超高層建筑空調(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(wèn)有限公司 曹莉 王紅朝中國(guó)建筑設(shè)計(jì)研究院 潘云鋼摘要 對(duì)某超高層建筑空調(diào)水系統(tǒng)分區(qū)方案進(jìn)行對(duì)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(jiǎn)單疊加，在一般建筑物中的一般問(wèn)題，到了超高層建筑中都可能成為特殊問(wèn)題，需要特別處理。超高層建筑本身具備很多自然特性，對(duì)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(yáng)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(guò)梯級(jí)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(duì)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(duì)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?jiǎn)栴}是超高層空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中須著重考慮的問(wèn)題。目前我國(guó)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(jí)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(guò)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(jiàn)不鮮。在這類建筑中如果水系統(tǒng)不能合理分區(qū)則勢(shì)必導(dǎo)致末端設(shè)備承壓要求過(guò)高，導(dǎo)致?lián)Q熱器面板和管壁加厚過(guò)多，傳熱效率下降，同時(shí)設(shè)備承壓能力提高了，造價(jià)亦隨之提高；分區(qū)過(guò)多，從冷源供出的冷水經(jīng)多級(jí)板式換熱器后效率將降低，研究表明每經(jīng)過(guò)一級(jí)板式換熱器，其冷源的供冷（熱）效率至少下降20%左右，同時(shí)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(jí)水溫度（換熱溫差）（m） （個(gè)） MPa 上海靜安希爾頓飯店 143 1 2.1 7/12 上海金

4、茂大廈 420 2 21層 2.1/2.8 5.5/13.5 7/15上海環(huán)球金融中心 460 3 150m/300m 2.1 4/9 6/15,8/17深圳發(fā)展中心大廈 165 2 28層 1.6 7/12 10/14深圳彭年廣場(chǎng) 222 2 24層 1.6 7/12 9/14深圳賽格廣場(chǎng) 292.6 4 分段冷源 1.01.5 7/12 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

5、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 2.56.4高壓閥門 10100無(wú)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)?？梢钥闯?，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(lái)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(lái)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。空調(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

6、機(jī)組時(shí)已可承壓1.7MPa。對(duì)超高層建筑水系統(tǒng)進(jìn)行分區(qū)，首先要確定一個(gè)分區(qū)高度，這個(gè)分區(qū)高度是由設(shè)備和管道的承壓能力決定的。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(duì)于超高層建筑來(lái)說(shuō)，板換級(jí)數(shù)增加則導(dǎo)致冷源效率降低，板換級(jí)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，7

7、3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(méi)有設(shè)備有這么高的承壓能力。因此

8、對(duì)于本項(xiàng)目，不設(shè)中間換熱器的做法從技術(shù)上來(lái)說(shuō)是不可行的。如何對(duì)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。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(gè)系統(tǒng)僅分為高低2個(gè)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?jī)?nèi)冷水機(jī)組、一次水泵及分水器等

9、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(gè)區(qū)間，水系統(tǒng)亦按此分為四個(gè)區(qū)，并設(shè)有四組板換：一組位于主機(jī)房?jī)?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(gè)區(qū)域；板換之間為并聯(lián)關(guān)系，為同級(jí)板換。四個(gè)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?jī)?nèi)冷水機(jī)組、一次水泵及分水器等部件

10、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(jí)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(duì)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(duì)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。空調(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(gè)區(qū)，但由于5572層之間的供水如由18層的2級(jí)板換直接供應(yīng)將導(dǎo)致對(duì)應(yīng)的

11、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)域的供水由設(shè)置在55層避難層的第3級(jí)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(shí)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(jí)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(jiǎn)單，運(yùn)行能耗較低，并且由于采用次級(jí)水的樓層少，對(duì)冷源的總供冷效率降低最少，僅占10%。但方案1對(duì)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

12、用。方案2、3雖對(duì)末端設(shè)備的承壓要求較低，但對(duì)板換、管路的承壓仍不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(shí)，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?jī)?nèi)，避免高壓管道進(jìn)入人員活動(dòng)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(jí)水溫度 冷源效率降低（個(gè)） MPa MPa MPa 方案

13、1 2 37F 2.1 2.0 1.02.1 5/13 6/14 10方案2 4 B4F,37F 2.1 1.11.8 1.0 6/14 20方案3 4 B4F,18F 1.3 1.11.8 側(cè)風(fēng)面背風(fēng)面迎風(fēng)面大體是水平對(duì)稱分布，高層熱流強(qiáng)度大，底層小。迎風(fēng)面中部熱流強(qiáng)度約為80W/m2,兩側(cè)較大，約為130W/m2左右。96層以下熱流強(qiáng)度高度方向差異不大，96114層熱流強(qiáng)度較大約為140180W/m2。側(cè)風(fēng)面隨高度方向熱流強(qiáng)度變化不劇烈，臨迎風(fēng)面?zhèn)扰c臨背風(fēng)面?zhèn)认嗖畲?。背風(fēng)面熱流強(qiáng)度大體比較均勻，約在4080 W/m2。夏季風(fēng)況2建筑外表面熱流強(qiáng)度分布：圖5.3 夏季風(fēng)況2建筑外表面熱流強(qiáng)度

14、分布（數(shù)據(jù)中的負(fù)號(hào)表示表面吸熱）從圖5.3可以看出在夏季氣流側(cè)向45度流入情況下表面熱流強(qiáng)度隨高度變化較大。迎風(fēng)面大體是水平對(duì)稱分布，高層熱流強(qiáng)度大，底層小。迎風(fēng)面中部熱流強(qiáng)度約為80W/m2,兩側(cè)較大，約為13080W/m2左右。96層以下熱流強(qiáng)度高度方向差異不大，96114層熱流強(qiáng)度較大約為140180W/m2。側(cè)風(fēng)面隨高度方向熱流強(qiáng)度變化不劇烈，臨迎風(fēng)面?zhèn)扰c臨背風(fēng)面?zhèn)认嗖畲蟆ＳL(fēng)面熱流強(qiáng)度隨高度變化較大，底部27層以下熱流強(qiáng)度值約為48220W/m2，2796層約100280 W/m2，96114層約為250300 W/m2。側(cè)風(fēng)面熱流強(qiáng)度隨高度變化較大，底部27層以下熱流強(qiáng)度值約為48

15、120W/m2，2796層約100190 W/m2，96114層約為150210 W/m2。 綜上所述，夏季建筑外表面熱流強(qiáng)度分布跟風(fēng)向相關(guān)性很大，如果氣流正面流入，熱流強(qiáng)度分布跟立面風(fēng)向有關(guān)，迎風(fēng)面熱流強(qiáng)度大于側(cè)風(fēng)面，并遠(yuǎn)大于背風(fēng)面，此時(shí)各個(gè)立面熱流強(qiáng)度分布隨高度變化較??；如果氣流側(cè)向流入，則熱流強(qiáng)度大體隨高度變化，不同高度換算的表面換熱系數(shù)如表5.2，正常狀況下氣流正面流入發(fā)生概率較少，大部分情況下氣流應(yīng)以一定傾斜角流入。表5.2 夏季氣流側(cè)向流入情況下不同高度表面換熱系數(shù)統(tǒng)計(jì) 單位： 低空 中空 高空迎風(fēng)面 9.644 2056 5060側(cè)風(fēng)面 9.624 2038 30425.3 冬季

16、狀況模擬冬季風(fēng)況1建筑外表面熱流強(qiáng)度分布：圖5.4 冬季風(fēng)況1建筑外表面熱流強(qiáng)度分布從圖5.4可以看出冬季氣流正向流入情況下表面熱流強(qiáng)度跟夏季狀況相似：迎風(fēng)面?zhèn)蕊L(fēng)面背風(fēng)面。迎風(fēng)面水平對(duì)稱分布，高層熱流強(qiáng)度大，底層略小。迎風(fēng)面中部熱流強(qiáng)度約為1201500W/m2，兩側(cè)約為2002500W/m2。96層以上熱流強(qiáng)度略大，且分布相對(duì)均勻，熱流強(qiáng)度約為2003500W/m2。側(cè)風(fēng)面沿高度風(fēng)向差異不大，臨迎風(fēng)面?zhèn)扰c臨背風(fēng)面?zhèn)认嗖畲?。背風(fēng)面熱流強(qiáng)度大體比較均勻，約在60100 W/m2。冬季風(fēng)況2建筑外表面熱流強(qiáng)度分布：圖5.5 冬季風(fēng)況2建筑外表面熱流強(qiáng)度分布從圖5.3可以看出在冬季氣流側(cè)向45度流入

17、情況下表面熱流強(qiáng)度隨高度變化較大。迎風(fēng)面底部27層以下熱流強(qiáng)度值約為180350W/m2，2796層約210470 W/m2，96114層約為270600 W/m2。側(cè)風(fēng)面底部27層以下熱流強(qiáng)度值約為180280W/m2，2796層約220380 W/m2，96114層約為210380 W/m2。綜上所述，冬季建筑外表面熱流強(qiáng)度分布與夏季狀況相似，跟風(fēng)向相關(guān)性很大，如果氣流正面流入，熱流強(qiáng)度分布跟立面風(fēng)向有關(guān)，迎風(fēng)面熱流強(qiáng)度大于側(cè)風(fēng)面，并遠(yuǎn)大于背風(fēng)面，此時(shí)各個(gè)立面熱流強(qiáng)度分布隨高度變化較小；如果氣流側(cè)向流入，則熱流強(qiáng)度大體隨高度增加而變大，不同高度換算的表面換熱系數(shù)如表5.3，正常狀況下氣流正

18、面流入發(fā)生概率較少，大部分情況下氣流應(yīng)以一定傾斜角流入。表5.3 冬季氣流側(cè)向流入情況下不同高度表面換熱系數(shù)統(tǒng)計(jì) 單位： 低空 中空 高空迎風(fēng)面 2038.9 23.352.2 3066.7側(cè)風(fēng)面 2031.1 24.442.2 23.342.2表面換熱系數(shù)大小主要受表面風(fēng)速、表面溫度、氣溫、表面粗糙狀況等的影響，在不同風(fēng)向情況下，建筑表面風(fēng)速差別較大，所以CFD模擬得到的換熱系數(shù)差異較大。建筑表面風(fēng)速大小跟風(fēng)向，表面發(fā)向與來(lái)流風(fēng)向的角度及高度都有關(guān)系，高度只是影響表面風(fēng)速的大小的一個(gè)因素，所以如果忽略其他因素的影響，單獨(dú)討論換熱系數(shù)與建筑高度的關(guān)系是片面的，也難以得到非常精細(xì)的量化結(jié)果，大體上高度增加，表面換熱系數(shù)有增加的趨勢(shì)，但是難以確定具體增加多少，不同風(fēng)向，不同朝向表面換熱系數(shù)大小差別較大。大體上CFD計(jì)算結(jié)果（表5.2，5.3）和經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果（表4.2）具有一定相似性。6 外表面換熱系數(shù)對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的影響我們計(jì)算深