談高層建筑在低層供熱系統中的采暖設計

王收永

(中國煤炭科工集團太原研究院，山西太原 030006)

0 引言

隨著社會經濟的快速發展，城市建設與用地矛盾日益突出，高層建筑日益增多。由于項目的多樣性及條件所限，往往會出現高層與多層建筑共存的現象，很多高層建筑的采暖系統不得不采用原有的低層供熱系統來供熱。如何更好地進行高層建筑的采暖系統設計，解決高層建筑在低層供熱系統中的采暖問題，這對于廣大建設者和設計人員提出了新的課題。

1 高層建筑熱負荷計算注意事項

高層建筑物的熱負荷計算在計算方法上與普通的低層建筑不同，這是因為高層建筑物受到室外風壓、熱壓及其他因素的影響會比較大。高層建筑室外的風速隨著建筑物高度的增加而加大，高層建筑物圍護結構的換熱系數取決于外表面的對流放熱量和輻射放熱量。對一般的多層建筑來講，建筑物上部和下部的風速差別不會太大，計算時可以不考慮，然而對于高層建筑物，由于高層部分的室外風速大，高層部分圍護結構外表面的對流換熱系數也會大幅度加大。另外，由于高層建筑物四周無其他建筑遮擋，使得高層建筑物不斷通過圍護結構外表面向天空輻射熱量。因此高層部分由于風壓引起的換熱系數加大及外表面輻射放熱的增加是計算熱負荷不可忽視的一部分。

由于作用于高層建筑高層迎風面上的風壓隨風速的增加相應地加大，進入建筑物的冷空氣量勢必也會加大，為了保持室內的溫度，會耗費更大量的熱能來將滲入的冷空氣加熱，從而加大了室外冷空氣的滲透量，這就加大了高層部分的熱負荷。冬季建筑物內熱外冷，室外冷空氣經建筑物下部進入建筑物，經過室內加熱后通過上部排出，尤其在高層建筑內，當高度越來越高，這種熱壓作用下的空氣流動會更加明顯，就會使更多的室外冷空氣從建筑物下部流入，這種作用增大了高層建筑物下層部分的熱負荷。

2 高層建筑采暖系統的選擇

高層建筑采暖系統的選擇與一般多層建筑不同，高層建筑供熱系統的靜水壓力較大，在進行采暖設計時應當綜合考慮室外熱網供熱參數，以及與室外熱網相連接的多層建筑物內散熱器的承壓能力，來確定高層建筑物系統形式。

通常建筑物采暖采取的熱源有以下幾種:獨立供熱、區域供熱、集中供熱。第一種方式比較簡單，建筑物熱源來自獨立的鍋爐房，水泵間內設高、低壓循環泵分高低壓系統即可分別為高層建筑物、多層建筑供熱。而在很多情況下由于受到項目的局限性，高層建筑供熱方案并非由其本身決定，尤其目前我國各大城市為了加大環境保護而取締了各企事業單位的獨立鍋爐房，而采用區域或城市供熱管網。一般來說區域或城市供熱外網為單一壓力供熱，系統的壓力不可能滿足高層建筑采暖系統的要求，新建高層建筑只能采用這一系統壓力。為了解決這一問題，設計中通常的做法是:

1)以城市供熱熱源為一次熱源，在小區內建設換熱站，換熱站內設高低壓兩套供熱系統，分別對高層建筑、多層建筑供暖，這一設計形式比較簡單，系統運行也會比較穩定，但這一系統增加了換熱站的投資，以及以后的運行管理人員及費用。

2)對于高層建筑采暖進行豎向分區，低層直接選用外網接入，對高層部分在單體高層建筑物內設采暖增壓系統，把外網的熱媒加壓后進行供熱，然后采用減壓方式將高區采暖系統的回水減到合適的壓力后再回到室外管網。這一系統的特點是初期投資較少，運行管理費用較低，但這一系統的選擇應在室外管網、設備的參數，及設備的可靠性上多下功夫，否則容易出現高、低區垂直不調問題。

3 實例解析

由上述分析可以發現，在區域供熱高低層建筑物并存，熱網供水參數不能滿足高層建筑的情況下，如何提高整個采暖系統的可靠性、經濟性是當前采暖設計中的大問題。這一問題在太原經濟技術開發區某單位生產基地采暖設計中也是一個突出問題。

太原經濟技術開發區某單位生產基地占地約40畝，目前已建成并投運，建筑物的高度均為16 m左右，現擬建一建筑高度為50 m，層數為15層的綜合樓，基地內建筑的采暖選用區域供熱，院區內建筑物熱源為設計熱媒95℃/70℃二次直供熱媒，實際運行供水溫度不超過85℃，熱網的供熱系統壓力約為0.35 MPa，且基地院區內供熱管網已基本形成。

根據現有的條件對擬建綜合樓采暖的設計主要存在以下問題:1)綜合樓采暖系統高靜壓與其他多層建筑采暖系統散熱器的承壓能力的矛盾。2)綜合樓采暖系統與其他多層建筑采暖系統定壓方式的確定。3)綜合樓采暖系統與其他多層建筑采暖系統水力平衡問題。

設計的初步想法:

1)選擇在綜合樓內設換熱站，在換熱站內分高壓、低壓兩套系統，分別對綜合樓高區、低區供熱。這一系統形式相對于其他多層建筑系統較獨立，不易出現高低區垂直失調現象，系統相對較穩定，但根據熱源的實際運行情況供水溫度較低，經過換熱站后綜合樓的供水溫度達不到設計要求，而且增加了換熱站投資，也相應增加了運行管理人員及費用。

2)在綜合樓內設采暖增壓設備使多層采暖系統的熱媒對高區進行直接供熱，然后采用減壓方式將高區采暖系統的回水減壓后再回到多層建筑系統管網。這一系統的特點是初期投資較少，運行管理費用低，但容易出現高、低區垂直不調問題。

從整個綜合樓采暖系統經濟性考慮，要解決采暖系統的可靠性、穩定性宜選用第二種方法，采用加壓泵使多層采暖系統的熱媒直接供綜合樓采暖系統，然后再采用減壓閥、電磁閥、雙水箱等裝置將高層采暖系統的回水減壓后再流回多層采暖系統的管網。減壓閥、電磁閥裝置系統設計簡單、造價低，但在實際運行中電動機械構件多少會出現一些動作不靈活等各種故障，一旦造成低壓系統超壓，破壞面比較大，不易恢復，后果嚴重。綜合考慮，現采用雙水箱減壓方式進行設計，對綜合樓采暖系統進行豎向分區，分為高、低壓系統兩個部分，1層～7層為低壓系統，與室外熱網直接連接;8層～15層為高壓系統，對供水加壓后進行連接，將回水減壓后回到供熱管網。系統中設置兩個水箱，在樓頂處設置一進水箱，在15樓設回水箱(見圖1)。在用戶入口設置加壓泵，將熱網供水加壓后送入進水箱。由于進水箱與回水箱存在一定的高差，由此產生的作用壓頭促使熱媒在建筑物高區供暖系統內不斷地流動，進行散熱，然后回水進入15層的回水箱，熱媒經過加粗的溢流回水管回到外網回水干管。

由于與回水箱相連接的回水干管選用的是加粗后的回水干管，采用溢流的方式與外網回水干管相連接，因此運行時間內，溢流回水干管A—A段水位以上的管段為非滿管流管段，呈無壓流動狀態，而水位A—A的位置高度僅取決于外網回水干管的壓力。當用戶加壓泵停運時，上部系統進水箱水位下降，回水箱水位保持在溢流回水管的出口位置，高壓采暖系統的靜水位保持在回水箱溢流回水管的出口位置，溢流回水干管A—A段水位以上為空。這兩個水箱使高壓系統與外部熱網壓力相互隔絕，從而保護了多層建筑物內散熱等設備不會被高靜水壓力破壞。

圖1 雙水箱豎向分區供熱系統

此種采暖方式在實際工程中有著很大的實用價值，但缺點在于:1)由于有加壓泵的作用，高區系統工況比較穩定，但對鄰近系統工況有一定的影響。2)由于水箱是開放式的，運行中會給系統帶入空氣。3)水箱需要占用水箱間，在建筑內需要占用一定的空間。4)加壓泵開停會使多層采暖系統水位產生波動，經常會使膨脹水箱或雙水位水箱的低水箱溢流，造成軟化水的浪費。

4 結語

雖然高層建筑的供熱方式很多，但各種方式在其具體的適用條件的同時，也各有其局限性，總體而言，高層建筑在低層供熱系統的設計中，選用加壓泵系統有著非常好的適用性，這一方式在整個管網運行安全、初投資和運行管理費用上有著相對的優勢，是一個首選的方案。在具體的工程設計中，應綜合考慮整個供熱管網參數、系統的組成，并從技術、運行管理、經濟等各個方面認真比較、計算，選用設備參數要準確，設備要可靠，從而找到最合適的供熱方式，真正做到技術先進、運行安全、投資經濟合理、設備節能可靠。