某超高層綜合樓通風空調系統設計分析

唐興中 TANG Xing-zhong

（中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 102600）

0 引言

隨著我國建筑科學不斷發展進步，國內超高層建筑也迅速增加，更好地滿足了現代人們消費觀念日益增長需求。由于超高層建筑形體高大、業態繁多、空間結構復雜，對通風、空調及防排煙系統設計提出了更加嚴格的要求，而且目前國內相關規范和技術措施對超高層空調水系統分區等尚無明確規定。因此，通風空調系統及防排煙系統設計是否合理，將會對工程的經濟性、節能性、可靠性和運營管理等產生重大的影響[1]。

1 工程概況

項目位于深圳市，是集地下車庫、辦公、五星級酒店以及商業于一體的超高層綜合樓，建設用地為4368.99m2，地上建筑面積65530m2，地下建筑面積13301m2，共47層（1～5層為辦公大堂、酒店大堂、社區警務室、社區（黨群）服務中心、商業文化設施、商業及宴會廳；6層為物業管理用房及架空綠化休閑；7～11層、13～24層、26～32層為辦公，31～32層局部設置兩層通高的多功能廳；38～47層為酒店客房層；33層為設備層及多功能廳上空；12層、25層、37層為消防避難、設備層），總建筑高度為199.2m。地下室主要為車庫和設備房功能，共4層。由于地處夏熱冬暖地區，因而商業裙房及辦公區僅考慮夏季供冷，五星級酒店采用四管制水系統滿足同時供冷供暖需求。

2 空調冷熱源系統選擇

2.1 室內設計參數[2-3]（表1）

表1 空調房間室內設計參數

2.2 冷熱負荷計算結果（表2）

表2 冷熱負荷計算結果

2.3 商業、辦公和酒店空調系統冷源

根據上述冷熱負荷計算結果，并從該建筑功能特點、節能與運行管理等方面綜合考慮，裙房商業區、塔樓辦公區、塔樓五星酒店合用一套變頻高效空調冷源系統。同時為了保證空調冷源系統的可靠運行，滿足后期運行管理的節能性要求，減少初期投資，制冷機組采用大小機組進行搭配；即配置2臺制冷量900RT變頻高效離心式制冷機，2臺制冷量300RT變頻高效螺桿式制冷機。冷凍水的供回水設計溫度分別為6℃/11℃，當系統負荷要求比較小時，可單獨運行一臺300RT的變頻高效螺桿式制冷主機，以降低運行成本，制冷機房設置于地下四層。冷卻塔與水冷機組以“多機對多塔的并聯形式”搭配，冷卻塔采用4臺400m3/h全剛方形橫流式冷卻塔（風機變頻）及2臺300m3/h全剛方形橫流式冷卻塔（風機變頻）搭配組合，冷卻水的進出水設計溫度分別為32℃/37℃，各全剛方形橫流式冷卻塔通過在進水管處設置電動蝶閥來實現系統的節能控制，冷卻塔設置裙房商業屋面。

2.4 酒店空調系統熱源

基于建筑地下室及周圍實際情況難以滿足鍋爐房的設置要求，且鍋爐設置在室外或地下室為38層至47層酒店冬季供暖，初期投資和后期運行費用均較高。故采用6臺132kW模塊式風冷熱泵機組為酒店熱源，并保證其中一臺機組故障時，仍能保障酒店88%熱負荷，熱水的供回水設計溫度分別為45℃/40℃，每臺機組的進水管均設置了電動蝶閥，以滿足節能控制要求，風冷熱泵機組設置在36層避難層。

3 空調系統設計

3.1 空調水系統設計

由于空調水系統的制冷機組、空調末端裝置、管道及其附件等都有各自的承壓值。通常空調末端裝置的運行壓力可達1.6MPa，管道及其附件的耐壓能力亦可大于1.6MPa，組合空調機組承受最大壓力不應高于1.6MPa，但冷水機組的蒸發器和冷凝器工作壓力一般不超過1.6MPa。因此，對于超高層建筑來說，空調冷熱水系統必須進行合理的高、低分區，以保證整個空調系統的安全可靠運行[4-5]。

中央空調冷源布置于負四層（標高-17.9）的設備機房內，空調水系統需滿足1～47層空調房間區域的供冷需求，鑒于最高層與負四層之間的高度已超200m，假如不考慮對空調水系統進行合理有效的分區，則空調系統中的制冷機組、循環泵、低區部分空調末端等設備的最大承壓值均高于2.0MPa，這不僅給空調系統的運行管理帶來了極大的安全隱患，而且使空調系統的初投資大幅度增加。

根據空調水系統豎向分區基本原則，并結合建筑的使用功能特點及避難設備層位置，且為了充分利用制冷機組直接供冷，故在25層（標高為103.8）利用板式換熱器對25層上下區域的靜水壓力進行有效分隔，從而劃分為高、低區獨立空調水系統，高區水系統供回水設計溫度分別為7℃/12℃，高區的靜水壓力加上二次循環水泵的揚程（33m）可控制在1.6MPa以下；低區的空調水系統靜水壓力加上一次循環水泵的揚程（34m）亦不超過1.6MPa；低區商業裙房與低區辦公區域受使用功能特點的影響，因而將低區以功能劃分了為兩個獨立的空調水系統。基于上述合理分區，不僅可以保證各獨立水系統處于安全可靠運行，而且避免了設備因承壓過大而帶來的初期投資過高等問題，因而具有較高的經濟可靠性。此外，綜合考慮空調房間舒適性、初投資等多方面因素，辦公區域采用兩管制同程空調水系統，商業裙房采用兩管制異程空調水系統，酒店塔樓部分采用四管制同程空調水系統。

3.2 空調風系統設計

結合建筑使用功能特點，辦公大堂、位于塔樓的酒店宴會廳等高大空間均考慮全空氣變風量系統，酒店客房、辦公區域、社區（黨群）服務中心、商業文化設施、商業等功能區采用風機盤管與新風系統相結合。由于商業裙房與標準層內難以設置空調機房、新風機房等設備用房，因此，需充分利用商業裙房屋面或架空綠化層以及消防避難、設備層，集中設置商業、辦公、酒店客房區域的新風機組以及酒店大堂宴會廳的組合空調機組，新風經新風機組處理后由新風豎井引入與新風干管相連接。

酒店客房采用垂直新風系統，在37層避難設備層處設置2臺新風處理機組，經處理后的新風，由37層避難設備層內的水平新風干管輸送至酒店客房的新風豎井內，然后由水平支管經調節閥調節后送入各個客房。酒店客房的衛生間排風由設于天花內的靜音型管道式離心風機連接至豎向風道，再由設置在37層的2臺變頻中央排風機排至室外。

裙房商業及7～11層、13～24層、26～32層辦公的新風系統與酒店客房新風系統原理基本相類似，但商業及辦公區若采用分散布置新風立管會占用較多的室內空間，且商業、辦公區域的層高也較高達到了4.2m，故結合工程實際，新風系統采用了垂直與水平分層相結合的形式。裙房商業新風機組設置于6層架空綠化層，辦公區域的6臺新風機組分別設置于12層、25層、33層避難設備層，經處理的新風由新風豎井引入，再通過設置在走道吊頂內的水平新風干管分送至樓層各個辦公房間或裙房商業商鋪內。辦公區域及裙房商業均設置集中排風系統，裙房商業排風匯總于6層排風干管經變頻排風機（1臺）排至室外；辦公區域的排風分別匯總至12層、25層、33層避難設備層的排風干管，并由設置在每個避難層的單臺變頻排風機排至室外。

4 節能設計

①選擇高效率的設備，根據建筑功能和使用情況合理配置各設備型號，盡量使設備在最高效率的工作點上運行。項目采用的變頻螺桿式水冷冷水機組的COP值與IPLV值分別為5.24、6.79，變頻離心式水冷冷水機組的COP值與IPLV值分別為6.13、6.06，風冷螺桿式熱泵機組IPLV值為3.7，其中制冷機組的COP值均比《公共建筑節能設計標準》GB 50189-2015要求值提高3.8%以上。

②大堂、宴會廳等高大空間均采用了全空氣變風量系統，并采用變新風比焓值控制方式，新風量可根據季節性進行調整，即保證在空調時的最小新風，過渡季節最大新風運行，以節省電消耗，減少年運行費用。全空氣系統可達到的最大總新風比應不低于70%，有條件的區域按100%全新風設計。

③空調冷源系統可根據冷負荷大小自動控制機組的啟停臺數及其對應循環水泵的啟停臺數。本工程設計有能量平衡一體閥，通過檢測能量平衡一體閥門實時開度來確定最不利末端支路及其對應實時壓差設定值。（為了能更加節能運行，設置BAS群控系統對制冷主機、冷凍水泵及其相關水路電動閥進行群控）。

④空調風系統及通風系統風量耗功率均滿足《公共建筑節能設計標準》GB 50189-2015表4.3.22中的相關規定。

⑤每臺空調器及接片區風機盤管的冷凍水支路上的回水管均配置可視化能量平衡一體閥，可實現各水平支路的動態流量平衡，避免支路過流的現象，同時可遠程收集各個支路的實際流量，以作冷源站的末端水流量使用依據，實現冷凍水系統可視化管理的目的[6]。

⑥變頻空調器控制（風機風量≥10000CMH的空調器采用變頻控制）頻率控制：檢測回風溫度（T回），當T回＜T設（設定值）時，變頻調小空調機組風量；當T回＞T設時，變頻調大空調機組風量，維持T回恒定在設定值。水閥控制：檢測送風溫度（T送），冷水閥執行器自動調節，維持T送恒定在設定值。當風機頻率不能往下調低時，檢測回風溫度，冷水閥執行器自動進行調節，維持T回恒定在設定值。

⑦風管和水管的絕熱保溫材料的材質和厚度選擇符合節能規范的要求；空調供冷水管與風管設置隔汽層與保護層[6]。

⑧冷凍水泵變頻控制，使系統節能運行。空調通風系統采用自動控制，不僅改善了空調房間的舒適度，而且避免了由于溫度過高或異常運行而造成能源的浪費。

⑨自清潔初、中效過濾裝置自動定時清潔灰塵，免人工維護以及避免阻力增大，增加能耗。

⑩宴會廳區域設置二氧化碳及污染物（甲醛+TVOC）濃度探頭，進行數據采集、分析并與新風調節閥或新風機組聯動，當濃度超標時自動調大新風調節閥或開啟新風機組。

5 通風系統及防排煙系統設計

5.1 通風系統

制冷機房事故通風換氣次數不小于12次/h計算。高壓配電房、發電機房、辦公商業配電房的系統通風量按換氣次數不小于15次/h計算或按設備發熱量計算。廚房排油煙經油煙罩初步處理后，通過豎向井道至塔樓屋頂，經高壓靜電油煙凈化器處理后，排風機在屋面，排油煙風機及油煙凈化處理設備設置于塔樓屋頂。廚房平時排風系統兼用于事故排風，事故排風換氣次數不小于12次/h。

5.2 防煙系統

為了確保火災時該建筑內人員的安全性，防煙樓梯間及其前室、合用前室均設有加壓送風系統，使其處于正壓狀態（設計參數：防煙樓梯間50Pa；防煙樓梯間前室、合用前室25Pa），加壓送風口通常采用電動式百葉風口并設置多葉調節閥，風速應控制在7m/s，加壓送風的管道多采用金屬管道且風速應控制在20m/s。加壓送風機安裝在避難層機房。每組機械防排煙機系統均與該組各層的煙感信號聯系，當接到火警訊號，與其聯鎖的加壓送風系統及排煙系統隨即開啟，同時其防火區內的空調及通風設備均停止運行。

5.3 排煙系統

地下停車庫采用機械通風系統，排風換氣次數不少于6次，補風按排風量80%，車庫內設一氧化碳濃度探測系統，并與車庫通風系統聯動；停車庫的通風系統兼作消防時排煙系統。其他不滿足《建筑設計防火規范》GB 50016-2014（2018版）第8.5條文規定的房間及走道均設置了機械排煙系統。一層大堂單獨采用機械排煙系統，排煙機設置于六層架空綠化層排煙機房，3～11層、13～24層、26～32層、34～36層、38～47層分別設置機械排煙系統，所采用的消防軸流風機設置于屋面層或避難層的獨立排煙機房內。各防煙分區的排煙量按照《建筑防煙排煙系統技術標準》GB 51251-2017的相關要求計算。

6 結論

針對超高層綜合樓高大、體積大、業態繁多、空間結構復雜的特點，在通風空調系統設計過程中，應通過對空調冷熱源系統進行經濟技術性比選，對空調水系統需科學合理的豎向分區，優化自控節能設計，從而減少初期建設成本和運行管理年費用。同時通過工程實例，對超高層綜合樓通風空調系統進行了分析介紹總結，這為后續同類型超高層綜合樓通風空調系統設計提供了有一定價值的參考。