超高層建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

顧暢

北京國科天創(chuàng)建筑設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司 北京 100042

引言

超高層建筑在一線城市的數(shù)量越來越多，無論是人們的生活還是工作，超高層建筑都是人們的主要聚集地之一，和普通建筑相比，超高層建筑的結(jié)構(gòu)往往更加復(fù)雜和龐大，同時(shí)還需要容納更多的人以及承擔(dān)更多的功能，在這種情況下，做好對超高層建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)的有效設(shè)計(jì)，能夠更加全面考慮到超高層建筑的整體特征，遵循超高層建筑的相應(yīng)原則，才能保證暖通空調(diào)設(shè)計(jì)符合超高層建筑的整體舒適性，滿足人們的生活、工作需求。

1 項(xiàng)目概述

本項(xiàng)目以某市超高層建筑設(shè)計(jì)為主，該項(xiàng)目總建筑面積約為200000m2，其中地上建筑面積約為137800m2，地下面積約為62200m2。整個(gè)項(xiàng)目包括兩棟超高層塔樓和裙房，裙房六層，主要以商業(yè)、商務(wù)、餐廳以及多功能服務(wù)為主，超高層A、B兩座塔樓屬于甲級辦公樓，A做39層， B座32層。在設(shè)計(jì)過程中，參考國家規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，確定該超高層建筑的主要功能房間室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)，如表1所示。

表1 高層建筑室內(nèi)參數(shù)

2 超高層建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 冷熱源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

首先是針對裙房和塔樓辦公區(qū)的冷熱源系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，根據(jù)物業(yè)管理分割需求，A座和B座兩棟塔樓冷熱源分別設(shè)置，兩套制冷系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行，本次以A座塔樓為例，進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)論述。

A座塔樓冷源設(shè)置在地下一層的制冷機(jī)房內(nèi)，采用兩臺離心式制冷機(jī)組、兩臺螺桿式制冷機(jī)組，均為變頻機(jī)組，搭配運(yùn)行。本項(xiàng)目空調(diào)水系統(tǒng)采用兩管制，根據(jù)建筑高度，分為高區(qū)和低區(qū)兩個(gè)不同的區(qū)域，低區(qū)定壓100m水柱，高區(qū)定壓200m水柱。冷源一次空調(diào)冷凍水供回水溫度為5.5/11℃，直供低區(qū)空調(diào)水系統(tǒng)；一次空調(diào)冷凍水經(jīng)冷水板式換熱器換熱后，提供二次空調(diào)冷凍水，供回水溫度為7/12.5℃，為高區(qū)空調(diào)水系統(tǒng)提供冷源。冷水循環(huán)泵均為變頻泵，變流量運(yùn)行，分、集水器之間設(shè)置電動旁通調(diào)節(jié)閥，調(diào)節(jié)閥的設(shè)計(jì)流量取各臺冷水機(jī)組允許的最小流量中的最大值[1]。低區(qū)補(bǔ)水定壓系統(tǒng)采用變頻補(bǔ)水泵及定壓罐定壓，高區(qū)補(bǔ)水定壓系統(tǒng)采用高位膨脹水箱定壓。冷卻水供回水溫度為32/37℃，冷卻塔設(shè)置于六層裙房屋面，冷卻塔臺數(shù)與冷水機(jī)組一一對應(yīng)，采用變頻調(diào)速風(fēng)機(jī)控制風(fēng)量，通過調(diào)節(jié)風(fēng)量控制出水溫度。

A座塔樓熱源由空氣源熱泵機(jī)組提供，采用四臺空氣源熱泵，主機(jī)設(shè)置于塔樓屋面，一次熱水供回水溫度為55/45℃，直供高區(qū)冬季空調(diào)水系統(tǒng)；二十二層為避難層，本層設(shè)置一套熱水板式換熱機(jī)組，為低區(qū)冬季空調(diào)水系統(tǒng)提供二次熱水，供回水溫度為50/40℃。

在進(jìn)行冷熱源設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)在確保冷負(fù)荷計(jì)算的準(zhǔn)確性前提下，綜合考慮冷熱需求及能源消耗，合理配置冷熱源主機(jī)的容量，使超高層建筑與暖通空調(diào)的設(shè)計(jì)合理的結(jié)合在一起。

2.2 空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)人員對超高層建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)的通風(fēng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需要遵循相關(guān)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，通過計(jì)算了解該建筑所使用的冷負(fù)荷指標(biāo)，從而使設(shè)計(jì)完成的暖通空調(diào)系統(tǒng)符合建筑物的使用需求[2]。如果設(shè)計(jì)人員忽視了設(shè)計(jì)階段的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，往往會導(dǎo)致設(shè)計(jì)規(guī)范不合格，同時(shí)也會導(dǎo)致建筑成本增加。

本項(xiàng)目首層大堂采用全空氣系統(tǒng)，組合式空調(diào)機(jī)組安裝于機(jī)房內(nèi)，風(fēng)機(jī)變頻，風(fēng)量可根據(jù)室內(nèi)溫度需求進(jìn)行調(diào)節(jié)，機(jī)組混合段設(shè)置電動調(diào)節(jié)閥，可實(shí)現(xiàn)變新風(fēng)比運(yùn)行。裙房商業(yè)采用風(fēng)機(jī)盤管+新風(fēng)系統(tǒng)，新風(fēng)采用集中熱回收系統(tǒng)，減少能耗實(shí)現(xiàn)節(jié)能。辦公區(qū)采用外區(qū)風(fēng)機(jī)盤管、內(nèi)區(qū)全空氣變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)，風(fēng)機(jī)盤管承擔(dān)外圍護(hù)結(jié)構(gòu)冷熱負(fù)荷，變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)承擔(dān)內(nèi)區(qū)人員、設(shè)備、照明、新風(fēng)負(fù)荷，變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)由空調(diào)機(jī)組、單風(fēng)道末端裝置等組成，空調(diào)機(jī)組設(shè)置于核心筒空調(diào)機(jī)房內(nèi)，靠風(fēng)管內(nèi)的靜壓傳感器控制機(jī)組風(fēng)機(jī)變頻運(yùn)行，以固定的送風(fēng)溫度和變化的送風(fēng)量送入設(shè)在室內(nèi)的變風(fēng)量末端裝置風(fēng)箱，再通過風(fēng)箱經(jīng)風(fēng)管及風(fēng)口送入室內(nèi)。本項(xiàng)目變風(fēng)量末端裝置采用壓力無關(guān)型風(fēng)箱，當(dāng)控制室溫未變化時(shí)，風(fēng)道壓力的變化應(yīng)由末端裝置自動調(diào)整風(fēng)閥開度而保持當(dāng)前的送風(fēng)量不變。變風(fēng)量末端裝置可隨該房間溫度的變化自動控制送風(fēng)量，使空調(diào)房間過冷或過熱現(xiàn)象得以消除，能量得以合理利用，并提高室內(nèi)舒適度，有利于更好地滿足不同條件下和環(huán)境中的暖通空調(diào)優(yōu)化運(yùn)行需求。

2.3 防排煙系統(tǒng)設(shè)計(jì)

針對超高層建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，防煙系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要做到火災(zāi)時(shí)，防煙樓梯間、獨(dú)立前室、消防電梯前室、合用前室、避難走道前室、避難層能夠安全使用，阻止煙氣入侵，實(shí)現(xiàn)人員安全疏散；排煙系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要做到室內(nèi)煙氣有效排除，避免煙氣堆積危害人身安全。

本項(xiàng)目機(jī)械加壓送風(fēng)系統(tǒng)豎向分段設(shè)置，每段高度不超過100m，地上與地下分別獨(dú)立設(shè)置，加壓送風(fēng)機(jī)設(shè)置在專用機(jī)房內(nèi)，風(fēng)機(jī)設(shè)置帶防火閥的余壓閥壓力控制裝置，以控制加壓送風(fēng)系統(tǒng)在該部位的正壓值，樓梯間與走道之間的壓差應(yīng)為40～50Pa，前室、避難層與走道的壓差應(yīng)為25～30Pa[3]。加壓送風(fēng)系統(tǒng)與火災(zāi)自動報(bào)警系統(tǒng)聯(lián)動，前室的加壓送風(fēng)口設(shè)手動與自動開啟裝置，并與加壓送風(fēng)機(jī)的啟動裝置聯(lián)動。避難層除設(shè)置機(jī)械加壓送風(fēng)系統(tǒng)外，應(yīng)在外墻設(shè)置可開啟外窗，其有效面積不應(yīng)小于該避難層地面面積的1%。

本項(xiàng)目機(jī)械排煙系統(tǒng)豎向分段設(shè)置，每段高度不超過50m，排煙風(fēng)機(jī)設(shè)置在專用機(jī)房內(nèi)。考慮到排煙風(fēng)管較大，占用室內(nèi)吊頂空間較多，排煙系統(tǒng)盡量采用外窗自然排煙，與建筑專業(yè)設(shè)計(jì)人員共同協(xié)商外窗開啟高度及開啟面積，合理設(shè)計(jì)儲煙倉厚度，滿足室內(nèi)清晰高度要求。

2.4 節(jié)能環(huán)保設(shè)計(jì)

隨著當(dāng)今社會的快速發(fā)展，資源的消耗也越來越多，節(jié)能環(huán)保成了當(dāng)今社會重點(diǎn)關(guān)注的問題之一。在這種情況下，各行各業(yè)加強(qiáng)了降低能源消耗的措施，而在超高層建筑暖通空調(diào)的設(shè)計(jì)研究中，如何合理降低能源消耗是設(shè)計(jì)的主要問題。在設(shè)備選型過程中，首先對制冷機(jī)組的性能系數(shù)進(jìn)行判定，需滿足節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中的數(shù)值要求，其次是合理布置管線路由，并對循環(huán)泵的耗電輸冷比進(jìn)行計(jì)算，應(yīng)滿足規(guī)范要求限值，循環(huán)泵采用變頻變流量，以達(dá)到節(jié)能目的。冷熱能源中心采用機(jī)房群控系統(tǒng)，按需提供冷、熱量，由于自動化系統(tǒng)運(yùn)行程序是固定的，可以避免人為原因?qū)е略O(shè)備不合理運(yùn)行，對于提升整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行效率起到了重要的作用。自動化系統(tǒng)控制可以減少能源的浪費(fèi)，并降低人工費(fèi)用和運(yùn)行成本。末端組合式空調(diào)機(jī)組可調(diào)新風(fēng)比，過渡季節(jié)利用新風(fēng)消除室內(nèi)余熱，新風(fēng)機(jī)組熱回收處理，可以降低空調(diào)系統(tǒng)能耗和運(yùn)行費(fèi)用，利于節(jié)能設(shè)計(jì)。

3 設(shè)計(jì)總結(jié)及難點(diǎn)

3.1 總結(jié)

在超高層建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，要遵循安全性、可行性、舒適性以及經(jīng)濟(jì)性的原則。超高層建筑內(nèi)人員及設(shè)備較多，一旦發(fā)生火災(zāi)，對于其居住人員的生命財(cái)產(chǎn)安全造成了嚴(yán)重的威脅，所以超高層建筑在設(shè)計(jì)的過程中，就需要保證擁有足夠的安全性，同時(shí)在施工過程中，應(yīng)保證建材原料的安全性，且避免在較小的空間進(jìn)行安裝調(diào)試，在消防設(shè)備及管道的施工中，嚴(yán)格按照施工圖紙的具體要求進(jìn)行鋪設(shè)，避免出現(xiàn)不規(guī)范的問題，當(dāng)暖通空調(diào)系統(tǒng)動力區(qū)域出現(xiàn)異常時(shí)，應(yīng)該及時(shí)對故障位置進(jìn)行排查。在可行性的原則中，超高層建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)該遵循相關(guān)建筑設(shè)計(jì)規(guī)范，確保設(shè)計(jì)具有合理性，尤其是對濕度和溫度方面的控制一定要嚴(yán)格把控，減少暖通空調(diào)的能源消耗問題。針對舒適性原則，設(shè)計(jì)人員要考慮到吸收此前超高層建筑暖通空調(diào)設(shè)計(jì)中的優(yōu)勢，對弊端采取合理的措施進(jìn)行規(guī)避，使暖通空調(diào)在應(yīng)用中為建筑居民提供優(yōu)質(zhì)的室內(nèi)環(huán)境[4]。而在經(jīng)濟(jì)性原則中，設(shè)計(jì)人員不但要考慮到以上三點(diǎn)的要求，更需要降低其中的成本支出情況，在保證設(shè)備的實(shí)用性和先進(jìn)性中，對設(shè)備材料的采購進(jìn)行嚴(yán)格控制，但不能盲目地壓縮成本而導(dǎo)致超高層建筑暖通空調(diào)使用效果達(dá)不到需求。在施工前，可以由專人對相關(guān)的各項(xiàng)費(fèi)用進(jìn)行預(yù)算，這些預(yù)算費(fèi)用包括安裝、調(diào)試、售后等費(fèi)用的預(yù)算，有利于減少不必要的支出，才能實(shí)現(xiàn)對成本的有效控制。

3.2 難點(diǎn)

在超高層暖通空調(diào)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析中，主要存在以下幾個(gè)難點(diǎn)，首先是對超高層建筑制冷主機(jī)及循環(huán)水泵的有效選型問題中，超高層建筑體量大，且外圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用玻璃幕墻的情況多，導(dǎo)致夏季冷負(fù)荷大，僅依附于冷負(fù)荷計(jì)算并不能完全實(shí)現(xiàn)提供冷負(fù)荷與實(shí)際需求的合理配比，實(shí)際運(yùn)行時(shí)，過渡季節(jié)和夏季室外溫度高時(shí)，制冷主機(jī)開啟數(shù)量也不同。在此情況下，如何合理選型主機(jī)是設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，設(shè)計(jì)人員需要盡可能收集當(dāng)?shù)貙?shí)際項(xiàng)目設(shè)備運(yùn)行資料，參考以往優(yōu)秀超高層設(shè)計(jì)案例，結(jié)合計(jì)算值與經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對制冷能源中心進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。空調(diào)循環(huán)水泵設(shè)計(jì)的過程中，循環(huán)水泵由于循環(huán)水量比較大，很容易導(dǎo)致資源的浪費(fèi)，系統(tǒng)水管較為復(fù)雜，沿程阻力及局部阻力計(jì)算是設(shè)計(jì)難點(diǎn)，水泵揚(yáng)程的選擇決定了水系統(tǒng)的穩(wěn)定性，需要在設(shè)計(jì)過程中重點(diǎn)把控計(jì)算選型。其次是空調(diào)水系統(tǒng)的定壓，超高層建筑由于其高度的特殊性，需對空調(diào)水系統(tǒng)進(jìn)行豎向分區(qū)，每個(gè)區(qū)域的定壓值不同，應(yīng)保證每個(gè)系統(tǒng)不超壓、不倒空、不汽化，保證用戶有足夠的資用壓頭，回水管內(nèi)任何一點(diǎn)的壓力，都比大氣壓力至少高出50KPa，以免吸入空氣。水力平衡方面，空調(diào)水干管采用異程式布置，系統(tǒng)分區(qū)后，每個(gè)系統(tǒng)的地下主干線最近端與最遠(yuǎn)端應(yīng)盡可能縮短，主干線及立管應(yīng)采用放大管徑的低比摩阻設(shè)計(jì)，并在每個(gè)樓座引入口設(shè)置平衡閥調(diào)節(jié)，保證各樓之間的水力平衡，每層出管井處干管也應(yīng)設(shè)置平衡閥調(diào)節(jié)，保證各層之間的水力平衡。

4 結(jié)束語

在超高層建筑暖通空調(diào)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析中，從設(shè)計(jì)的角度出發(fā)保證建筑的安全性能提升，可以保證空調(diào)系統(tǒng)在今后的運(yùn)用過程中給人們提供良好的舒適性，加強(qiáng)暖通空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并全面考慮到暖通空調(diào)的各個(gè)方面，可以更好地保證設(shè)計(jì)質(zhì)量，使超高層建筑暖通空調(diào)設(shè)計(jì)水準(zhǔn)滿足人們的使用需求。