高層建筑暖通設計中的若干問題探討

韓 曉 鳳

(北京中元工程設計顧問有限公司，北京 100048)

高層建筑暖通設計中的若干問題探討

韓 曉 鳳

(北京中元工程設計顧問有限公司，北京 100048)

結合工作經驗，從負荷計算、水系統分區、設備承壓能力、防排煙等方面，分析了高層建筑暖通設計中存在的問題，并探討了各種問題的解決方案，有利于確保高層建筑暖通設計的合理性與經濟性。

高層建筑，系統分區，循環水泵，排煙設計

0 引言

隨著科學技術的發展，新技術、新材料、新設備的不斷涌現，城市里的高層建筑越來越多，高層建筑設計也受到越來越多的挑戰。本文就暖通專業在設計過程中常遇到的問題提出疑問并展開討論。

1 負荷計算時的風力附加問題

一棟建筑物內部是否舒適與其室內溫度有很大關系，舒適的室內溫度是根據建筑物的特性，人員的舒適度及節能的角度考慮而制定的規范規定的設計溫度，建筑負荷即是為保證室內設計溫度產生的。建筑物的冷熱負荷即建筑物的耗熱量的構成有很多種，構成熱負荷的首先是建筑物圍護結構的耗熱量，包括基本耗熱量和附加耗熱量，其次是門窗縫隙滲透的冷風耗熱量，還有外門開啟的冷空氣耗熱量、通風耗熱量及其他途徑獲得或散失的耗熱量。構成冷負荷的除了圍護結構的熱量占較小比例外，大部分的熱量來自太陽輻射的熱量和人體的散熱量，還包括照明和設備散熱量以及餐飲建筑中食品散熱量。

本節主要討論圍護結構附加耗熱量計算時應該注意的問題。根據《實用供熱空調設計手冊》附加耗熱量計算公式Q1=Qj(1+βch+βf+βlang+βm)(1+βfg)(1+βjan)知道，各項修正項目如：朝向修正、風力修正、兩面外墻修正、窗墻面積比過大修正、房高修正及間歇修正均以直接附加的方式計入附加耗熱量，而表5.1-4中出現的高層建筑外窗的風力修正βgc并未在公式中得到體現，而是如備注欄中所說(1+βgc)乘以K上。

這是在高層建筑設計負荷計算中容易被忽略的一項，設計者在計算附加耗熱量時直接套用公式5.1-3，而對βgc卻往往理解不夠造成遺漏。此表中的風力修正值βgc與建筑高度及冬季室外最多風向的平均風速有關，按照公式Vh=(0.53～0.63)h0.2Vo,Vh為h的單值函數，隨著h的變化而變化。以北京為例，取0.53的大城市系數，查《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》附錄A得知北京冬季室外最多風向的平均風速為4.7 m/s,此時公式可以寫為Vh=0.53h0.24.7=2.49h0.2，對于高層建筑，當外窗使用雙層塑料窗K=2.4時，計算Vh<5 m/s時不進行修正，當計算的Vh達到5 m/s時對19層～30層的外窗耗熱量進行傳熱系數的修正，修正率βgc=0.03，當計算的Vh達到6 m/s時，8層～21層的外窗傳熱系數修正率βgc=0.03，22層～30層的外窗傳熱系數修正率為0.04，說明室外風速越大層數越高，通過外窗的圍護結構耗熱量越大，修正系數也越大。

當高層建筑越來越多，體積越來越大，計算的數據越來越龐大，任務越來越繁重的情況下，我們必須依賴軟件來實現，筆者在對多種軟件計算過程輸入的繁簡程度及計算結果的可靠程度進行對比后，發現浩辰負荷計算軟件在計算外窗耗熱量時對高層建筑外窗的傳熱系數進行了風力附加修正，只需要根據《實用供熱空調設計手冊》表5.1-4在右側下拉三角中進行選擇即可，方便快捷。

2 高層建筑中系統分區及機組的承壓問題

在多層建筑和大多數高層建筑中，冷熱源設備通常布置在地下層的設備機房內，當系統靜水壓力大于1.0 MPa時，布置在地下層的設備會承受較高的壓力，往往超過機組本身所能承受的工作壓力，這時通常會采取下列方法來降低設備的承壓。

2.1 對水系統進行豎向分區

在技術設備層內布置水—水換熱器，使靜水壓力分段承受。這種供水模式是系統靜水壓力超過1.0 MPa的高層建筑最常采用的方式，整個空調水系統以設備層為界線自然分為高低兩個區域，低區系統由設置在建筑地下層的冷熱水機組直接供給，高區系統由設置在設備層(轉換層)的水—水換熱器提供。水—水換熱器一次水由冷熱源機組供給，供給高區的二次水經過轉換水溫會升高。設計中通常采用如下水溫：冷水一次水溫7 ℃～12 ℃，二次水溫9 ℃～14 ℃，熱水一次水溫60 ℃～50 ℃，二次水溫55 ℃～45 ℃。此時要注意由于二次水溫升高引起的熱效率下降問題，故末端設備選型時換熱面積要加大20%。

2.2 水系統不分區，解決機組承壓問題

1)在帶裙房的高層建筑中，將冷熱源設備布置在塔樓外裙房的頂層設備機房內，冷卻塔設在裙房屋頂上。這種做法理論上可以減少機組設備的承壓，但犧牲的是商業的面積且存在機房樓板承重加固問題，往往較少采用。

2)建筑物不帶裙房，將冷熱源設備布置在塔樓中間的設備層內。在設備層布置機房時，由于設備層層高較低加上結構梁板等因素使得空間高度不足，因此設備及管路布置較為復雜，運行維修也比較困難。

3)冷熱源設備布置在塔樓的頂層。在超高層建筑中有時會采用這種辦法，但當所有設備集中放置在頂層時需要注意樓板梁柱的承重、設備的隔震及噪聲處理問題。

4)當高區超過設備承壓能力部分的負荷不太大時，上部幾層可以單獨處理，如采用自帶冷源的單元式空調器。當建筑高度達到100 m，雖然采用了系統分區的方法，在設備層布置了熱交換器，但高區部分壓力仍然超過設備承壓能力，這時可以將上部幾層與整個系統分開，冷熱負荷單獨計算，系統形式可以是VRV或風冷熱泵等模式。

高層建筑空調水系統設計中，除了上述方法可降低設備承壓外還可以采用加強型機組的方式。我們常使用的制冷機組有壓縮式制冷機組和吸收式制冷機組，普通制冷機組承壓能力為1.0 MPa，加強型制冷機組承壓能力為1.7 MPa。事實上采用高承壓機組可以減少設備層對建筑外立面的影響，不占用地上建筑的有效面積，不失為一種理想選擇，對設計者來說具體選擇何種方法除了應進行技術分析外還應做經濟分析，包括初投資和運行費用的對比分析。

3 高層建筑中循環水泵安裝位置問題

上面討論的是高層建筑中，系統靜水壓力Ps>1.0 MPa時，水系統應豎向分區，當系統靜水壓力Ps≤1.0 MPa時，冷水機組可集中布置在地下室，水系統可不進行豎向分區，但必須要保證系統壓力不大于冷水機組、末端設備、水泵及管道部件的承壓能力。

應用在高層建筑中的循環水泵，必須考慮泵體能承受的靜水壓力，并提出對水泵的承壓要求。水系統的最高壓力點位于水泵出口處，對于多層建筑和一般高層建筑，為避免氣蝕現象發生，減少機組承受壓力，冷水循環水泵宜安裝在冷水機組進水端。當冷水機組進水端承壓能力大于冷水機組自身的承壓能力，但系統靜水壓力(包括機組所在地下層建筑高度)小于冷水機組的承壓能力時，可將冷水循環水泵安裝在冷水機組的出水端。

4 高層建筑中防排煙設計

4.1 機械加壓防煙送風量與壓頭計算

根據GB 50016—2014建筑設計防火規范，建筑的下列場所或部位應設置防煙設施：防煙樓梯間及其前室、消防電梯間前室或合用前室、避難走道的前室、避難層(間)。與GB 50045—95高層民用建筑設計防火規范版相比，在防排煙設施一節條文做了較大的修改，但從其條文說明中可以看出，在高層建筑防排煙設計中采用無實驗模擬或更規范有效的防煙設施時，仍然需要采用加壓送風設施來達到排除煙氣的目的。其加壓送風量的計算方法通常有兩種：1)壓差法；2)風速法。下面用工程實例來驗證兩種計算方法。

某高層辦公建筑共30層，樓高90 m，防煙樓梯間及前室需要分別加壓送風，樓梯間通往前室的疏散門與前室通往走道的疏散門均為2 m×1.6 m,電梯門2 m×1.8 m(不算出入口)。 前室維持正壓25 Pa。現計算前室所需的加壓送風量(前室采用常閉型加壓送風口，火災時開啟著火層及上下相鄰兩層風口)。

采用壓差法：

LY=0.827AΔP1/b×3 600×1.25=0.827×

(0.04+0.06)×3×251/2×3 600×1.25=5 582.25 m3/h。

采用風速法：

3 600=36 288m3/h。

其中，風速按0.7m/s計算。

由此可以看出，采用風速法計算出的風量比壓差法計算出的風量大很多，故我們通常采用的是風速法。然而采用風速法計算時，其計算結果跟開啟門洞處的平均風速及背壓系數有很大關系，就上面例子來說，當平均風速取上限1.2m/s背壓系數取下限0.6時，計算送風量為79 488m3/h，當平均風速取下限0.7m/s，背壓系數取上限1.0時，計算送風量為27 820m3/h，結果相差2.9倍，如此大的差異給送風機的選擇帶來難度。那么究竟該如何選擇背壓系數和平均風速，背壓系數是由于加壓空氣的進入，使得室內空氣的壓力有所上升，相對于加壓空氣出現了背壓作用。背壓系數與空氣滲出條件有關，當走道采用自然排煙時，背壓系數取0.6；當走道采用機械排煙時，背壓系數取0.8。門洞斷面風速是阻止煙氣通過正在開啟的疏散門進入疏散通道，其數值與火災發熱量的大小密切相關。在設有自動噴淋系統的高層建筑中，由于煙氣被噴水所冷卻，斷面風速可減少到0.25m/s～1.25m/s，根據《實用供熱空調設計手冊》描述“開啟門時，對前室或合用前室通過與走道之間的門的風速不應小于0.7m/s”，因此我們通常會在0.7～1.2范圍內選取。然后把計算出的數值與《實用供熱空調設計手冊》中表13.4-4作對比，選取合理的風速。就上面的例子中，門洞斷面風速取0.7m/s，背壓系數取0.8，采用土建風道漏風率取0.2。這樣計算的加壓送風量為36 288m3/h。表13.4-4中合用前室風量18 000m3/h～22 000m3/h乘以1.75系數后為31 500m3/h～38 500m3/h，與計算數值相符，說明使用該計算法正確。

在計算加壓送風機壓頭時，規范和手冊并沒有給出統一的計算方法，只是說要經計算確定，在實際工程中，有的因所選風機壓頭太小導致前室無法保證25Pa或50Pa正壓，有的則盡管風機壓頭很高，最上層已經超壓而下層依然處于“無風”狀態。仔細分析其原因不難發現問題所在，而工程中所謂的風機壓頭經驗值并不可靠。風機壓頭太小是由于忽略了混凝土風道的比摩阻要比鋼板風管大得多，常常會有設計者認為盡管混凝土風道內壁不光滑容易漏風，但完全可以靠面積擴大部分來抵，此種說法本身并不錯，在常規通風排煙設計中確實可以借擴大風道來抵消風道沿程阻力，但對于前室，這種方法并不總是行的通。建筑師設計時，為保證前室面積往往會壓縮風道面積，使得加壓風道內風速較高而阻力較大，這時就需要通過計算或查《實用供熱空調設計手冊》表11.2-2來獲得精確的風管阻力值。至于有些風機壓頭很高卻下層無風則是由局部阻力太大引起的。目前工程中，為了前室美觀，加壓送風口前端外沿都是貼豎井外壁安裝的，送風口厚度275，一般土建豎井壁厚200～240，即風口尾端在豎井內會凸出35mm～75mm，形成了局部阻力，在風速高的情況下，局部阻力層層疊加導致上層風口壓頭很大而越往下越不足的情況。

為保證均勻送風，風道內靜壓要大動壓要小，這就需要有足夠的斷面面積，同時要保證風道斷面長寬比不能小于1/4，否則風道內容易出現渦流區，使得風道內一邊呈正壓一邊呈負壓。風機全壓計算一定要滿足最遠端的阻力及前室壓頭，而對于靠近風機部位的近端前室，其管道局部阻力、沿程阻力變小，必然會導致前室超壓。送風口開啟的那一瞬間，管道阻力曲線由陡變緩變平，風機曲線與管道曲線的交點下移，必然是風量增大，風壓減小，導致前室的送風口風量大于計算值，也是形成超壓的另一說法。

4.2 中庭排煙設計

中庭在高層建筑中比較常見，有關中庭的排煙在我國《高層民用建筑設計防火規范》中也有明確的規定，即按照換氣次數來計算排煙量，中庭體積不大于1.7萬m3時換氣次數為6次/h；體積大于1.7萬m3時換氣次數為4次/h，但最小排煙量不小于10.2萬m3/h。由于國內尚無實驗數據及理論依據，此計算采用了國外一些資料，但有一些資料認為此計算方法并不可靠，日本規定中庭排煙量按20次換氣次數計算，兩者相差3倍之多。從一些設計資料中看到國外有幾種其他計算方法。

1)按中庭占地面面積計算排煙量。面積小于500 m2也應按負擔兩個以上防煙分區處理，即按每平方米120 m3/h計算。事實上，中庭本身(除底層地面外)并不產生煙氣，它的煙氣來源于地面層或走廊失火層，由于走廊具備排煙系統，大部分煙氣可通過走道排煙系統排出，理論上逸入中庭的煙氣量并不大，所以按照中庭地面面積每平方米120 m3/h計算排煙量是有理由的。

2)以200 m3/s風量選擇風機。此方法沒有說明建筑物的高度，容積，地區等，凡是中庭均按此數值選擇風機。實際上該方法至少在國內高層建筑中是行不通的，按照200 m3/s風量計算排煙量，每小時風量便是720 000 m3，選擇7.2萬m3/h的大型風機10臺，機房面積100 m2，進排風口面積也很大，按照進風口風速1 m/s計算，進風口面積要200 m2，當進風口設在1層時，建筑立面設計很難處理，這對建筑師是不能接受的。

因此，在中庭排煙設計中采用何種辦法需要各專業密切配合，展開專家討論尋找可靠的理論依據確定最佳方案。

以上幾點是筆者在工程設計過程中經常遇到的問題，并隨手所做的筆記，高層建筑設計中應根據各自工程特點進行設計，并不存在統一的系統方案，且由于需求差異導致設計中難免存在諸多問題需要通過各專業間的討論和高度配合方可為客戶提供合理的暖通解決方案，這正是我們設計需要不斷學習的原因。

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

[2] 劉天川.超高層建筑空調設計[M].北京：中國建筑工業出版社，2004：98-99.

Discussion on some problems in high-rise building HVAC design

Han Xiaofeng

(BeijingZhongyuanEngineeringDesignConsultingLimitedCompany,Beijing100048,China)

Combining with the work experience, from the load calculation, water system partition, equipment bearing capacity, smoke control and exhaust and other aspects, this paper analyzed the existing problems in high-rise building HVAC design, and discussed the solutions to various problems, helpful to ensure the rationality and economy of high-rise building HVAC design.

high-rise building, system partition, circulating water pump, smoke exhaust design

1009-6825(2017)05-0158-03

2016-12-04

韓曉鳳(1974- )，女，工程師

TU832

A