超高层建筑项目暖通空调系统设计分析

常 珠

（山西工程科技职业大学，山西 晋中 030619）

0 引言

超高层建筑因具有土地资源利用率高的特点而在现代建筑行业中占据较大的比重，暖通空调属于其不可或缺的设施，在调节建筑室内温度、湿度等方面均有重要作用。在发展低碳经济的当下，超高层建筑项目暖通空调系统需兼顾暖通空调功能的有效性和与节能环保相关的多项要求。因此，深入探讨暖通空调系统的设计方法极具必要性[1-2]。

某超高层建筑项目地下3层、地上51层，建筑高度为232m，建筑面积约为13.5万m2。地下3层作为设备用房及地下车库，地上首层为大堂，2～4层为商业和餐厅，剩余各层均定位为办公区。本文就该超高层建筑项目暖通空调系统的设计进行分析。

1 超高层建筑暖通空调设计原则

1.1 可行性原则

超高层建筑暖通空调系统设计方案必须具有可行性，在此前提下，根据方案开展暖通空调的各项施工活动。设计人员在设计工作中需综合考虑暖通空调的运行特性、建筑对其的要求、现场运行环境等，以统筹兼顾的理念进行设计。除了温、湿度调节功能的有效性外，还需控制暖通空调运行时的能源消耗，以免引起资源浪费、环境污染问题。因此，为保证暖通空调系统设计的可行性，功能有效性和节能环保特性必须成为设计中的重点。

1.2 可调节性原则

不同季节的环境温度不同，用户对暖通空调温度的要求也随着季节的变化而改变，设计人员需关注此特点，赋予暖通空调可调节的特性，以满足特定季节的温度调节需求。环境因素对超高层建筑暖通空调的使用有明显的影响，因此设计人员需考虑环境因素的影响机制，提高暖通空调的荷载能力，避免由于外部因素的作用而出现暖通空调无法正常运转的情况。

1.3 实用性

暖通入口是实用性设计的重点，例如设施的安装需符合标准规定，温度计等辅助设施必须配置到位，加强对暖通空调设备运行状态的检查。除了前期的有效建设外，后续暖通空调的运行维护需具备便捷的条件，需妥善设置室外暖通空调设备的接口，提供充足的空间用于检查和维修。

2 空调负荷计算关键参数的修正

2.1 超高层建筑主要功能区的室内设计参数

超高层建筑主要功能区的室内设计参数（见表1）是空调负荷计算的基础。

表1 主要功能区室内设计参数

2.2 空调负荷计算关键参数的修正

太阳辐射强度、风速等因素对超高层建筑产生明显的影响，在暖通空调负荷计算时需密切关注此类因素并予以控制。为使暖通空调冷、热负荷计算结果准确可靠，在设计阶段应加强对关键参数的修正，具体如下：

（1）对太阳辐射强度影响的修正。根据规律，太阳辐射强度随着建筑高度的增加而增强。在该超高层建筑项目中，采用玻璃幕墙外围结构，直接受到太阳辐射作用，考虑到此特点，按照如下思路开展负荷计算：北侧房间，冬季空调负荷增加10%；西侧房间，夏季空调负荷增加10%，冬季减少5%；不考虑外遮阳的影响。

（2）对室外风速影响的修正。风速的高低主要影响到建筑外表面放热系数，随着建筑高度的增加，室外风速递增，产生强烈的旋涡气流，在此影响下外围护的外表面放热系数提高。在该超高层建筑项目中，进行冬季热负荷计算时，以15层依次划分出多个区域，各区域的结构外表面放热系数递增5%，以此进行冬季热负荷的计算；夏季冷负荷计算时，暂不考虑风速的作用。

（3）对热压影响的修正。冬季，超高层建筑存在“热压”作用，室内持续接收源自于室外的冷空气，冷空气下沉后迫使底层区域的温度受到影响。出于控制室外冷空气渗入量、改善室内环境品质的目的，按照如下思路设计：在首层大堂设地板辐射供暖系统；优化通向楼梯间的门，较为适宜的是弹簧门；首层出入口采用旋转门。

（4）对冬季室外计算温度的修正。室外计算温度随建筑高度的增加做灵活的优化，该超高层建筑项目中，最大高度为232m，在此建筑高度下冬季室外计算温度降低约1～1.5℃（按照每升高100m，温度降低约1℃考虑），虽然温度存在变化但对计算结果无明显的影响。需注意的是，对于高度更高的建筑，则冬季室外计算温度应大幅度降低，在设计中需充分关注此特点。

3 暖通空调系统设计

3.1 空调水系统分区设计

根据工作压力对空调水系统分区，设备和管材所承受的水静压随着建筑高度的增加而增强，若工作压力等级在2.0MPa以上，对设备和管材的稳定性要求有所提高，需在材料升级、结构形式优化等方面投入更多的成本。

在该项目中，沿竖向将空调水系统划分为低区、中区、高区三个部分，各自对应的楼层为地下2~22层、23~37层、38层至屋顶层，各区的空调系统设备承压均按1.6MPa考虑，高区空调系统换热设备承压取1.8MPa，确保各分区的任何设施所承受的压力均低于2.0MPa，以免出现异常。于22层避难层设中、高区换热站，此层不可出售，因此适宜作为换热站的布设场所，此分区方式不会对项目的经济效益造成不良影响。

高区空调系统运行中可能存在二次供水温度偏高的问题，为予以规避，在22层（避难层）设高区空调系统的换热设备，具体思路为：

（1）低区由制冷机房提供回水温度为5.55℃/11.5℃的冷冻水，冷冻水供回水系统采用65℃温差。

（2）冷冻水一次水在换热机组换热，提供冷冻水二次水。

在该设计方式下，高区换热器的一次水来源可靠，无需采用中区换热器提供的二次水，确保高区空调冷冻水的低温具有合理性。从冷水机组制冷效率的角度来看，5.5℃的供水温度对此项指标的影响微乎其微。

3.2 防排烟系统的设计

高层建筑的容纳能力强，人员相对集中，遇火灾事故后，面临着疏散距离远、疏散难度大、火势扑灭条件差等问题。为保证超高层建筑的安全和内部人员的人身财产安全，需加强防排烟系统的设计。根据烟气侵害的程度，将高层建筑划分为办公区、走道、前室和合用前室、避难层和防烟楼梯间，共形成4个安全区。经过对高层建筑内部空间的划分后，进一步设计防排烟系统。

（1）排烟系统。在办公区及走道布设机械排烟系统（见图1），室外排烟风口朝向西侧或南侧，即朝向西南主导风向（东北风）的下风向或平行，促进建筑内部烟雾的高效外排。

图1 机械排烟系统示意图

（2）防烟系统。前室和合用前室的独立机械加压送风系统余压值取25Pa，防烟楼梯间、避难层的余压值分别为40Pa、30Pa。设计中考虑到楼梯间正压值异常波动、自垂式百叶风口送风量不均等问题，在百叶风口的位置增设风量调节阀，自适应现场环境，动态调节风量；同时，在加压风机的出口设风量调节阀和止回阀，借助此类装置调节系统风量和风压。

3.3 空调通风控制系统的设计

3.3.1 冷水机组和空调水系统的自动控制

（1）为冷冻机房采取双重控制措施，以机房就地控制为核心，在此基础上搭配中央室监控的方法，以便强化控制效果。冷水机组、冷却水泵、冷水泵及冷却塔四类装置连锁运行。

（2）在获取供回水总管的温度和流量信号后，由空调自动控制系统计算空调负荷，根据计算结果调控冷水机组及空调水泵的数量，期间全面记录各冷水机组、空调水泵的运行起止时间以及具体时长，根据设施的运行特性采取轮时启动功能，合理调用冷水机组和空调水泵，适时提供优质的服务。

（3）冷水机组配置工作中，在蒸发器出水管处设水流开关，运行中存在水流量降低（达到整定值）或管道水不再继续流动的情况时，主机自动停止运行。

（4）空调水系统的设计考虑到运行稳定、功能可靠、检修便捷等多项要求，选择二次泵变流量系统。在供回水总管间设平衡阀，以水环路供回水管的压差为参考，根据最新的动态情况进行变频调节，全过程中设施的运行状态有效契合于当前的环境，一方面保证空调水系统的功能达到用户使用要求，另一方面减少空调水系统运行时不必要的能源消耗，达到良好的生态环境效益。

3.3.2 空调处理装置和空调风系统的自动控制

（1）中央控制作为空气、新风处理机的主要控制方式，为提升控制的可靠性，辅以就地控制的方法。机组与送风机连锁，将动态平衡阀安装在表冷器出水管处，根据当前运行状态动态调节水流量，以此实现对送风温度的精细化控制。

（2）公共场所的暖通空调系统中配置了风机盘管，此设施的控制采取中央控制机制，除此之外的其他风机盘管均为就地控制。控制系统的设计需考虑控制及时性、精准性的要求，配置温控器、三速开关及电动二通阀，在彼此间建立起协作机制。例如，温度传感器检测的信号由温控器执行分析，判断与设定温度的差值，根据偏差程度输出电压信号，在信号的指挥下做出电动二通阀的动作，水流量随之发生变化，从而实现对室内温度、出风风速的动态调节。

（3）为获取新风温湿度、CO2浓度等与建筑室内环境品质有关的关键参数，配置温湿度传感器、CO2探测器，用于测定具体指标，根据实测结果与暖通空调系统的运行要求做对比分析，动态调节新风阀、排风阀、回风阀的开度，经过对多类阀门装置的调节后，使空调风系统的运行始终维持在最佳的新回风比例状态。

3.3.3 通风与防排烟系统的自动控制

（1）于地下车库设CO探测器，根据探测结果评价此空间的CO浓度特征，自动控制风机的启停和运行数量，将CO浓度稳定在许可范围内。同时，密切监测风机的运行状态，若有故障及时报警，采取维修措施。

（2）遇火灾事故时，（烟）温感器产生报警信号并及时向消防控制中心传输，及时开启排烟口，运行排烟风机、加压送风机及补风风机，在第一时间采取管控措施，抑制事故的持续发展；切断通风设备和空调的电源，以免诱发大范围的安全事故。

该超高层建筑的地下3层作为设备用房和地下停车库，此类空间均采用机械排放系统进行环境的优化。换气次数对空间环境品质有明显的影响，根据房间功能而定，具体如表2所示。

表2 换气次数

公共卫生间的换气次数不低于12次/h，换气设备采用百叶窗式排气扇，由其将室内的污浊气体排向外界，除此之外也可以借助导管式排气扇进行排气，再进一步结合排风机，将污浊气体送入竖向管井，最终向室外排放。

3.4 绿色节能设计

暖通空调系统的设计一定要重视绿色节能设计，一方面硬件设施的选型要考虑适配能效比，另一方面，循环水泵采用变频调速模式，空调水系统采用二次泵变流量模式。根据与制冷站的距离和功能分区的不同，分区配置二次泵，需考虑的是空调低区、裙房商业区等。各区泵组的运行均具有独立性，例如以负荷变化为参照基准，动态调节循环水泵流量，在保证泵组功能正常实现的同时降低水泵能耗。空调风系统对新风预冷或预热，以此高效回收能量。全热回收机组用于将各层新风经由竖井输送至各层，为回收机组增设旁通管，目的在于保证过渡季节可实现对风机运行能耗的有效控制（此阶段新、排风不通过热回收装置）。秉承资源利用价值最大化的原则，集中回收空调冷凝水，为冷却塔提供水分补给。

4 结束语

超高层建筑对暖通空调系统的依赖度较高，系统运行时面临功能有效性差、能耗偏高等问题，因此科学设计暖通空调系统尤为关键。设计应围绕安全、可靠、低能耗等目标进行，根据超高层建筑的高度特点进行分区，分别设计各区相应的暖通空调系统，赋予系统自动化和智能化的特性，动态控制，营造舒适的超高层建筑内部环境。