某超高层建筑暖通空调系统设计

 田博

 中铁置业集团有限公司

摘要：本文简要介绍了某超高层建筑的空调、通风及防排烟系统的设计，包括空调负荷计算、空调水系统分区、防排烟系统设计、空调控制系统以及绿色节能技术等。探讨了超高层建筑空调通风系统设计应注意的问题。

关键词：超高层建筑暖通空调设计

1  工程概况

 该超高层建筑为中铁·西安中心，总建筑面积约为13.2万m2，建筑高度为230 m，地下3层，地上51层。地下室1-3层为地下车库及设备用房，地上首层为大堂，2-4层为商业和餐饮，5-51层为办公区，其中7层、22层、37层设置避难层，为设备层区和避难区。

2  主要功能区室内设计参数

表1为主要功能区室内设计参数。

3  空调负荷的计算

 超高层建筑的建筑高度高，受太阳辐射强度、室外风速、热压等因素的影响比普通建筑要大很多，所以在计算空调负荷时需考虑这些因素对计算结果的影响。为保证本项目空调冷、热负荷计算结果的准确，对部分参数进行了修正。

 1)对太阳辐射强度影响的修正。随着建筑高度的增加，大气透明度、太阳辐射强度也增大。本项目外围护结构为玻璃幕墙，受太阳辐射影响尤为显著，所以在负荷计算过程中采取了以下措施：①西侧房间的夏季空调负荷增加10%，冬季空调负荷减少5%;②北侧房间的冬季空调负荷增加10%;③不考虑外遮阳的影响，将它作为计算结果的富裕系数考虑。

 2)对室外风速影响的修正。风速是影响建筑外表面放热系数大小的首要因素。由于室外风速随高度的增加而不断递增，直接导致建筑周围旋涡气流逐渐加大，引起建筑外围护结构的外表面放热系数也相应增大。根据相关资料的研究结果，本项目在夏季冷负荷计算时，忽略风速的影响；冬季热负荷计算时，以15层作为一个竖向分区，围护结构外表面放热系数依次增加5%，即16层-30层增加5%，31层-45层增加10%，45层以上增加15%。

 3)对热压的影响的修正。在冬季，由于“热压”作用，使得室外冷空气不断渗入到室内，严重影响底层区域的温度。为减少外界冷空气的渗入，提高首层室内舒适度，本项目采取了以下设计：①首层出入口采用旋转门设计；②通向楼梯间的门采用弹簧门；③首层大堂增设地板辐射供暖系统。

 4)对冬季室外计算温度的修正。根据相关资料显示，每升高100m温度就下降10℃左右。本项目在冬季采暖负荷计算时，室外计算温度随高度增加进行了调整，由于本项目建筑高度仅230 m，冬季室外计算温度随建筑高度增加降低了1～1.5℃，对计算结果影响不大，但是对于更高的超高层建筑，冬季室外计算温度的降低就十分明显了，不可忽略。

4  空调水系统分区的设计

 空调水系统通常按工作压力分区，建筑越高，空调系统内的设备、管材等承受的水静压就越大，根据有关资料显示，当设备、管材等的工作压力等级超过2.0 M Pa时，其造价成本将成倍上升。

 本项目将空调水系统竖向分为高、中、低三个分区（图1），即低区（地下2层-22层）、中区（23层-37层）、高区（38层一屋顶层），在22层避难层设置中、高区换热站。其中，低区空调系统设备承压1.6 M Pa，中区及高区空调系统设备承压1.6 M Pa，高区空调系统换热设备承压1.8 M Pa，全部设备和管路的工作承受压力均控制在2.0 M Pa以内。在本次设计中，换热站占用的避难层面积是不可出售的，无商业价值，这样的分区设计是经济的。如果避难层可以出售，在目前高楼价的时代，就需要通过进一步论证增加设备层而损失的经济收入和增加空调系统承压能力而增加的设备投入，最终根据经济比较的结果确定分区设计方案。

 为避免高区空调系统的二次供水温度偏高，本项目将高区空调系统的换热设备也设置在22层，由制冷机组直接提供空调冷冻水一次水，具体设计方法为：①冷冻水供回水系统采用65℃温差，低区由制冷机房提供的供回水温度为5.55℃/11.5℃的冷冻水一次水直供；②中区、高区由冷冻水一次水通过设置于22层换热站的换热机组换热后，提供供回水温度为75/135℃的冷冻水二次水。这样的设计避免了用中区换热器提供的二次水作为高区换热器的一次水，既保证了高区空调冷冻水的低温，同时5.5℃的供水温度对冷水机组制冷效率的影响也较小。

5  防排烟系统的设计

 由于超高层建筑人员集中，疏散距离长，一旦发生火灾，楼内人员的疏散和消防人员的扑救都非常困难，因此，超高层建筑中的防排烟系统应该被重点设计。本项目按照防止烟气侵害的重要程度将建筑分为四个安全区，即办公区、走道、前室和合用前室、避难层和防烟楼梯间，重要程度依次递增，防排烟系统按照这种划分思路进行设计。

 1)排烟系统。本项目的办公区及内走道全部设置机械排烟系统，走道的排烟系统竖向设置，办公区的排烟系统按防烟分区设置。考虑到室外风向、风速对超高层建筑烟气的影响，室外排烟风口全部朝向西安主导风向（东北风）的下风向或平行，即西侧或南侧。

 2)防烟系统。本项目前室和合用前室、防烟楼梯间、避难层全部设置独立的机械加压送风系统。前室和合用前室的余压值按25 Pa设计，避难层的余压值按30 Pa设计，防烟楼梯间的余压值按40 Pa设计。为防止防烟楼梯间的自垂式百叶风口送风量不均、楼梯间正压值不满足设计要求的问题，本次设计在自垂式百叶风口加装了风量调节阀，在加压风机的出口设置了止回阀和风量调节阀，用于系统风量和风压的调节。

6  空调通风控制系统的设计

 由于超高层建筑具有空调设备种类繁多、空调系统能耗大、空调通风系统智能化水平高等特点，所以对空调系统的控制系统也提出了很高的要求。本项目空调控制系统本着经济、安全、节能的原则进行设计。

6.1冷水机组和空调水系统的自动控制

 ①本项目的冷冻机房设置双重控制即以机房就地控制为主，以中控室监控为辅的方式。冷水机组、冷水泵、冷却水泵和冷却塔实现连锁运行，启动顺序：冷却水泵运转→冷水机组冷凝器进水管电动阀打开→冷却塔进水管上的电动阀打开→冷却塔风机运转→冷冻水→次泵运转→冷水机组蒸发器进水管上的电动阀打开→冷冻水二次泵运转→冷水机组启动。停机顺序相反。

 ②空调自动控制系统根据供回水总管的温度、流量信号，计算系统的实际空调负荷，并控制冷水机组及其配用的空调水泵的运行台数和运行组合，并累计每台冷水机组、空调水泵的运行时间，实现冷水机组和空调水泵的轮时启动。

 ③在冷水机组的蒸发器出水管上设置水流开关，水流开关与主机连锁。当管内水停止流动，或水流量减少到整定值时，主机自动停止或无法启动。

 ④空调水系统采用二次泵变流量系统。空调一次水系统定流量运行，在供回水总管间安装平衡管，二次水泵根据其服务水环路上最不利用水点的供回水管之间的压差进行变频调节，实现空调水系统的节能运行。

6.2空调处理装置和空调风系统的自动控制

 ①空气、新风处理机采取以中央控制为主、就地控制为辅的方式。机组的电动风阀、电动水阀、加湿器等均与送风机进行连锁，表冷器出水管安装动态平衡阀，通过改变水流量控制送风温度。

 ②公共场所的风机盘管采取中央控制方式，由中控室实行远程群控。其它场所风机盘管采取就地控制方式。其控制系统主要由温控器、三速开关及电动二通阀组成，运行时，温控器把温度传感器所检测的室内温度与温控器设定温度相比较，并根据比较结果输出相应的电压信号，控制电动二通阀的动作，通过改变水流量，控制室内温度，三速开关调节出风风速。

 ③通过设置温湿度传感器、CO2探测器，采集、比较室内外新风温度、湿度、CO2浓度等参数，自动调整新风阀、回风阀、排风阀的开度，实现空调风系统在最佳的新回风比例状态下运行。

6.3通风与防排烟系统的自动控制

 ①通过在地下车库设置一氧化碳(CO)探测器，自动控制车库通风系统启停和风机的运行台数，并监测风机的运行状态和实现风机故障报警。

 ②当发生火灾时，由（烟）温感器向消防控制中心输出报警信号，由消防中心自动（或手动）开启相应排烟口，并联动相关的加压送风机、排烟风机和补风风机，同时切断所有空调、通风设备的电源。

7  绿色节能技术的设计

 超高层建筑的的空调系统能耗巨大，已经占到建筑全年总能耗的50%以上，减少空调系统的能耗对降低整个建筑的总能耗意义重大。本项目结合项目的实际情况，选用了初投资低、技术成熟、节能效果明显的技术与措施，实现空调系统的节能降耗。

7.1空调、通风设备的节能选型

 ①离心式冷水机组能效比不小于5.46；水冷螺杆式冷水机组国标能效比不小于5.1。

 ②风机的单位风量耗功率小于0.42；空调水系统的最大输送能效比小于0.0241。

7.2空调、通风系统的节能设计

 ①空调水系统采用二次泵变流量模式，循环水泵采用变频调速方式。二次泵按系统功能分区和距离制冷站远近的不同分为裙房商业区、空调低区、空调中区一次水和空调高区一次水，各区泵组可根据各区负荷变化调整循环水泵流量，降低水泵能耗。

 ②空调风系统利用排风对新风进行预热或预冷处理，实现能量回收。各层新风由设置于各避难层及塔楼屋面机房内的全热回收机组通过新风竖井输送至各层，排风通过竖井分段排至设置于避难层及屋面的全热回收机组。回收机组另设旁通管，在过渡季节，新、排风不通过热回收装置，降低风机的运行能耗。

③集中回收空调系统冷凝水作为冷却塔的补水。本项目空调峰值冷负荷为11740 kW，经估算可回收冷凝水5283 kg/h。（按1 kW冷负荷产生0.45 kg/h的冷凝水计算）。

8  结语

 由于超高层建筑本身独有的特点，其暖通空调系统的设计与普通建筑相比存在很大区别，许多问题需要在设计时重点关注：

 1)超高层建筑空调负荷的计算结果受室外环境影响较大，由于目前的相关规范和计算软件对气象参数沿高度的变化规律没有明确的规定，需要设计人员在理论分析和设计实践的基础上不断总结经验，对相关参数进行合理修正。

 2)空调水系统的竖向分区方案需充分考虑设备、管路的承压能力、中间换热站的占地以及空调末端运行状况等多个方面，把安全性、节能性、经济性作为水系统竖向分区的基本原则，具体项目具体分析。

 3)防排烟系统是超高层建筑消防系统的重要组成部分，是保障人员安全疏散和消防员扑救的关键设施，必须按照现行防火规范从严设计。

 4)控制系统是确保空调、通风系统安全、可靠、高效运行的关键，设计时需结合项目的实际使用情况，经过充分的经济、技术论证，制定技术可靠、经济合理的控制系统设计方案。

 5)随着科技的发展，绿色节能新技术不断涌现，但在设计时要根据项目的实际需要和特点，选择技术成熟、投资经济、节能效果明显的技术和措施，不能盲目选取。