超高層空調(diào)水系統(tǒng)設(shè)計(jì)探討

1、超高層建筑空調(diào)水系統(tǒng)設(shè)計(jì)探討深圳華森建筑與工程設(shè)計(jì)顧問有限公司 曹莉 王紅朝中國建筑設(shè)計(jì)研究院 潘云鋼摘要 對某超高層建筑空調(diào)水系統(tǒng)分區(qū)方案進(jìn)行對比分析，探討超高層建筑采用高承壓空調(diào)水系統(tǒng)方案的可行性。關(guān)鍵詞 超高層 空調(diào) 水系統(tǒng) 承壓一、前言超高層建筑體型巨大，功能復(fù)雜，容納人員眾多，投資十分龐大。超高層建筑絕不是普通建筑的拉伸或簡單疊加，在一般建筑物中的一般問題，到了超高層建筑中都可能成為特殊問題，需要特別處理。超高層建筑本身具備很多自然特性，對建筑設(shè)計(jì)造成較大影響：負(fù)荷計(jì)算方面：隨著建筑高度升高，大氣透明度、太陽輻射強(qiáng)度亦增大，室外風(fēng)速隨著建筑高度遞增，圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面放熱系數(shù)加大；隨著建

2、筑高度增加，空調(diào)水路系統(tǒng)設(shè)備及管件承壓要求提高，須經(jīng)過梯級板換方式把冷熱水送至最高層；性能化設(shè)計(jì)方面：隨著建筑高度升高、層數(shù)增加導(dǎo)致疏散困難，對防排煙措施要求高，且建筑本身由于熱壓造成的煙囪作用較大，對空調(diào)通風(fēng)、換氣、排煙效果有影響。 在超高層建筑中，空調(diào)水系統(tǒng)分區(qū)及設(shè)備承壓問題是超高層空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中須著重考慮的問題。目前我國超高層建筑絕大部分水路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用：在建筑中間層設(shè)置水水板式換熱器，把冷、熱水從低區(qū)提升至設(shè)備層，經(jīng)板式換熱器閉式熱交換后再由次級泵輸送至高區(qū)。采用這種做法可以使低區(qū)與高區(qū)承受由各自分區(qū)高度產(chǎn)生的壓力，從而避免低區(qū)的設(shè)備及管路承壓過大。目前鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)的進(jìn)步使得超高層建筑

3、的高度有了進(jìn)一步的提升，300400米的超超高層建筑屢見不鮮。在這類建筑中如果水系統(tǒng)不能合理分區(qū)則勢必導(dǎo)致末端設(shè)備承壓要求過高，導(dǎo)致?lián)Q熱器面板和管壁加厚過多，傳熱效率下降，同時設(shè)備承壓能力提高了，造價亦隨之提高；分區(qū)過多，從冷源供出的冷水經(jīng)多級板式換熱器后效率將降低，研究表明每經(jīng)過一級板式換熱器，其冷源的供冷（熱）效率至少下降20%左右，同時末端裝置的換熱面積則需要加大20%。表1：典型超高層建筑空調(diào)水系統(tǒng)分區(qū)及承壓設(shè)計(jì)項(xiàng)目名稱高度分區(qū)中間板換位置最高設(shè)備承壓一次水溫度（換熱溫差）次級水溫度（換熱溫差）（m）（個）MPa上海靜安希爾頓飯店14312.17/12上海金茂大廈420221層2.1/

4、2.85.5/13.57/15上海環(huán)球金融中心4603150m/300m2.14/96/15,8/17深圳發(fā)展中心大廈165228層1.67/1210/14深圳彭年廣場222224層1.67/129/14深圳賽格廣場292.64分段冷源1.01.57/12表2：空調(diào)制冷設(shè)備、管道及管件承壓能力空調(diào)制冷設(shè)備空調(diào)制冷設(shè)備額定工作壓力Pw（MPa）冷水機(jī)組普通型1.0加強(qiáng)型1.7特加強(qiáng)型2.0特定加強(qiáng)型2.1空調(diào)處理器、風(fēng)機(jī)盤管機(jī)組1.6板式換熱器1.63.0水泵殼體1.02.5管道及管件管材和管件的公稱壓力PN（MPa）低壓管道2.5中壓管道4.06.4高壓管道10100低壓閥門1.6中壓閥門2.

5、56.4高壓閥門10100無縫鋼管1.6表1匯總了上海、深圳地區(qū)典型超高層建筑的空調(diào)水系統(tǒng)分區(qū)及承壓設(shè)計(jì)。可以看出，當(dāng)前工程設(shè)計(jì)中，超高層建筑空調(diào)水系統(tǒng)的設(shè)備承壓能力不再局限于1.0MPa以下，1.6、2.1MPa以上的高承壓設(shè)計(jì)已經(jīng)越來越多。另外隨著設(shè)備廠家技術(shù)的提高，空調(diào)設(shè)備的承壓能力也越來越高。表2給出了現(xiàn)有空調(diào)制冷設(shè)備、管道及管件承壓能力?？照{(diào)機(jī)組及板換的額定工作壓力已可達(dá)到1.6MPa，低壓管道的承壓可達(dá)2.5MPa，低壓閥門的承壓可達(dá)1.6MPa，采用加強(qiáng)型冷水機(jī)組時已可承壓1.7MPa。對超高層建筑水系統(tǒng)進(jìn)行分區(qū)，首先要確定一個分區(qū)高度，這個分區(qū)高度是由設(shè)備和管道的承壓能力決定的

6、。根據(jù)表2可以知道，冷機(jī)的承壓范圍是1.02.1MPa、板換的承壓范圍為1.63.0MPa、水泵殼體的承壓范圍是1.02.5MPa、空調(diào)機(jī)組承壓為1.01.6MPa、管道及閥門的承壓范圍是1.62.5MPa。對于超高層建筑來說，板換級數(shù)增加則導(dǎo)致冷源效率降低，板換級數(shù)少則設(shè)備承壓要求提高，因此其空調(diào)水系統(tǒng)的分區(qū)設(shè)計(jì)需結(jié)合建筑實(shí)際情況經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后確定。二、超高層辦公空調(diào)水系統(tǒng)分區(qū)方案比較圖1為某超高層辦公樓效果圖，共98層，最高點(diǎn)高度439m，集辦公和酒店于一體。其中，73層以下為辦公區(qū)，73層以上為酒店。根據(jù)建筑專業(yè)疏散要求，分別于18、19、37、38、55、56、73、74、91、92

7、層設(shè)置避難（機(jī)電）層。由于使用功能不同，辦公和酒店分別設(shè)有獨(dú)立的集中空調(diào)冷（熱）源系統(tǒng)：辦公區(qū)采用蓄冰空調(diào)系統(tǒng)，主機(jī)房位于地下四層（-18.500m）；酒店采用風(fēng)冷熱泵（帶熱回收）系統(tǒng)，機(jī)組設(shè)于73層。則辦公部分末端設(shè)備的最高點(diǎn)位于72層（316m），因此定壓膨脹水箱箱底高度不應(yīng)低于317.5m，則辦公空調(diào)水系統(tǒng)最大可能的靜水壓力為336.0m H2O，約3.36MPa。即使水泵的安裝方式為打出式，主機(jī)或板換的承壓也將達(dá)到3.5MPa，目前還沒有設(shè)備有這么高的承壓能力。因此對于本項(xiàng)目，不設(shè)中間換熱器的做法從技術(shù)上來說是不可行的。如何對本項(xiàng)目的空調(diào)水系統(tǒng)進(jìn)行分區(qū)，綜合考慮其空調(diào)的使用情況，建筑避

8、難層的設(shè)置位置及設(shè)備、管件的承壓能力，最終確定了3種分區(qū)方案。圖3：方案2水系統(tǒng)原理示意圖圖2：方案1水系統(tǒng)原理示意圖方案1：如圖2所示，在辦公部分的中間設(shè)備層（37F）處設(shè)置一組水水板式換熱器，整個系統(tǒng)僅分為高低2個區(qū)，37層（含）以下為低區(qū)、39層（含）以上為高區(qū)。低區(qū)水由分水器直接供水，末端設(shè)備的供回水溫度為5/13；高區(qū)水經(jīng)37層處的板換換熱后間接供水，末端設(shè)備的供回水溫度為6/14，供冷效率有所下降。一次水系統(tǒng)的膨脹水箱設(shè)于38層，總定壓點(diǎn)位于集水器出水總管處，一次水泵采用打入式，則主機(jī)房內(nèi)冷水機(jī)組、一次水泵及分水器等部件的最高承壓約為2.1MPa（即為直接供水的用戶最高點(diǎn)至主機(jī)房的

9、靜水高度與一次水泵揚(yáng)程之和）。高區(qū)和低區(qū)的末端設(shè)備承壓隨著所在樓層高度的增加而遞減，承壓要求介于1.02.1MPa之間。方案2：如圖3所示，基于辦公部分建筑本身避難層的設(shè)置將辦公部分自然分為4個區(qū)間，水系統(tǒng)亦按此分為四個區(qū)，并設(shè)有四組板換：一組位于主機(jī)房內(nèi)，服務(wù)于18層以下區(qū)域；另外三組均設(shè)于18層避難層處，分別服務(wù)于上部的3個區(qū)域；板換之間為并聯(lián)關(guān)系，為同級板換。四個分區(qū)末端設(shè)備的供回水溫度均為6/14。一次水系統(tǒng)的膨脹水箱設(shè)于38層，總定壓點(diǎn)位于集水器出水總管處，一次水泵采用打入式，則主機(jī)房內(nèi)冷水機(jī)組、一次水泵及分水器等部件的最高承壓約為2.1MPa（即為直接供水的用戶最高點(diǎn)至主機(jī)房的靜水

10、高度與一次水泵揚(yáng)程之和）。本方案雖分區(qū)較多，但都為同級分區(qū)，末端設(shè)備的供回水均為二次水，且末端設(shè)備的承壓均可控制在1.0MPa以內(nèi)，但主機(jī)、水泵、板換及部分管件的承壓要求較高。方案3：如圖4所示，其設(shè)計(jì)思路與方案2較為接近，即確保末端設(shè)備的承壓要求均為1.0MPa。但方案2對冷源側(cè)的承壓較高，因此在方案3中將板換集中降低至18層。由于一次水的用戶高度降低，則對冷源側(cè)的設(shè)備及管路的承壓要求也相應(yīng)降低至1.3MPa?？照{(diào)水系統(tǒng)仍然結(jié)合建筑避難層的設(shè)置自然劃分為4個區(qū)，但由于5572層之間的供水如由18層的2級板換直接供應(yīng)將導(dǎo)致對應(yīng)的板換及水泵承壓達(dá)2.6MPa以上，超出水泵的最高承壓能力，因此該區(qū)

11、域的供水由設(shè)置在55層避難層的第3級板換供應(yīng)。則末端設(shè)備的供回水溫度為6/14、7/15。本方案中冷源側(cè)各設(shè)備管件的承壓要求降低至1.3MPa，而同時末端設(shè)備的承壓也降低至1.0MPa，但最高分區(qū)處需設(shè)置第3級板換。綜上，將各方案的分區(qū)及設(shè)備承壓等匯總?cè)绫?所示。綜合比較可以看出，方案1的系統(tǒng)分區(qū)少，泵組及板式換熱器組設(shè)置數(shù)量少，運(yùn)行管理較為簡單，運(yùn)行能耗較低，并且由于采用次級水的樓層少，對冷源的總供冷效率降低最少，僅占10%。但方案1對冷源、水泵、板換及末端的承壓要求比較高，但也在現(xiàn)有設(shè)備承壓能力的范圍內(nèi)，且目前已有典型工程使用。方案2、3雖對末端設(shè)備的承壓要求較低，但對板換、管路的承壓仍不

12、可避免的要采用高承壓部件，且方案2、3供冷效率的降低較多，板換組及泵組多，運(yùn)行控制和維護(hù)均較為復(fù)雜。因此認(rèn)為方案1為最佳方案。同時，由于本項(xiàng)目是目前深圳地區(qū)建筑高度較高的地標(biāo)性建筑，在此項(xiàng)目中采用先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念和技術(shù)也具有典型的意義。為保證項(xiàng)目的安全性，在末端設(shè)備的選擇上，均選用組合式空氣處理機(jī)組，設(shè)置于專用的空調(diào)機(jī)房內(nèi)，避免高壓管道進(jìn)入人員活動區(qū)域。表3：3種方案水系統(tǒng)分區(qū)及承壓比較分區(qū)方案分區(qū)中間板換位置冷源側(cè)設(shè)備承壓中間板換承壓末端設(shè)備承壓一次水溫度次級水溫度冷源效率降低（個）MPaMPaMPa方案1237F2.12.01.02.15/136/1410方案24B4F,37F2.11.11

13、.81.06/1420方案34B4F,18F1.31.11.81.06/147/1525三、結(jié)論在超高層建筑的空調(diào)系統(tǒng)里，考慮到管路系統(tǒng)的焊接、密封、成本及可靠性等問題，其空調(diào)水系統(tǒng)的劃分應(yīng)控制在2.5MPa以內(nèi)。超高層空調(diào)水系統(tǒng)分區(qū)減少，則泵組及板換設(shè)置數(shù)量少，運(yùn)行管理簡單，運(yùn)行能耗低，供冷效率高。本文通過對某超高層項(xiàng)目3個方案的對比，認(rèn)為在嚴(yán)格的選材和規(guī)范施工的基礎(chǔ)上，高承壓的水系統(tǒng)方案是更為經(jīng)濟(jì)合理的。四、參考文獻(xiàn)1 劉天川超高層建筑空調(diào)設(shè)計(jì)M北京：中國建筑工業(yè)出版社，20042 沈恭，等上海八十年代高層建筑設(shè)備設(shè)計(jì)與安裝M上海：上?？茖W(xué)普及出版社，19943 陸耀慶，等實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊（第二版）（上冊）M北京：中國建筑工業(yè)出版社，20084 陸耀慶，等實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊（第二版）（下冊）M北京：中國建筑工業(yè)出版社，20085 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局、中華人民共和國建設(shè)部通風(fēng)與空調(diào)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范S北