某超高層建筑暖通空調系統(tǒng)設計
田博
中鐵置業(yè)集團有限公司
摘要：本文簡要介紹了某超高層建筑的空調、通風及防排煙系統(tǒng)的設計，包括空調負荷計算、空調水系統(tǒng)分區(qū)、防排煙系統(tǒng)設計、空調控制系統(tǒng)以及綠色節(jié)能技術等。探討了超高層建筑空調通風系統(tǒng)設計應注意的問題。
關鍵詞：超高層建筑暖通空調設計
1 工程概況
該超高層建筑為中鐵·西安中心，總建筑面積約為13.2萬m2，建筑高度為230 m，地下3層，地上51層。地下室1-3層為地下車庫及設備用房，地上首層為大堂，2-4層為商業(yè)和餐飲，5-51層為辦公區(qū)，其中7層、22層、37層設置避難層，為設備層區(qū)和避難區(qū)。
2 主要功能區(qū)室內設計參數
表1為主要功能區(qū)室內設計參數。
3 空調負荷的計算
超高層建筑的建筑高度高，受太陽輻射強度、室外風速、熱壓等因素的影響比普通建筑要大很多，所以在計算空調負荷時需考慮這些因素對計算結果的影響。為保證本項目空調冷、熱負荷計算結果的準確，對部分參數進行了修正。
1)對太陽輻射強度影響的修正。隨著建筑高度的增加，大氣透明度、太陽輻射強度也增大。本項目外圍護結構為玻璃幕墻，受太陽輻射影響尤為顯著，所以在負荷計算過程中采取了以下措施：①西側房間的夏季空調負荷增加10%，冬季空調負荷減少5%;②北側房間的冬季空調負荷增加10%;③不考慮外遮陽的影響，將它作為計算結果的富裕系數考慮。
2)對室外風速影響的修正。風速是影響建筑外表面放熱系數大小的首要因素。由于室外風速隨高度的增加而不斷遞增，直接導致建筑周圍旋渦氣流逐漸加大，引起建筑外圍護結構的外表面放熱系數也相應增大。根據相關資料的研究結果，本項目在夏季冷負荷計算時，忽略風速的影響；冬季熱負荷計算時，以15層作為一個豎向分區(qū)，圍護結構外表面放熱系數依次增加5%，即16層-30層增加5%，31層-45層增加10%，45層以上增加15%。
3)對熱壓的影響的修正。在冬季，由于“熱壓”作用，使得室外冷空氣不斷滲入到室內，嚴重影響底層區(qū)域的溫度。為減少外界冷空氣的滲入，提高首層室內舒適度，本項目采取了以下設計：①首層出入口采用旋轉門設計；②通向樓梯間的門采用彈簧門；③首層大堂增設地板輻射供暖系統(tǒng)。
4)對冬季室外計算溫度的修正。根據相關資料顯示，每升高100m溫度就下降10℃左右。本項目在冬季采暖負荷計算時，室外計算溫度隨高度增加進行了調整，由于本項目建筑高度僅230 m，冬季室外計算溫度隨建筑高度增加降低了1～1.5℃，對計算結果影響不大，但是對于更高的超高層建筑，冬季室外計算溫度的降低就十分明顯了，不可忽略。
4 空調水系統(tǒng)分區(qū)的設計
空調水系統(tǒng)通常按工作壓力分區(qū)，建筑越高，空調系統(tǒng)內的設備、管材等承受的水靜壓就越大，根據有關資料顯示，當設備、管材等的工作壓力等級超過2.0 M Pa時，其造價成本將成倍上升。
本項目將空調水系統(tǒng)豎向分為高、中、低三個分區(qū)（圖1），即低區(qū)（地下2層-22層）、中區(qū)（23層-37層）、高區(qū)（38層一屋頂層），在22層避難層設置中、高區(qū)換熱站。其中，低區(qū)空調系統(tǒng)設備承壓1.6 M Pa，中區(qū)及高區(qū)空調系統(tǒng)設備承壓1.6 M Pa，高區(qū)空調系統(tǒng)換熱設備承壓1.8 M Pa，全部設備和管路的工作承受壓力均控制在2.0 M Pa以內。在本次設計中，換熱站占用的避難層面積是不可出售的，無商業(yè)價值，這樣的分區(qū)設計是經濟的。如果避難層可以出售，在目前高樓價的時代，就需要通過進一步論證增加設備層而損失的經濟收入和增加空調系統(tǒng)承壓能力而增加的設備投入，最終根據經濟比較的結果確定分區(qū)設計方案。
為避免高區(qū)空調系統(tǒng)的二次供水溫度偏高，本項目將高區(qū)空調系統(tǒng)的換熱設備也設置在22層，由制冷機組直接提供空調冷凍水一次水，具體設計方法為：①冷凍水供回水系統(tǒng)采用65℃溫差，低區(qū)由制冷機房提供的供回水溫度為5.55℃/11.5℃的冷凍水一次水直供；②中區(qū)、高區(qū)由冷凍水一次水通過設置于22層換熱站的換熱機組換熱后，提供供回水溫度為75/135℃的冷凍水二次水。這樣的設計避免了用中區(qū)換熱器提供的二次水作為高區(qū)換熱器的一次水，既保證了高區(qū)空調冷凍水的低溫，同時5.5℃的供水溫度對冷水機組制冷效率的影響也較小。
5 防排煙系統(tǒng)的設計
由于超高層建筑人員集中，疏散距離長，一旦發(fā)生火災，樓內人員的疏散和消防人員的撲救都非常困難，因此，超高層建筑中的防排煙系統(tǒng)應該被重點設計。本項目按照防止煙氣侵害的重要程度將建筑分為四個安全區(qū)，即辦公區(qū)、走道、前室和合用前室、避難層和防煙樓梯間，重要程度依次遞增，防排煙系統(tǒng)按照這種劃分思路進行設計。
1)排煙系統(tǒng)。本項目的辦公區(qū)及內走道全部設置機械排煙系統(tǒng)，走道的排煙系統(tǒng)豎向設置，辦公區(qū)的排煙系統(tǒng)按防煙分區(qū)設置�？紤]到室外風向、風速對超高層建筑煙氣的影響，室外排煙風口全部朝向西安主導風向（東北風）的下風向或平行，即西側或南側。
2)防煙系統(tǒng)。本項目前室和合用前室、防煙樓梯間、避難層全部設置獨立的機械加壓送風系統(tǒng)。前室和合用前室的余壓值按25 Pa設計，避難層的余壓值按30 Pa設計，防煙樓梯間的余壓值按40 Pa設計。為防止防煙樓梯間的自垂式百葉風口送風量不均、樓梯間正壓值不滿足設計要求的問題，本次設計在自垂式百葉風口加裝了風量調節(jié)閥，在加壓風機的出口設置了止回閥和風量調節(jié)閥，用于系統(tǒng)風量和風壓的調節(jié)。
6 空調通風控制系統(tǒng)的設計
由于超高層建筑具有空調設備種類繁多、空調系統(tǒng)能耗大、空調通風系統(tǒng)智能化水平高等特點，所以對空調系統(tǒng)的控制系統(tǒng)也提出了很高的要求。本項目空調控制系統(tǒng)本著經濟、安全、節(jié)能的原則進行設計。
6.1冷水機組和空調水系統(tǒng)的自動控制
①本項目的冷凍機房設置雙重控制即以機房就地控制為主，以中控室監(jiān)控為輔的方式。冷水機組、冷水泵、冷卻水泵和冷卻塔實現連鎖運行，啟動順序：冷卻水泵運轉→冷水機組冷凝器進水管電動閥打開→冷卻塔進水管上的電動閥打開→冷卻塔風機運轉→冷凍水→次泵運轉→冷水機組蒸發(fā)器進水管上的電動閥打開→冷凍水二次泵運轉→冷水機組啟動。停機順序相反。
②空調自動控制系統(tǒng)根據供回水總管的溫度、流量信號，計算系統(tǒng)的實際空調負荷，并控制冷水機組及其配用的空調水泵的運行臺數和運行組合，并累計每臺冷水機組、空調水泵的運行時間，實現冷水機組和空調水泵的輪時啟動。
③在冷水機組的蒸發(fā)器出水管上設置水流開關，水流開關與主機連鎖。當管內水停止流動，或水流量減少到整定值時，主機自動停止或無法啟動。
④空調水系統(tǒng)采用二次泵變流量系統(tǒng)�？照{一次水系統(tǒng)定流量運行，在供回水總管間安裝平衡管，二次水泵根據其服務水環(huán)路上最不利用水點的供回水管之間的壓差進行變頻調節(jié)，實現空調水系統(tǒng)的節(jié)能運行。
6.2空調處理裝置和空調風系統(tǒng)的自動控制
①空氣、新風處理機采取以中央控制為主、就地控制為輔的方式。機組的電動風閥、電動水閥、加濕器等均與送風機進行連鎖，表冷器出水管安裝動態(tài)平衡閥，通過改變水流量控制送風溫度。
②公共場所的風機盤管采取中央控制方式，由中控室實行遠程群控。其它場所風機盤管采取就地控制方式。其控制系統(tǒng)主要由溫控器、三速開關及電動二通閥組成，運行時，溫控器把溫度傳感器所檢測的室內溫度與溫控器設定溫度相比較，并根據比較結果輸出相應的電壓信號，控制電動二通閥的動作，通過改變水流量，控制室內溫度，三速開關調節(jié)出風風速。
③通過設置溫濕度傳感器、CO2探測器，采集、比較室內外新風溫度、濕度、CO2濃度等參數，自動調整新風閥、回風閥、排風閥的開度，實現空調風系統(tǒng)在最佳的新回風比例狀態(tài)下運行。
6.3通風與防排煙系統(tǒng)的自動控制
①通過在地下車庫設置一氧化碳(CO)探測器，自動控制車庫通風系統(tǒng)啟停和風機的運行臺數，并監(jiān)測風機的運行狀態(tài)和實現風機故障報警。
②當發(fā)生火災時，由（煙）溫感器向消防控制中心輸出報警信號，由消防中心自動（或手動）開啟相應排煙口，并聯動相關的加壓送風機、排煙風機和補風風機，同時切斷所有空調、通風設備的電源。
7 綠色節(jié)能技術的設計
超高層建筑的的空調系統(tǒng)能耗巨大，已經占到建筑全年總能耗的50%以上，減少空調系統(tǒng)的能耗對降低整個建筑的總能耗意義重大。本項目結合項目的實際情況，選用了初投資低、技術成熟、節(jié)能效果明顯的技術與措施，實現空調系統(tǒng)的節(jié)能降耗。
7.1空調、通風設備的節(jié)能選型
①離心式冷水機組能效比不小于5.46；水冷螺桿式冷水機組國標能效比不小于5.1。
②風機的單位風量耗功率小于0.42；空調水系統(tǒng)的最大輸送能效比小于0.0241。
7.2空調、通風系統(tǒng)的節(jié)能設計
①空調水系統(tǒng)采用二次泵變流量模式，循環(huán)水泵采用變頻調速方式。二次泵按系統(tǒng)功能分區(qū)和距離制冷站遠近的不同分為裙房商業(yè)區(qū)、空調低區(qū)、空調中區(qū)一次水和空調高區(qū)一次水，各區(qū)泵組可根據各區(qū)負荷變化調整循環(huán)水泵流量，降低水泵能耗。
②空調風系統(tǒng)利用排風對新風進行預熱或預冷處理，實現能量回收。各層新風由設置于各避難層及塔樓屋面機房內的全熱回收機組通過新風豎井輸送至各層，排風通過豎井分段排至設置于避難層及屋面的全熱回收機組�；厥諜C組另設旁通管，在過渡季節(jié)，新、排風不通過熱回收裝置，降低風機的運行能耗。
③集中回收空調系統(tǒng)冷凝水作為冷卻塔的補水。本項目空調峰值冷負荷為11740 kW，經估算可回收冷凝水5283 kg/h。（按1 kW冷負荷產生0.45 kg/h的冷凝水計算）。
8 結語
由于超高層建筑本身獨有的特點，其暖通空調系統(tǒng)的設計與普通建筑相比存在很大區(qū)別，許多問題需要在設計時重點關注：
1)超高層建筑空調負荷的計算結果受室外環(huán)境影響較大，由于目前的相關規(guī)范和計算軟件對氣象參數沿高度的變化規(guī)律沒有明確的規(guī)定，需要設計人員在理論分析和設計實踐的基礎上不斷總結經驗，對相關參數進行合理修正。
2)空調水系統(tǒng)的豎向分區(qū)方案需充分考慮設備、管路的承壓能力、中間換熱站的占地以及空調末端運行狀況等多個方面，把安全性、節(jié)能性、經濟性作為水系統(tǒng)豎向分區(qū)的基本原則，具體項目具體分析。
3)防排煙系統(tǒng)是超高層建筑消防系統(tǒng)的重要組成部分，是保障人員安全疏散和消防員撲救的關鍵設施，必須按照現行防火規(guī)范從嚴設計。
4)控制系統(tǒng)是確�？照{、通風系統(tǒng)安全、可靠、高效運行的關鍵，設計時需結合項目的實際使用情況，經過充分的經濟、技術論證，制定技術可靠、經濟合理的控制系統(tǒng)設計方案。
5)隨著科技的發(fā)展，綠色節(jié)能新技術不斷涌現，但在設計時要根據項目的實際需要和特點，選擇技術成熟、投資經濟、節(jié)能效果明顯的技術和措施，不能盲目選取。
上一篇:寬幅鋼箱梁支點橫梁計算方法研究
下一篇:返回列表
