高層建筑暖通空調(diào)設(shè)計要點分析

王龑 陳彩

中國聯(lián)合工程有限公司 浙江 杭州 310056

引言

城市化是我國經(jīng)濟(jì)和社會快速發(fā)展的重要表現(xiàn)，隨之而來的是高層建筑的大量涌現(xiàn)。高層建筑不僅為人們提供了多樣化的文娛、商務(wù)和居住空間，也為暖通空調(diào)的設(shè)計和應(yīng)用帶來了新的挑戰(zhàn)和機遇。暖通空調(diào)系統(tǒng)是高層建筑的重要組成部分，它直接影響著建筑的舒適性、安全性和節(jié)能性。因此，暖通空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計必須要綜合考慮系統(tǒng)的選型、功能、性能和設(shè)計要點，以達(dá)到最佳的運行效果。在當(dāng)前的可持續(xù)發(fā)展理念下，暖通空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計更要注重節(jié)能和高效，以滿足人們對高品質(zhì)生活的需求，同時更好的保護(hù)環(huán)境和資源[1]。

1 高層建筑暖通空調(diào)設(shè)計中存在的主要問題

1.1 風(fēng)系統(tǒng)靜壓損失大，風(fēng)機選型困難

超高層建筑由于建筑高度的增加，風(fēng)系統(tǒng)管道長度變長，彎頭、零件等數(shù)量增加，這些都會導(dǎo)致系統(tǒng)靜壓損失增大。靜壓損失的增加會導(dǎo)致風(fēng)機選型困難，需要選用較高揚程、較大功率的風(fēng)機，投資和運行成本增加。因此，風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)盡可能降低管道阻力，提高風(fēng)機效率，減少能耗。風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)應(yīng)根據(jù)建筑的實際需求和環(huán)境條件進(jìn)行合理確定，避免過大或過小的設(shè)計，造成系統(tǒng)性能下降或浪費[1]。

1.2 給水系統(tǒng)水壓損失及管網(wǎng)設(shè)置難度大

與普通高層建筑相比，超高層建筑供水系統(tǒng)管網(wǎng)垂直高度大大增加，水頭損失遠(yuǎn)超過普通建筑。另外，超高層建筑平面面積也很大，如果采用末端供水，管徑將很大，管材費用昂貴。管道轉(zhuǎn)彎處和閥門元件也會產(chǎn)生較大阻力，進(jìn)一步增加水壓損失。因此，給水系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)采用分區(qū)供水的方式，將超高層建筑劃分為若干個水壓平衡的區(qū)域，每個區(qū)域設(shè)置一個水泵站，分級提壓，保證各區(qū)域的供水壓力和水量。同時，應(yīng)優(yōu)化管道的布置和規(guī)格，減少管道的長度和彎頭數(shù)量，降低管道的水壓損失。

1.3 排水系統(tǒng)設(shè)計復(fù)雜，管道阻力損失較大

超高層建筑垂直排水管道長度巨大，排水管道阻力損失必然很大。大樓內(nèi)多個區(qū)塊并聯(lián)排水也增加了管道接口和彎頭。污水流量及排水立管接口也增加了系統(tǒng)復(fù)雜度。管網(wǎng)系統(tǒng)需要采用大口徑排水管道，且需要增設(shè)水泵提升站。因此，排水系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)采用分區(qū)排水的方式，將超高層建筑劃分為若干個排水區(qū)，每個區(qū)域設(shè)置一個排水管道，并在底層匯總。排水管道應(yīng)盡可能增大管徑，以減少管道的阻力損失和噪聲。排水管道應(yīng)設(shè)置適當(dāng)?shù)钠露群屯夤埽员ＷC排水的順暢和氣壓的平衡。在底層排水匯總處，應(yīng)設(shè)置排水水泵，將污水提升至市政排水管網(wǎng)，克服管網(wǎng)的總阻力[2]。

1.4 高層輸配電系統(tǒng)電壓降與裝置容量選擇困難

超高層建筑供配電系統(tǒng)垂直距離長，線路電阻損失必然增大，電壓降加大；大功率電機啟動可能導(dǎo)致瞬時電壓過低；系統(tǒng)容量選擇困難。因此，供配電系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)合理選型電機及優(yōu)化供配電系統(tǒng)，最大限度降低電壓降。電機應(yīng)選用高效率的變頻電機，根據(jù)負(fù)載的變化調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速和功率，減少電機的啟動電流和運行電流，降低線路的電壓降。供配電系統(tǒng)應(yīng)采用分段供電的方式，將超高層建筑劃分為若干個電壓平衡的區(qū)域，每個區(qū)域設(shè)置一個變壓器站，分級降壓，保證各區(qū)域的供電電壓和電量。同時，應(yīng)優(yōu)化電纜的布置和規(guī)格，減少電纜的長度和接頭數(shù)量，降低電纜的電阻損失。電纜應(yīng)選用低電阻的銅芯電纜，并增大電纜的截面積，以減少電纜的電壓降。

1.5 新風(fēng)系統(tǒng)設(shè)置困難，系統(tǒng)效率較低

超高層建筑新風(fēng)系統(tǒng)管道阻力損失大，風(fēng)機選型和設(shè)置困難；同時風(fēng)機耗電量大，系統(tǒng)效率較低。超高層建筑新風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計不僅要滿足室內(nèi)空氣質(zhì)量的要求，還要考慮新風(fēng)的溫度、濕度、風(fēng)速等對人體舒適度的影響。因此，超高層建筑新風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計需要合理確定新風(fēng)量和新風(fēng)口的位置、數(shù)量和形式，以提高新風(fēng)的分布均勻性和利用效率。同時，應(yīng)采用節(jié)能型的新風(fēng)處理設(shè)備，如熱回收器、變頻風(fēng)機等，以降低新風(fēng)系統(tǒng)的能耗和運行成本。

2 主要解決措施

2.1 優(yōu)化風(fēng)道設(shè)計，選用高效風(fēng)機，多級利用風(fēng)系統(tǒng)靜壓

優(yōu)化風(fēng)道彎頭設(shè)置，盡可能減少管道轉(zhuǎn)彎。選用高效EC風(fēng)機，提高風(fēng)系統(tǒng)效率，降低能耗。同時，通過設(shè)置頂層回風(fēng)口，多級利用建筑本身形成的靜壓提升風(fēng)機效率這樣可以有效降低風(fēng)系統(tǒng)的靜壓損失，減小風(fēng)機的選型難度，提高風(fēng)系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性和節(jié)能性。此外，還可以根據(jù)室內(nèi)空氣質(zhì)量和溫濕度的變化，采用變頻控制風(fēng)機的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)風(fēng)系統(tǒng)的智能調(diào)節(jié)，進(jìn)一步提高風(fēng)系統(tǒng)的舒適性和經(jīng)濟(jì)性。

2.2 分區(qū)供水，設(shè)置水泵提壓，優(yōu)化管道規(guī)格選擇

將超高層建筑分為多個供水區(qū)，每區(qū)設(shè)置水泵，分步提壓，減小單一水泵揚程，節(jié)省耗電量。同時，根據(jù)各區(qū)實際供水量和壓力要求，選用恰當(dāng)?shù)墓艿酪?guī)格，以減少管道水壓損失。這樣可以有效降低供水系統(tǒng)的水頭損失，減小管道的規(guī)格和費用，提高供水系統(tǒng)的可靠性和安全性。此外，還可以根據(jù)水質(zhì)的要求，在各區(qū)設(shè)置水質(zhì)處理設(shè)備，如軟化器、過濾器、消毒器等，保證供水的衛(wèi)生和品質(zhì)，滿足不同用水的需求。

2.3 分區(qū)設(shè)置排水管道，增大管徑，適當(dāng)設(shè)置排水水泵

根據(jù)建筑分區(qū)特點，分區(qū)設(shè)置排水管道。由于排水量大，故盡可能增大排水管道口徑。相鄰排水區(qū)設(shè)置串聯(lián)接口，并在底層排水匯總處設(shè)置加壓水泵，克服管網(wǎng)總阻力，保證暢通排水。這樣可以有效降低排水系統(tǒng)的管道阻力損失，減小排水管道的規(guī)格和費用，提高排水系統(tǒng)的可靠性和安全性。此外，還可以根據(jù)排水的特性，在各區(qū)設(shè)置排水處理設(shè)備，如沉淀池、油水分離器、生化處理器等，減少排水的污染物，保護(hù)環(huán)境和水資源[3]。

2.4 合理選型電機及優(yōu)化供配電系統(tǒng)，最大限度降低電壓降

針對超高層建筑供電系統(tǒng)，選用高效率電機和變頻器，合理匹配系統(tǒng)負(fù)載，減少系統(tǒng)峰谷差，節(jié)省系統(tǒng)負(fù)載以提高運行效率。優(yōu)化高樓區(qū)段供電方式，減少級數(shù)，增大電纜截面積，使用低電阻材質(zhì)，最大限度降低電壓降損失。這樣可以有效降低供配電系統(tǒng)的電壓降和電能損耗，提高供配電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和效率。此外，還可以根據(jù)電氣設(shè)備的特性，在各區(qū)設(shè)置電氣保護(hù)裝置，如斷路器、穩(wěn)壓器、避雷器等，保證電氣設(shè)備的正常工作，防止電氣事故的發(fā)生。

2.5 增大新風(fēng)系統(tǒng)面積，設(shè)置總熱回收裝置，提高系統(tǒng)效率

超高層建筑新風(fēng)系統(tǒng)應(yīng)采用分散式側(cè)墻新風(fēng)口，增大系統(tǒng)進(jìn)風(fēng)面積，減小單一新風(fēng)口風(fēng)速，降低新風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)阻，減少風(fēng)機動力。同時在回風(fēng)主干道設(shè)置總熱回收設(shè)備，對新老風(fēng)流量進(jìn)行全熱交換，回收能量，提高系統(tǒng)熱效率。這樣可以有效降低新風(fēng)系統(tǒng)的靜壓損失，減小風(fēng)機的選型難度，提高風(fēng)系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性和節(jié)能性。此外，還可以根據(jù)室內(nèi)空氣質(zhì)量和溫濕度的變化，采用變頻控制風(fēng)機的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)風(fēng)系統(tǒng)的智能調(diào)節(jié)，進(jìn)一步提高風(fēng)系統(tǒng)的舒適性和經(jīng)濟(jì)性。

3 高層建筑暖通空調(diào)的一些具體設(shè)計要點

3.1 暖通系統(tǒng)設(shè)計要點

（1）采用低參數(shù)散熱器。對于高層住宅來說，由于建筑高度的增加，供回水系統(tǒng)的水頭壓力損失增大。為了降低水泵的耗電量以及系統(tǒng)管網(wǎng)壓力損失，采用低參數(shù)散熱器系統(tǒng)就變得尤為重要。低參數(shù)散熱器包括采用管徑更大的銅制散熱器或更低水流阻力的薄壁鋁質(zhì)散熱器。它所需要的水流量較低，供回水壓力損失也減少，間接降低水泵消耗的電能，還可減少系統(tǒng)管道的管徑規(guī)格。在高層住宅中采用低參數(shù)散熱器系統(tǒng)，是優(yōu)化節(jié)能設(shè)計的重要手段。

（2）確保循環(huán)水流量和壓力損失計算。在高層住宅暖通系統(tǒng)設(shè)計中，必須詳細(xì)計算和確定各主分支以及分分支的流量和壓力損失，以及各水泵的供水壓力和水頭。考慮從最頂層的房間，逐層計算分支和強制循環(huán)系統(tǒng)的壓力損失和流量。設(shè)計一般采用計算機輔助軟件，在不同情況對設(shè)計條件進(jìn)行模擬計算和分析，可以確保不同工況的壓力損失均滿足運行要求。這對系統(tǒng)的穩(wěn)定運行至關(guān)重要。

（3）加強水系統(tǒng)防腐處理。高層建筑開水和采暖系統(tǒng)長期存在腐蝕風(fēng)險。設(shè)計需要采用先進(jìn)技術(shù)加強水系統(tǒng)的防銹和防腐蝕措施。常用的技術(shù)有在水系統(tǒng)加入陰極保護(hù)、抑垢劑等，同時考慮采用耐蝕管路材料如CE級硬銅管路或聚乙烯等塑料管路。加強水質(zhì)處理也是保證系統(tǒng)長期可靠運行的前提[4]。

3.2 空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計要點

（1）機房布置要合理，便于運行維護(hù)。高層建筑空調(diào)機房的布置位置、通風(fēng)等設(shè)計直接關(guān)系到空調(diào)機組系統(tǒng)的正常和穩(wěn)定運行[5]。特別是對于采用可燃制冷劑如R32的機組，機房設(shè)計更為嚴(yán)格。機房應(yīng)采用獨立防火區(qū)，確保制冷劑泄漏時不會影響周圍空間，并要考慮可燃?xì)怏w的擴散影響。機房內(nèi)的維修空間、吊裝設(shè)備也要充分預(yù)留，確保在后期運行維護(hù)遇到問題時，技術(shù)人員和維修設(shè)備可以輕松進(jìn)出。這對長期運行至關(guān)重要。

（2）空調(diào)機組要選型精確。高層建筑對空調(diào)制冷量和送風(fēng)量的要求往往超過普通建筑。如在密度較高的塔樓，對空調(diào)舒適度要求也高于普通居民樓。這就需要設(shè)計人員在選型空調(diào)機組時，要充分考慮建筑負(fù)荷密度，根據(jù)不同樓層和房間功能的制冷量需求，采用合理的冗余和可變設(shè)置，確保空調(diào)制冷能力和送風(fēng)量完全滿足建筑物整個生命周期的需求。這可以避免空調(diào)系統(tǒng)在高溫天氣不能滿足供冷要求的問題。

（3）新風(fēng)系統(tǒng)空調(diào)要選用節(jié)能技術(shù)。高層建筑新風(fēng)量較大，如果單純采用常規(guī)制冷處理新風(fēng)則會造成很大的能源損失。因此，供新風(fēng)的空調(diào)系統(tǒng)要優(yōu)先考慮采用節(jié)能技術(shù)。常用技術(shù)包括全熱回收新風(fēng)機組、新風(fēng)與返回空氣能量輪流體換熱、制冷與預(yù)熱熱泵復(fù)合技術(shù)等。這些技術(shù)都可以在一定程度上降低建筑空調(diào)新風(fēng)處理的能耗。合理采用這些技術(shù)是高層建筑空調(diào)節(jié)能的重要途徑[6]。

4 結(jié)束語

綜上所述，高層建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計有其自身的復(fù)雜性和挑戰(zhàn)。在總體設(shè)計理念上，要充分考慮建筑功能和使用特點，采用合理的系統(tǒng)集成和分區(qū)控制，并盡可能選用各種高效節(jié)能技術(shù)。在暖通設(shè)計上，要重點關(guān)注水系統(tǒng)壓力平衡、流量控制和防腐處理等問題。空調(diào)系統(tǒng)則要考慮機房布置、機組選型精度以及新風(fēng)處理等多方面問題。這需要暖通空調(diào)設(shè)計人員，在進(jìn)行每個細(xì)節(jié)的計算和方案選擇時，都要充分思考高層建筑的特殊性，努力優(yōu)化設(shè)計，以實現(xiàn)建筑能效、經(jīng)濟(jì)性和舒適性的最佳平衡。