超高層辦公建筑空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的影響因素分析

陳 威

（廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院第二機(jī)電設(shè)計(jì)研究所，廣東廣州510010）

0 引言

建筑高度超過100 m時(shí)，不論住宅還是公共建筑均為超高層建筑[1]。截至目前，世界十大高樓排行榜中，已建成和在建的超高層建筑中國獨(dú)占七座。2017年，我國共建成200 m以上的超高層建筑76座，約占該年世界總建成超高層數(shù)量的53%，其中大部分集中在我國的華南地區(qū)。

超高層建筑主要功能包括辦公、酒店、展覽、觀光旅游、電視廣播發(fā)射以及購物中心等，其中以辦公功能使用面積占比最高。筆者曾有幸參與設(shè)計(jì)幾個(gè)華南地區(qū)超高層辦公樓項(xiàng)目，本文對項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案和設(shè)計(jì)過程進(jìn)行了一些提煉總結(jié)分析，希望能對設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)超高層建筑空調(diào)系統(tǒng)略有參考作用。

1 建筑高度對建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)冷熱負(fù)荷的影響

（1）查閱資料[2]，珠三角地區(qū)不同高度下風(fēng)速變化關(guān)系如表1所示。

由表1可知，隨著建筑物高度的增加，風(fēng)速增大，則建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)換熱系數(shù)必然發(fā)生改變，故本工程對此進(jìn)行初步數(shù)值模擬以得出較為準(zhǔn)確的結(jié)論，詳見下文。

表1 建筑高度與風(fēng)速關(guān)系表

（2）夏季建筑外表面熱流強(qiáng)度隨建筑高度變化的模擬統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示，其中負(fù)數(shù)代表熱流方向?yàn)閺氖彝饬飨蚪ㄖ?nèi)，正數(shù)代表熱流方向?yàn)閺慕ㄖ?nèi)流向室外。

由表2數(shù)據(jù)可知，隨著建筑物高度的增加，風(fēng)速增大，外表面換熱系數(shù)增加，但對建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)影響不大；玻璃圍護(hù)結(jié)構(gòu)輻射得熱近似認(rèn)為不隨建筑物高度的變化而變化。

表2 建筑高度與熱流強(qiáng)度關(guān)系表

綜上所述，建筑高度對建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)冷負(fù)荷的影響較小，在常規(guī)設(shè)計(jì)過程中可忽略不計(jì)。因此在設(shè)計(jì)過程中，主要考慮房間用途、人員密度等非外圍護(hù)結(jié)構(gòu)因素對空調(diào)負(fù)荷的影響，從而在一定程度上有效簡化了空調(diào)負(fù)荷計(jì)算，提高了設(shè)計(jì)效率。

2 建筑高度對空調(diào)水系統(tǒng)設(shè)計(jì)的影響

由于超高層建筑體量大，水靜壓高，空調(diào)水系統(tǒng)工作壓力也逐漸增大。設(shè)計(jì)中，為解決設(shè)備和管道高承壓問題，一般采用設(shè)置板式換熱器豎向分區(qū)或選擇高承壓設(shè)備和管道系統(tǒng)方案。當(dāng)采用設(shè)置板式換熱器豎向分區(qū)方案時(shí)，雖然可控制系統(tǒng)工作壓力維持較低值，但由于板換換熱特性，二次換熱側(cè)水溫升高，能源利用率降低，末端設(shè)備選型需偏大，會造成投資增高和能耗增加。當(dāng)采用高承壓設(shè)備和管道系統(tǒng)的配置方案時(shí)，雖然系統(tǒng)工作壓力較高，可保持低區(qū)和高區(qū)供水溫度一致性，提高能源利用效率，但主要設(shè)備和管道系統(tǒng)投資就會隨之增大。因此，設(shè)備和管道系統(tǒng)承壓的選擇和如何充分利用設(shè)備和管道系統(tǒng)的承壓能力，盡量減少豎向分區(qū)，便成為影響空調(diào)水系統(tǒng)豎向分區(qū)的主要因素[3]。

2.1 設(shè)備和管道承壓

根據(jù)GB/T 19232—2003《風(fēng)機(jī)盤管機(jī)組》及現(xiàn)有設(shè)備廠商提供的參數(shù)，空調(diào)系統(tǒng)主要設(shè)備的承壓值如下：

（1）風(fēng)機(jī)盤管常規(guī)最大承壓值1.6 MPa，極個(gè)別廠家可做到1.75 MPa。

（2）空調(diào)風(fēng)柜等機(jī)組盤管常規(guī)最大承壓值1.6 MPa，極個(gè)別廠家可做到1.75 MPa。

（3）冷水機(jī)組常規(guī)最大承壓2.0 MPa。

（4）水泵、板式換熱器最大承壓2.5 MPa。

（5）閥門和管道由于材質(zhì)不同，承壓范圍較廣，完全可以滿足空調(diào)水系統(tǒng)的承壓要求。

2.2 超高層建筑空調(diào)水系統(tǒng)豎向分區(qū)原則

根據(jù)設(shè)備承壓和能效平衡，結(jié)合現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范和技術(shù)措施等相關(guān)規(guī)定，空調(diào)水系統(tǒng)豎向分區(qū)原則可總結(jié)如下：

（1）末端設(shè)備承壓不宜超過1.6 MPa。

（2）冷水機(jī)組承壓不宜超過2.0 MPa，板式換熱器承壓不宜超過2.5 MPa。當(dāng)冷源系統(tǒng)需要增大承壓時(shí)，宜優(yōu)先增大板式換熱器和水泵承壓。

（3）系統(tǒng)最大工作壓力不宜超過2.5 MPa。

2.3 不同高度超高層建筑空調(diào)水系統(tǒng)豎向分區(qū)方案

根據(jù)上述分析，不同高度超高層建筑空調(diào)水系統(tǒng)豎向分區(qū)應(yīng)采用不同配置方案：

（1）系統(tǒng)高度小于120 m的建筑，水系統(tǒng)豎向可不分區(qū)，所有區(qū)域制冷可由制冷機(jī)組直供。

（2）系統(tǒng)高度在120～240 m之間的建筑，120 m以下區(qū)域采用制冷機(jī)組直供，在100～120 m之間的設(shè)備層設(shè)置板換，制冷主機(jī)經(jīng)板換換熱后供120 m以上分區(qū)使用。

（3）系統(tǒng)高度在240～360 m之間的建筑，120 m以下區(qū)域采用制冷機(jī)組直供，在120 m高度附近區(qū)域設(shè)備房設(shè)置板換，分為中區(qū)板換和高區(qū)板換，中區(qū)板換供120～240 m分區(qū)使用，高區(qū)板換供240～360 m分區(qū)使用。

以上分區(qū)高度不是絕對的，是以主機(jī)承壓和末端承壓要求為主要考慮因素，同時(shí)盡量避免制冷機(jī)組設(shè)置在塔樓并減少板換換熱次數(shù)，是從純技術(shù)角度分析，具體系統(tǒng)分區(qū)還跟建筑功能分區(qū)、管理運(yùn)營方式有關(guān)，需同時(shí)考慮技術(shù)和經(jīng)濟(jì)因素，綜合權(quán)衡后才能確定具體分區(qū)方式。分區(qū)的主要目的是保證系統(tǒng)安全、節(jié)能、經(jīng)濟(jì)、合理運(yùn)行。

3 室外風(fēng)壓對空調(diào)、通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的影響

查閱相關(guān)資料，建筑高度為100 m時(shí)風(fēng)壓高度變化系數(shù)為1.5，200 m時(shí)為2.03，300 m時(shí)為2.43。根據(jù)表1，當(dāng)建筑高度在100～300 m區(qū)間時(shí)，室外風(fēng)速在6～8 m/s之間，而我們常規(guī)設(shè)計(jì)排風(fēng)風(fēng)速基本在此風(fēng)速區(qū)間，同時(shí)根據(jù)建筑規(guī)范等要求，超高層建筑的主要避難層基本也設(shè)置在此高度區(qū)間，而避難層是設(shè)備專業(yè)集中送排風(fēng)的設(shè)備層，所以如何避免出現(xiàn)避難層由于室外風(fēng)速、風(fēng)壓因素導(dǎo)致風(fēng)機(jī)進(jìn)排風(fēng)困難的問題，是超高層空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難點(diǎn)。

在筆者曾參與設(shè)計(jì)的工程中，避難層百葉開啟采用角位端部不同方向的兩面開設(shè)通風(fēng)百葉的方案，利用了均壓環(huán)的原理，即每個(gè)避難層百葉開啟位置在西北角、東北角的兩個(gè)角面，并用風(fēng)道連通；同理，西南面、東南面的百葉分別開設(shè)在西南、東南面，并用風(fēng)道連通，以有效解決由于高區(qū)室外風(fēng)壓過大進(jìn)排風(fēng)困難的問題。同時(shí)，在風(fēng)機(jī)選型上，也適當(dāng)考慮加大了風(fēng)機(jī)的壓頭，共同保證進(jìn)排風(fēng)的順暢。

4 結(jié)論

（1）建筑高度對建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)冷熱負(fù)荷的影響較小，在工程設(shè)計(jì)中可以忽略建筑高度對冷負(fù)荷計(jì)算的影響。

（2）高層建筑空調(diào)水系統(tǒng)應(yīng)進(jìn)行豎向分區(qū)，且分區(qū)高度以主機(jī)和末端承壓1.6 MPa為限。

（3）超高層建筑避難層的進(jìn)排風(fēng)應(yīng)利用均壓環(huán)原理，從而避免因室外風(fēng)速和風(fēng)壓影響導(dǎo)致單面開設(shè)百葉進(jìn)排風(fēng)不通暢，以致影響通風(fēng)、空調(diào)系統(tǒng)正常運(yùn)行的情況。