關(guān)于超高層建筑暖通設(shè)計的重點與難點探討

吳天敬（上海黃浦區(qū)建筑業(yè)管理所,上海200023）

關(guān)于超高層建筑暖通設(shè)計的重點與難點探討

吳天敬
（上海黃浦區(qū)建筑業(yè)管理所,上海200023）

以超高層建筑暖通設(shè)計為對象，分析了空調(diào)設(shè)計參數(shù)選取、冷、熱源設(shè)置、風系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、機電層高控制中的重點、難點，旨在為超高層暖通設(shè)計提供參考。

超高層建筑；空調(diào)設(shè)計參數(shù)；冷、熱源設(shè)置；風系統(tǒng)；消防系統(tǒng)；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(tài)。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(zhì)生活的需求，更是區(qū)域發(fā)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(yè)、酒店多功能一體的上海中心建成后，更是與環(huán)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(fā)展，給勘察、設(shè)計行業(yè),包括暖通專業(yè)在內(nèi)的各專業(yè)都帶來了許多新挑戰(zhàn)，下文在總結(jié)前人工作及經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，基于理論及實際工作經(jīng)歷，對超高層暖通設(shè)計的重點與難點進行分析與探討。

1 空調(diào)設(shè)計參數(shù)的選取

1.1 冬季室外計算溫度[1]

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

1.2 空調(diào)區(qū)與鄰區(qū)的壓差

雖然《公共建筑節(jié)能設(shè)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(diào)區(qū)域換氣的影響仍不容忽視，空調(diào)區(qū)與室外或其他空調(diào)區(qū)之間的壓差值是確定空調(diào)區(qū)新風量，校核區(qū)域、樓層乃至整個建筑風平衡的主要依據(jù)。壓差和房間門窗滲透風量的關(guān)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(shù)；

f—縫隙寬度，mm；

b—指數(shù)，可取b=2

1.25 —不嚴密處附加系數(shù)。

2 冷、熱源設(shè)置

2.1 冷、熱源設(shè)置要點

除常規(guī)考慮因素外，冷、熱源設(shè)置時還應(yīng)考慮以下幾點:1）不以單純滿足綠建得分為目的，盲目設(shè)置三聯(lián)供、蓄冷、地源熱泵等系統(tǒng)，應(yīng)結(jié)合項目所在地區(qū)的能源條件，綜合環(huán)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(shè)置冷、熱源；2）現(xiàn)代建筑幕墻密封性好，部分地區(qū)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(chǎn)生白霧，不利觀瞻，應(yīng)協(xié)調(diào)建筑專業(yè)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(xiàn)設(shè)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(huán)節(jié)的設(shè)備和機房，額定用電功率大于350k W的制冷機組應(yīng)優(yōu)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(nèi)區(qū)發(fā)熱量較大區(qū)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(shè)與合設(shè)的對比分析

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

表1 冷、熱源系統(tǒng)合設(shè)、分設(shè)對比分析

3 空調(diào)水系統(tǒng)

3.1 水系統(tǒng)壓力分析[3]

水系統(tǒng)壓力分析是空調(diào)設(shè)備、管路及管配件承壓能力判斷的依據(jù)，且直接影響著空調(diào)水系統(tǒng)的垂直分區(qū)，是水系統(tǒng)設(shè)計的重點，分析水系統(tǒng)壓力的理論基礎(chǔ)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(shù)

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(diào)水系統(tǒng)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(diào)水系統(tǒng)圖

以上圖為例，其中O為定壓點，根據(jù)式（3），空調(diào)水系統(tǒng)各點壓力計算如下:

3.2 空調(diào)水系統(tǒng)能效的提高[2]

隨著建筑高度的增加，體量的增大，空調(diào)水系統(tǒng)具有規(guī)模大、輸配距離遠、運行能耗高的特點，為實現(xiàn)節(jié)能減排，空調(diào)水系統(tǒng)應(yīng)將能量高效、經(jīng)濟、定點的輸送給空調(diào)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(tǒng)，實現(xiàn)空調(diào)水系統(tǒng)大溫差運行，降低水泵初投資及冷量輸送能耗，相應(yīng)的，需留意冷機效率衰減，以及空調(diào)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(yīng)予以校核。

（2）水系統(tǒng)分區(qū)應(yīng)合理、經(jīng)濟，應(yīng)將使用功能，時間，要求，輸配距離相同的房間劃為同一系統(tǒng)。水系統(tǒng)輸配距離不應(yīng)過遠，系統(tǒng)阻力不應(yīng)過大。

（3）水系統(tǒng)應(yīng)具有良好的靜態(tài)和動態(tài)水力平衡，使各空調(diào)支路不欠流也不過流，各空調(diào)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(shè)靜態(tài)平衡閥實現(xiàn)水力平衡。

（4）合理配置循環(huán)水泵的臺數(shù)，在空調(diào)負荷變化范圍內(nèi)，均可使系統(tǒng)循環(huán)水泵高效運行。變頻驅(qū)動水泵的最高效率點應(yīng)注意設(shè)置在使用時段最多的工況點。

4 空調(diào)風系統(tǒng)

大堂、中庭、連廊等高大、連通空間，其內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)復雜，建筑師常設(shè)置非主流的裝飾元素，如綠化等，設(shè)計空間具有熱擾多的特點，常規(guī)氣流組織計算無法為設(shè)計提供有效依據(jù)，是風系統(tǒng)設(shè)計的難點。

計算流體力學（CF D）的成熟發(fā)展，為設(shè)計人員檢驗氣流組織設(shè)計帶來了有利條件，通過CF D軟件，對物理空間建模，設(shè)置空調(diào)區(qū)邊界條件，空調(diào)風口位置及數(shù)量，送、回風速，送風溫度等參數(shù)，經(jīng)計算機模擬計算，可形象展現(xiàn)整個建筑空間溫度場、速度場，對于指導設(shè)計人員優(yōu)化、完善氣流組織設(shè)計具有重要意義。

5 消防系統(tǒng)

5.1 疏散電梯井防煙設(shè)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(jù)消防法規(guī)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(tǒng)得不到保障，以及電梯上下穿梭時產(chǎn)生的活塞效應(yīng)可能會助長火勢。

人員從頂層僅靠樓梯疏散較難實現(xiàn)，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(fā)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(shè)計師考慮使用特殊設(shè)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(tǒng)正常運作，應(yīng)對所有高度大于100m的電梯井道設(shè)機械加壓送風系統(tǒng)。上海地區(qū)項目，加壓風量可根據(jù)《建筑防排煙技術(shù)規(guī)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(jié)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(shù)量多，布置雜亂無章，下部排煙被上部補風吸入情況多有發(fā)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(yīng)與建筑師充分協(xié)調(diào)、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(yīng)用

隨著現(xiàn)代建筑功能定位的提高，機電管線越發(fā)繁多，而建筑結(jié)構(gòu)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(jié)省工期，降低社會成本并提升經(jīng)濟效益。

6.2 機電管線布置原則

機電管線布置時應(yīng)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(nèi)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(yīng)遵循風管在上，電氣橋架在中間，給排水管在下。

7 結(jié)語

超高層建筑數(shù)量的增加，標志著國內(nèi)建筑業(yè)巨大的技術(shù)進步，暖通技術(shù)也經(jīng)歷著不斷的發(fā)展革新，從早期的全空氣系統(tǒng)（發(fā)展到變風量系統(tǒng)）和分散的窗式空調(diào)，到風機盤管和冷媒系統(tǒng)，近年來暖通技術(shù)更趨多元化，輻射供冷、供熱，地板送風等空調(diào)方式不斷涌現(xiàn)。新形式下暖通設(shè)計理念，更加重視節(jié)能、室內(nèi)品質(zhì)，重視與規(guī)劃、建筑、管理和自控的協(xié)調(diào)。只有不斷的總結(jié)經(jīng)驗、汲取教訓、認真思考，才能推動暖通專業(yè)不斷進步，從容面對新的挑戰(zhàn)。

[1]劉天川.超高層建筑空調(diào)設(shè)計[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2004.

[2]范存養(yǎng)，楊國榮，葉大法.高層建筑空調(diào)設(shè)計及工程實錄[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2014.

[3]任秀宏，吳鳳英.空調(diào)水系統(tǒng)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。