關于超高層建筑暖通設計的重點與難點探討

吳天敬（上海黃浦區建筑業管理所,上海200023）

關于超高層建筑暖通設計的重點與難點探討

吳天敬
（上海黃浦區建筑業管理所,上海200023）

以超高層建筑暖通設計為對象，分析了空調設計參數選取、冷、熱源設置、風系統、消防系統、機電層高控制中的重點、難點，旨在為超高層暖通設計提供參考。

超高層建筑；空調設計參數；冷、熱源設置；風系統；消防系統；機電層高

0 引言

作為特大型城市，擁有幾幢能夠提升城市功能的標志性超高層建筑已成為常態。一幢幢拔地而起的超高層建筑，不僅滿足了人們追求高品質生活的需求，更是區域發展的一座座地標。

以目標建成國際大都市的上海為例，截至2016年，超高層建筑已超過1000幢。集辦公、商業、酒店多功能一體的上海中心建成后，更是與環球金融中心、金茂大廈等形成新的天際線，與浦江對岸的外灘萬國建筑博覽群遙相輝映。

超高層建筑的飛速發展，給勘察、設計行業,包括暖通專業在內的各專業都帶來了許多新挑戰，下文在總結前人工作及經驗的基礎上，基于理論及實際工作經歷，對超高層暖通設計的重點與難點進行分析與探討。

1 空調設計參數的選取

1.1 冬季室外計算溫度[1]

對于百米以上建筑，應考慮冬季室外計算溫度隨建筑高度增加的變化，根據相關文獻，每升高100m，溫度約降低1℃。

1.2 空調區與鄰區的壓差

雖然《公共建筑節能設計標準》G B50189-2015中對幕墻的氣密性有不低于3級的要求，但熱壓及風壓對空調區域換氣的影響仍不容忽視，空調區與室外或其他空調區之間的壓差值是確定空調區新風量，校核區域、樓層乃至整個建筑風平衡的主要依據。壓差和房間門窗滲透風量的關系，可參照下式確定:

式中q—單位長度縫隙滲透風量，

m3/（h·m）；

0.827 —滲風系數；

f—縫隙寬度，mm；

b—指數，可取b=2

1.25 —不嚴密處附加系數。

2 冷、熱源設置

2.1 冷、熱源設置要點

除常規考慮因素外，冷、熱源設置時還應考慮以下幾點:1）不以單純滿足綠建得分為目的，盲目設置三聯供、蓄冷、地源熱泵等系統，應結合項目所在地區的能源條件，綜合環保、初投資、運維費用、能效等因素進行方案比選，為項目量體裁衣設置冷、熱源；2）現代建筑幕墻密封性好，部分地區冬季工況南向房間也具有一定冷負荷，全年需供冷水，可考慮過渡季及冬季冷卻塔免費供冷；3）“低溫潮濕天”冷卻塔排出的濕熱空氣產生白霧，不利觀瞻，應協調建筑專業考慮冷卻塔擺放條件及位置，以及防白霧措施，如利用廢熱加熱冷卻塔排氣，或采用“干-濕式冷卻塔”，將高溫的冷卻水先流過干式盤管作為加熱進塔空氣的熱源，再流進濕式淋水填料，用于降低出塔空氣的相對濕度；4）出現設備故障時的后備能力，避免“孤兒機組”；5）由于高壓制冷機可直接以市政進線或中間變壓等級的電力直接供電，從而減少了變配電環節的設備和機房，額定用電功率大于350k W的制冷機組應優先考慮高壓供電；6）冷源配置時尤其需分析最低冷負荷以及部分負荷的分布，如過渡季或冬季時內區發熱量較大區域少量的供冷需求，并考慮不同工況下制冷機組運行組合策略及運行效率。

2.2 冷、熱源分設與合設的對比分析

對于集辦公、商業、酒店等多功能一體的超高層建筑，冷、熱源的分設、合設直接影響著系統的使用效率、可靠性和經濟性。

表1 冷、熱源系統合設、分設對比分析

3 空調水系統

3.1 水系統壓力分析[3]

水系統壓力分析是空調設備、管路及管配件承壓能力判斷的依據，且直接影響著空調水系統的垂直分區，是水系統設計的重點，分析水系統壓力的理論基礎是流體力學中的恒定總流量方程式：

即:壓強水頭+位置水頭+流速水頭=常數

式中H

1，H2—1，2點的壓力，P a；

h1，h2—1，2點距同一基準面的高度，P a；

V1，V2—1，2點的水流速度，m/s；

g—自由落體的重力加速度，m/s2；

ΔH1-2—1，2點之間的水頭損失，P a。

在民用建筑低溫水和空調水系統中，V1、V2差值不大且一般均小于2.5m/s，式（2）可簡化為下式:

圖1 簡化的空調水系統圖

以上圖為例，其中O為定壓點，根據式（3），空調水系統各點壓力計算如下:

3.2 空調水系統能效的提高[2]

隨著建筑高度的增加，體量的增大，空調水系統具有規模大、輸配距離遠、運行能耗高的特點，為實現節能減排，空調水系統應將能量高效、經濟、定點的輸送給空調末端裝置，重點可從以下幾個方面考慮:

（1）考慮采用大溫差冷水機組或冰蓄冷系統，實現空調水系統大溫差運行，降低水泵初投資及冷量輸送能耗，相應的，需留意冷機效率衰減，以及空調末端，尤其是風機盤管的冷卻盤管進、出水溫加大時，機組換熱能力的下降，選型時應予以校核。

（2）水系統分區應合理、經濟，應將使用功能，時間，要求，輸配距離相同的房間劃為同一系統。水系統輸配距離不應過遠，系統阻力不應過大。

（3）水系統應具有良好的靜態和動態水力平衡，使各空調支路不欠流也不過流，各空調末端裝置可獲得必要的水流量，通過對一些已運營建筑的回訪，對于體量不是很大，尤其橫向管路較短的項目，可通過設靜態平衡閥實現水力平衡。

（4）合理配置循環水泵的臺數，在空調負荷變化范圍內，均可使系統循環水泵高效運行。變頻驅動水泵的最高效率點應注意設置在使用時段最多的工況點。

4 空調風系統

大堂、中庭、連廊等高大、連通空間，其內部空間結構復雜，建筑師常設置非主流的裝飾元素，如綠化等，設計空間具有熱擾多的特點，常規氣流組織計算無法為設計提供有效依據，是風系統設計的難點。

計算流體力學（CF D）的成熟發展，為設計人員檢驗氣流組織設計帶來了有利條件，通過CF D軟件，對物理空間建模，設置空調區邊界條件，空調風口位置及數量，送、回風速，送風溫度等參數，經計算機模擬計算，可形象展現整個建筑空間溫度場、速度場，對于指導設計人員優化、完善氣流組織設計具有重要意義。

5 消防系統

5.1 疏散電梯井防煙設計

隨著超高層建筑高度的不斷增高，疏散難度逐漸增大，根據消防法規要求，火災時禁止人員乘坐電梯進行疏散，主要原因在于電力系統得不到保障，以及電梯上下穿梭時產生的活塞效應可能會助長火勢。

人員從頂層僅靠樓梯疏散較難實現，以建筑高度超過600m的上海中心為例，大樓最高使用高度561.1m，人員不可能保持足夠的體力快速完成整個疏散過程，此外，在復雜以及預見性較弱的火場情況下，人員高度密集場所易引發人員跌倒的踩踏事件，不僅造成疏散通道堵塞，還將造成較火災事故更大的人員傷亡。

上述原因使設計師考慮使用特殊設計的電梯，是否可以作為疏散樓梯之外的一種輔助疏散方式。為保障疏散電梯系統正常運作，應對所有高度大于100m的電梯井道設機械加壓送風系統。上海地區項目，加壓風量可根據《建筑防排煙技術規程》第5.1.2條公示進行計算，同時按每層每梯送風1350m3/h進行復核，實際選用風機時按風量大的結果選取。

5.2 室外消防風口布置

超高層的消防風口多布置于首層、避難層或屋頂，由于數量多，布置雜亂無章，下部排煙被上部補風吸入情況多有發生，既不利觀瞻，又影響防排煙效果。因此前期機電房、管井位置應與建筑師充分協調、整體布局，排煙、補風口布置時，不僅要考慮同層之間不互相影響，也要考慮上、下層之間的影響。

6 機電層高控制

6.1 BIM軟件的應用

隨著現代建筑功能定位的提高，機電管線越發繁多，而建筑結構形式復雜，機電空間小，以往的二維平面綜合管線圖及局部剖面圖難以滿足對復雜機電管線進行排布的要求，對于管線復雜工程，可采用BIM，以減少不必要的拆改，節省工期，降低社會成本并提升經濟效益。

6.2 機電管線布置原則

機電管線布置時應考慮到后期風口、燈具、煙感探頭、噴淋頭的安裝，可參照以下原則布置:1）盡可能利用梁內空間；2）有壓管讓無壓管，小管線讓大管線，施工簡單的避讓施工難度大的；3）冷水管道避讓熱水管道；4）附件少的管道避讓附件多的管道；5）臨時管道避讓永久管道；6）氣體管道避讓液體管道；7）管線垂直布置時，應遵循風管在上，電氣橋架在中間，給排水管在下。

7 結語

超高層建筑數量的增加，標志著國內建筑業巨大的技術進步，暖通技術也經歷著不斷的發展革新，從早期的全空氣系統（發展到變風量系統）和分散的窗式空調，到風機盤管和冷媒系統，近年來暖通技術更趨多元化，輻射供冷、供熱，地板送風等空調方式不斷涌現。新形式下暖通設計理念，更加重視節能、室內品質，重視與規劃、建筑、管理和自控的協調。只有不斷的總結經驗、汲取教訓、認真思考，才能推動暖通專業不斷進步，從容面對新的挑戰。

[1]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.

[2]范存養，楊國榮，葉大法.高層建筑空調設計及工程實錄[M].北京:中國建筑工業出版社，2014.

[3]任秀宏，吳鳳英.空調水系統的壓力分析及定壓點的選擇[J].低溫與超導，2010，38（6）：49-50.

Discussion about the Key Points and Special Difficulties in HVAC System Design for Super High-rise Buildings

WU Tian-jing
（Shanghai Huangpu District Construction Business Management Institute，Shanghai200023，China）

H V AC d e s i g n o f s u p er h i gh-ri s e b uil d in gs i s t h e re s earc h o bj ect，analy s i s on t h e K ey P oint s an d sp ecial D i ff icultie s in Air con d itionin g d e s i g n p arameter s c h o s en，coolin g an d h eatin g s y s tem d e s i g n,air-con d itionin g s y s tem，f ire control s y s tem，M E P h ei gh t control,in or d er to p ro v i d e re f erence f or t h e s imilar H V AC d e s i g n o f s u p er h i gh-ri s e s b uil d in g.

s u p er h i gh-ri s e s b uil d in g；air con d itionin g d e s i g n p arameter s；coolin g an d h eatin g s y s tem d e s i g n；air-con d itionin g s y s tem；f ire control s y s tem；M E P h ei gh tcontrol

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2017.03.020

T U83

B

2095-3429（2017）03-0080-04

2017-04-05

修回日期：2017-05-31

吳天敬（1982-），男，上海人，學士，工程師。