上三点的要求，更需要降低其中的成本支出情况，在保证设备的实用性和先进性中，对设备材料的采购进行严格控制，但不能盲目地压缩成本而导致超高层建筑暖通空调使用效果达不到需求。在施工前，可以由专人对相关的各项费用进行预算，这些预算费用包括安装、调试、售后等费用的预算，有利于减少不必要的支出，才能实现对成本的有效控制。

3.2 难点

在超高层暖通空调的系统设计分析中，主要存在以下几个难点，首先是对超高层建筑制冷主机及循环水泵的有效选型问题中，超高层建筑体量大，且外围护结构采用玻璃幕墙的情况多，导致夏季冷负荷大，仅依附于冷负荷计算并不能完全实现提供冷负荷与实际需求的合理配比，实际运行时，过渡季节和夏季室外温度高时，制冷主机开启数量也不同。在此情况下，如何合理选型主机是设计的难点，设计人员需要尽可能收集当地实际项目设备运行资料，参考以往优秀超高层设计案例，结合计算值与经验数据，对制冷能源中心进行合理设计。空调循环水泵设计的过程中，循环水泵由于循环水量比较大，很容易导致资源的浪费，系统水管较为复杂，沿程阻力及局部阻力计算是设计难点，水泵扬程的选择决定了水系统的稳定性，需要在设计过程中重点把控计算选型。其次是空调水系统的定压，超高层建筑由于其高度的特殊性，需对空调水系统进行竖向分区，每个区域的定压值不同，应保证每个系统不超压、不倒空、不汽化，保证用户有足够的资用压头，回水管内任何一点的压力，都比大气压力至少高出50KPa，以免吸入空气。水力平衡方面，空调水干管采用异程式布置，系统分区后，每个系统的地下主干线最近端与最远端应尽可能缩短，主干线及立管应采用放大管径的低比摩阻设计，并在每个楼座引入口设置平衡阀调节，保证各楼之间的水力平衡，每层出管井处干管也应设置平衡阀调节，保证各层之间的水力平衡。

4 结束语

在超高层建筑暖通空调的系统设计分析中，从设计的角度出发保证建筑的安全性能提升，可以保证空调系统在今后的运用过程中给人们提供良好的舒适性，加强暖通空调系统的设计，并全面考虑到暖通空调的各个方面，可以更好地保证设计质量，使超高层建筑暖通空调设计水准满足人们的使用需求。