淺析超高層建筑空調水系統方案

周 瑋，李 順

空調技術

淺析超高層建筑空調水系統方案

周 瑋，李 順

（中國中元國際工程有限公司，北京100089）

通過對超高層建筑模型空調水系統分區方案的對比分析，探討超高層建筑空調水系統方案的可行性，并提出了兼顧換熱效率及設備承壓的優化解決辦法。

超高層建筑； 空調； 水系統； 承壓

0 引言

隨著社會經濟發展，全國各地紛紛建設各類超高層建筑，作為城市新地標或者經濟中心的標志。目前，傳統意義上的超高層建筑（建筑高度100m）早已司空見慣，各個大型城市中高度超過250m的建筑也十分常見，部分正在研討或者設計的超高層建筑已經接近1000m高度。

隨著建筑物高度不斷升高，設計中各種各樣的問題和難題隨之涌現，其中如何合理的劃分空調水系統是每個超高層建筑都必須面對的問題之一。

對于舒適性空調而言，冷凍水供、回水溫度一般為7/12℃，這是兼顧了冷水機組效率、輸送能耗以及冷凍除濕效果的經濟平衡點[1]。但當建筑過高時，由于設備承壓問題，水系統需要在豎向上分區，利用板換多次換熱的方法減壓。選用換熱性能良好的板換也會有1℃的換熱溫差損失，而當換熱超過2次時，供水溫度將低于5℃時，會導致常規冷水機組運行工況相對較差且穩定性不夠[2]；此時需要采用蓄冰等其它方式，不可避免的提高初投資和運行費用。故應盡量減少換熱次數。

目前市場主流設備最大承壓在2.0MPa，低壓管道及閥門承壓2.5MPa，特殊采購的冷水機組、板式換熱器、水泵等設備承壓可以達到3.0MPa。為了節省初投資，減少施工以及運行維護的困難，水系統分區應盡量控制設備承壓小于2.0MPa，最大不超過3.0MPa。

下文中作者設定了兩個近年來比較常見的超高層建筑模型，對空調水系統分區方案進行比較。

1 建筑模型簡介

目前超高層建筑最常見的建筑構成為：地下部分四至五層，一般冷凍機房設置于地下三層，地下一層高度約為6m，其它地下層建筑高度約為4m，即冷凍機房位置一般位于-14.00m左右。地上部分為主塔和裙房兩部分，裙房一般建筑高度在30m以下，為了簡化消防設計，又以20～24m較為常見；主塔部分根據消防主管部門要求，在建筑高度50m以下必須設置第一避難層，以上每隔十四至十五層需要設置一個避難層。由此一般超高層建筑50m以下為第一區域，功能一般為入口大堂、商業、接待等，同時在40～50m附近設置第一避難層；50m以上一般每隔十四層為一個功能區，主要為辦公以及酒店，在建筑物頂端設置部分觀光層，辦公部分層高一般為4.20m，酒店部分層高一般為3.80m；各功能區之間設置避難層以及機電層，此二層高度合計約10m，酒店大堂、接待、餐廳以及休閑部分集中在酒店下部。參考上述建筑情況，設定兩個參考建筑模型。

建筑模型一（如圖1所示）：冷凍機房置于地下三層，標高-14.00m，地上部分分為7個區，一區高度50m；二至四區每個區域高度為68.80m，包括十四層辦公（58.80m）、避難層（5.0m）及機電層（5.0m）；五至七區為酒店及觀光部分，其中五區包括據酒店大堂、餐飲、休閑以及部分客房，建筑高度（53.20m）、避難層（5.0m）及機電層（5.0m）；六區為十四層客房，建筑高度（53.20m）、避難層（5.0m）及機電層（5.0m）；七區為觀光部分，建筑高度（43.20m），建筑物總高度為426.00m。

建筑模型二（如圖2所示）：模型二與模型一類似，但建筑高度調整為626.80m，分區調整為10個，其中二至六區為辦公層；七至十區酒店及觀光部分，其中八、九區為酒店客房，十區為觀光部分。

2 空調水系統方案

模型一與二的空調熱水方案沒有太多的差別，均建議采用蒸汽作為熱源，根據區域功能分別設置汽水換熱器，蒸汽系統和熱水系統比較可以減少換熱次數，提高用熱效率，降低設備承壓要求，從而節省投資，這里不再贅述。

空調冷水系統的方案，根據冷源位置不同分為兩種，分別為冷機下置和冷機上樓方案。另外根據酒店管理公司的普遍要求，考慮酒店部分單獨設置冷水機組及空調水系統。

2.1 冷機下置方案

冷機下置，即冷水機組置于地下三層（-14.00m）冷凍機房內，通過1次或者2次換熱將空調水送至各個空調服務區。

在分析方案前，應明確設備承壓與系統高度的關系。設備承壓應不小于管路最低處靜水壓力和水泵的壓頭的和。即

式中 P—設備承壓，Pa；

P1—管路最低處靜水壓力，Pa；

P2—水泵壓頭，Pa。

式中 ρ—水的密度，kg/m3；

g—重力加速度，m/s2；

h—管路最大高度差，m。

式中 ΔP1—冷水機組蒸發器的壓力降或板換壓力降，Pa，一般取50～100kPa；

ΔP2—空調末端壓力降，Pa，一般取20～50kPa；

ΔP3—調節閥壓力降，Pa，一般取40kPa；

P4—管路損失，Pa，一般取100～300Pa/m。

當不考慮水平管路長度的情況下，經計算得出對應管路設備承壓2.0MPa、2.5MPa和3.0MPa三種情況，水系統的最大高度分別為163～182m、208～230m和254～279m。

模型一（426.00m）：冷水機組置于地下三層（-14. 00m），換熱器分別置于二區與三區之間的設備層（108.80m）以及四區與五區之間的設備層（246.40m）。這樣各個水系統服務區高度差分別為：低區（地下部分及一、二區）122.80m，中區（三、四區）137.60m，高區（五至七區）（179.60-10）m—對于高區，由于超高建筑造型的需要，水系統實際使用高度通常低于建筑頂標高至少10m。當高區適當減少水平管路長度或減小管路比摩阻時，各個水系統設備的承壓均可控制在2.0MPa以內。

在某些情況下還可以采取一次換熱的方案。筆者設計一個超高層建筑中，建筑物總高度428.00m，水系統最高點402.80m（頂層觀光部分采用地面送風形式），三區與四區之間的設備層標高為144.00m，這樣系統低區高度為158.0m，低區水系統設備承壓2.0MPa，高區辦公部分高度約100.0m，水系統設備承壓1.6MPa，高區酒店高度258.8m，高區水系統設備承壓3.0MPa。

模型二（626.8m）：冷水機組置于地下三層（-14. 00m），換熱器分別置于三區與四區之間的設備層（177.60m）以及六區與七區之間的設備層（384.00m）。這樣各個水系統服務區高度差分別為：低區（地下部分及一至二區）191.60m，中區（四至六區）206.4m，高區（七至十區）（242.8-10）m。這樣冷水機組承壓2.0MPa（水泵安裝方式為抽出式），中、低區水系統設備承壓為2.5MPa，高區水系統設備承壓為3.0MPa。由于高區承壓量較為富裕，在實際工程中可以合理調整兩個設備層的高度，使得中、低區水系統設備承壓均控制在2.0MPa以內。

冷機下置是最為傳統的超高層建筑水系統方案，其優點在于適用性強，不受地域氣候條件限制，冷水機組位于地下室，其震動和噪音對人員影響最小，安裝及維護均比較容易。但是多次換熱造成水溫升高，使得高區用冷效率下降，為緩解這樣的情況，空調系統一般會采用蓄冰等低溫冷源，在低區采用低溫空調末端設備，其它區域采用標準空調末端設備，這樣導致空調系統設計、運行、維護復雜，也會導致空調系統投資增加；同時為減少換熱次數，會盡量增加各個水系統區域服務高度，這樣會導致設備承壓較高，對項目投資也有一定的影響。

2.2 冷機上樓方案

最簡單的冷機上樓方案是將冷水機組置于建筑頂端區域，冷水機組采用風冷型，服務上部酒店區域（五至七區），同時滿足酒店管理公司對獨立冷源的要求。采用此方案時，模型一：五至七區酒店水系統最大服務高度169.60m，設備承壓可以控制在2.0MPa，一至四區水系統最大服務高度260.40m，可以采用一次換熱方案或者冷水機組直接供給，水系統承壓3.0MPa。模型二：七至十區酒店水系統最大服務高度232.80m，設備承壓可以控制在3.0MPa，一至六區水系統最大服務高度398m，可以采用一次換熱方案，換熱器設置于標高177.60m設備層，水系統承壓2.5MPa。

另一種冷機上樓的方案是將冷水機組置于設備層內，配合一次換熱，達到降低各個區域水系統承壓的目的。模型一：冷水機組置于四區與五區之間設備層（246.40m）內，向上服務五至七區酒店，同時向下服務三、四區辦公，一區及二區由地下冷凍機組提供冷水，所有水系統設備承壓均不大于2.0MPa。模型二：冷水機組置于六區與七區之間設備層（384.00m）內，向上服務七至十區酒店，水系統最大服務高度242.80m，中途設置一次換熱，同時設備層內冷機向下服務五、六區辦公，一至四區空調冷水由地下冷凍機組提供，中途設置一次換熱，所有水系統設備承壓均不大于1.6MPa。

另外，在建筑高度以及設備層標高合適的情況下，還可以將冷水機組置于裙房屋面，但是由于冷水機組位置僅僅上移了30～40m，對整體水系統影響較小，總體上仍然屬于冷機下置的方案，在這里不再具體說明。

冷機上樓的方案在近年的超高層設計中越來越常見，其優點在于明顯的減低各個水系統分區的設備承壓，同時換熱次數少，用冷效率高。冷機上樓的方案同樣存在一定的弊端，首先冷水機組無論是置于屋頂還是設備層，其震動和噪音對相鄰樓層的影響都是不可回避的問題，即便采用了靜音型的設備，增加特殊的消聲及減震措施等手段，與冷凍設備相鄰樓層仍然可能受到影響；其次設備安裝維護局限性大，受設備層層高、標高、功能、屋頂觀景采光要求等條件限制，冷源設備的占地面積，高度經常受到很大限制，安裝及后期維護難度較高；最后屋頂或者室外安裝的冷水機組還會受到地域限制，冬季溫度較低的區域不適用此類方案。

3 結論

總結模型一和二空調水系統方案見表1：

表1 模型一、二水系統方案對比

根據分析結果，對于建筑高度與模型二相似的超高層建筑，無論采用二次換熱，還是冷機置于屋頂的空調水系統方案，水系統承壓均會超過2.0MPa，但是當冷水機組置于設備層時，全樓所有水系統承壓都可以控制在1.6MPa以內，同時僅僅需要一次換熱，所以如果可以有效解決冷水機組噪音、安裝、維護等問題，將冷源設備置于設備層是比較優選的水系統方案。建筑高度與模型一相似超高層建筑可以選擇的水系統方案選擇較多，從對比結果看，冷機下置一次換熱及冷機置于屋頂的方案均有一個水系統分區承壓在3.0MPa，但是當冷機置于屋頂時有大量的空調末端設備承受2.0MPa至3.0MPa的壓力，給施工及日后維護都帶來很大的困難，并不推薦使用，而另一方案僅板式換熱器，水泵及部分管道閥門承壓為3.0MPa，其它設備承壓均控制在2.0MPa以下，同時冷水機組置于地下室，屬于常規設計，筆者認為在條件許可情況下，應該優先選用此方案。而二次換熱方案以及冷機置于設備層方案，前者用熱效率相對較低，后者對設備品質，安裝維護要求比較高，在選用此兩種方案時需要進行技術經濟比較后再確定。

4 結語

本文通過對兩個超高層建筑模型（426m和626.8m）空調水系統的研究分析得出：

（1）當建筑高度低于或略高于400m時，通過合理優化設備層位置，常規方案（制冷機置于地下）即可實現最多1次換熱且設備承壓均不超過3.0MPa；

（2）當建筑高度顯著高于400m時，常規方案將需要至少2次換熱才能保證設備不超壓，這對板換換熱效率、制冷機出水溫度以及運行維護提出了很高的要求；為了解決這一難題，建議單獨為高區設置制冷機，并置于設備層或屋頂。

[1]陸耀慶.實用供熱空調設計手冊[M].2版.北京：中國建筑工業出版社，2008.

[2]GB 50736-2012，民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范[S].

修回日期：2016-05-23

表3 夏、冬季風冷熱泵運行策略

（2）由于室內、外參數一年四季時刻變化著，所以泳池空調需要有完善的監控系統，保證室內舒適性。

（3）泳池空調設計時，暖通專業應與給排水專業緊密配合，避免出現雖選用節能設備但系統不節能的現象。

參考文獻：

[1]陸耀慶.實用供熱空調設計手冊[M].2版.北京:中國建筑工業出版社，2008.

[2]陳沛霖，岳孝方.空調與制冷技術手冊[M].2版.上海:同濟大學出版社，1999.

[3]楊寶軍.三集一體空調熱泵機組在泳池熱水系統中應用研究[J].浙江建筑，2013，30（6）：54～57.

[4]楊森.游泳館空調的熱濕負荷計算與節能[J].制冷空調與電力機械，2010，31（1）：5～8.

[5]劉輝，陳捷.淺談室內泳池除濕熱泵系統[J].大眾科技，2013，15（6）：15～17.

收稿日期：2016-04-06

修回日期：2016-05-24

Analysis on Scheme of Water System of Air-conditioning for Super High-rise Building

ZHOU Wei， LI Shun
（China IPPR International Engineering Co.，Ltd，Beijing 100089，China）

A feasibilitystudyofhighrisebuilding'sHVAC watersystem，carriedoutbyanalyzingandcomparingthe modelled water systemdistrubution plans，provided an optimal solution for both heat exchange efficiency and equipment bearingpressure.

superhigh-risebuilding； air-conditioning； watersystem； underpressure

TU831.3

B

2095-3429（2016）03-0070-04

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2016.03.017

2016-04-05

周 瑋（1984-），男，北京人，碩士研究生，工程師，主要從事暖通設計工作；

李 順（1979-），男，天津人，本科，高級工程師。