空調(diào)水系統(tǒng)承壓能力分析

空調(diào)水系統(tǒng)承壓能力分析

0空調(diào)水系統(tǒng)豎向分區(qū)的現(xiàn)狀及研究意義截至2013年底，世界已完成超過300米的大型建筑約85棟。超過200米的建筑約為3700棟。僅2012年初至2013年底，世界上約30棟超高層建筑已完成。200米以上的地塊約為180米。20世紀(jì),我國的超高層建筑非常少,1990年超過200m的建筑僅有5棟;進(jìn)入21世紀(jì),超高層建筑在我國得到了蓬勃發(fā)展,到2011年底,全國已建成的200m以上的超高層建筑有230棟,其中2011年全年就建成了23棟。目前,我國在建的200m以上的超高層建筑達(dá)230棟,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了世界上任何一個國家。截至2012年,在全球已建成的高度排名前20名的超高層建筑中,我國占了50%,到2020年,這一比例預(yù)計(jì)將增加到60%(見圖1)。超高層建筑的飛速發(fā)展,給勘察設(shè)計(jì)行業(yè)包括暖通專業(yè)在內(nèi)的各專業(yè)都帶來了許多新問題,對這些問題進(jìn)行深入研究,特別是對其中關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行研討與分析,具有非常重要的意義?？照{(diào)水系統(tǒng)豎向分區(qū)是超高層建筑空調(diào)設(shè)計(jì)中一個非常關(guān)鍵和重要的環(huán)節(jié),空調(diào)水系統(tǒng)豎向分區(qū)是否合理,將會對工程的安全性、節(jié)能性、經(jīng)濟(jì)性和運(yùn)行管理等產(chǎn)生重大的影響。目前國內(nèi)相關(guān)規(guī)范和技術(shù)措施對空調(diào)水系統(tǒng)豎向分區(qū)尚無具體規(guī)定,設(shè)計(jì)人員對此缺乏清晰的認(rèn)識。因此,對空調(diào)水系統(tǒng)豎向分區(qū)進(jìn)行深入研究是非常重要和有意義的。國外特別是美國和日本在此方面已進(jìn)行了一定的研究,雖然從公開的文獻(xiàn)資料中尚未查閱到300m以上超高層建筑空調(diào)水系統(tǒng)豎向分區(qū)方法,但其設(shè)計(jì)理念已在工程案例中有所體現(xiàn)。隨著我國超高層建筑的蓬勃發(fā)展,國內(nèi)此方面的研究工作也有了一定的進(jìn)展,其成果已在文獻(xiàn)資料和一些擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的工程案例中得到體現(xiàn)。本文在總結(jié)前人工作的基礎(chǔ)上,基于理論與工程案例,分析研究超高層建筑空調(diào)水系統(tǒng)豎向分區(qū)方法。1高放空設(shè)備和管道系統(tǒng)方案的比較隨著建筑高度的不斷增加,空調(diào)水系統(tǒng)工作壓力也逐漸增大,為解決設(shè)備和管道系統(tǒng)高承壓問題,可采用設(shè)置板式換熱器豎向分區(qū)或選擇高承壓設(shè)備和管道系統(tǒng)方案。當(dāng)采用設(shè)置板式換熱器豎向分區(qū)方案時,雖然系統(tǒng)工作壓力較低,但由于中間換熱設(shè)備和分區(qū)循環(huán)泵增多,從冷源供出的冷水經(jīng)換熱設(shè)備梯級換熱后溫度升高,能源利用效率降低,末端設(shè)備換熱面積增大,投資和能耗亦隨之增加,運(yùn)行管理復(fù)雜。當(dāng)采用高承壓設(shè)備和管道系統(tǒng)方案時,雖然系統(tǒng)工作壓力較高,設(shè)備和管道系統(tǒng)投資有所增大,但由于節(jié)省了中間換熱設(shè)備和分區(qū)循環(huán)泵,冷水溫度和末端設(shè)備換熱面積不變,與豎向分區(qū)方案相比,投資和能耗降低,能源利用效率提高,運(yùn)行管理簡單,在安全性、節(jié)能性、經(jīng)濟(jì)性和運(yùn)行管理等方面具有綜合優(yōu)勢。因此,設(shè)備和管道系統(tǒng)承壓能力的選擇和如何充分利用設(shè)備和管道系統(tǒng)承壓能力,盡量減少豎向分區(qū),便成為影響空調(diào)水系統(tǒng)豎向分區(qū)的主要因素。2工程中不同系統(tǒng)和設(shè)備的負(fù)壓對已建成工程案例所做的調(diào)研結(jié)果表明,由于承壓能力選擇的依據(jù)不同,不同工程中設(shè)備和管道系統(tǒng)的承壓多種多樣。因此,有必要通過對現(xiàn)行國內(nèi)外規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)及產(chǎn)品參數(shù)的調(diào)研,分析設(shè)備和管道系統(tǒng)承壓能力,為確定超高層建筑空調(diào)水系統(tǒng)豎向分區(qū)原則提供依據(jù)。2.1壓力系列值的確定表1中是目前產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)對冷熱源和末端設(shè)備及閥門的承壓或壓力試驗(yàn)規(guī)定。除GB/T19232—2003《風(fēng)機(jī)盤管機(jī)組》標(biāo)準(zhǔn)明確規(guī)定了承壓要求外,其余設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)對設(shè)備承壓沒有明確規(guī)定,僅給出了設(shè)計(jì)壓力下壓力試驗(yàn)的相關(guān)要求。設(shè)備常用壓力系列值見表2。從表2中可知,風(fēng)機(jī)盤管機(jī)組的最大承壓為1.6MPa,與標(biāo)準(zhǔn)要求一致;空調(diào)機(jī)組的最大承壓為1.6MPa;常規(guī)冷水機(jī)組的最大承壓為2.0MPa,經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)后,可以達(dá)到3.0MPa;板式換熱機(jī)組的最大承壓和水泵最大工作壓力均為2.5MPa。閥門的承壓規(guī)格最多,設(shè)計(jì)時根據(jù)系統(tǒng)的工作壓力選取即可。2.2系統(tǒng)的壓力和壓力本文中所述管道系統(tǒng)包括管材、管道連接方式和附件三部分。國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)對金屬管材和管道連接的承壓規(guī)定見表3,4。國外的標(biāo)準(zhǔn)體系與國內(nèi)基本類似,管材、管道連接方式、管道配件和閥門的承壓均分別規(guī)定,以美國為例,一般由美國機(jī)械工程師協(xié)會(ASME)制定。在此基礎(chǔ)上,還給出了系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)體系,如美國供暖制冷與空調(diào)工程師協(xié)會(ASHRAE)在遵守這些標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上,根據(jù)不同系統(tǒng)、管材、連接方式和配件材料給出了系統(tǒng)最大工作壓力,如表5所示。英國暖通空調(diào)設(shè)計(jì)手冊《CIBSEGuideBooks》也有類似的規(guī)定。2.3每次1000公里2.3.1管道系統(tǒng)負(fù)壓通過調(diào)研發(fā)現(xiàn):2)對于空調(diào)機(jī)組盤管,除一家企業(yè)的產(chǎn)品承壓為1.75MPa外,其余企業(yè)的產(chǎn)品承壓均不超過1.6MPa。3)冷水機(jī)組最大承壓一般不超過2.0MPa。4)水泵、板式換熱機(jī)組最大承壓均不超過2.5MPa。1)薄壁不銹鋼管道最大承壓不能超過1.6MPa,鋼塑復(fù)合管、銅管最大工作壓力不超過2.5MPa。焊接鋼管和無縫鋼管的承壓與壁厚成正比,與管徑成反比,應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)工作壓力、溫度和管徑選擇鋼管材質(zhì)和壁厚;當(dāng)系統(tǒng)工作壓力≤1.6MPa時,可采用焊接鋼管,當(dāng)系統(tǒng)工作壓力大于1.6MPa時,宜采用無縫鋼管。2)管道系統(tǒng)承壓主要取決于連接方式承壓。螺紋連接最大承壓不超過1.6MPa;卡壓、卡套連接最大承壓不超過1.6MPa;溝槽連接采用螺紋式機(jī)械三通時其最大承壓為1.6MPa,不采用螺紋式三通時最大承壓為2.5MPa;螺紋法蘭連接最大承壓為1.6MPa,普通焊接法蘭連接最大承壓為2.5MPa,特殊工藝的法蘭可以達(dá)到4.0MPa,甚至更高的承壓要求;焊接連接承壓可以達(dá)到管道本身的承壓要求。3.1調(diào)研項(xiàng)目的建設(shè)情況筆者調(diào)研了20個項(xiàng)目,其中17個在國內(nèi)且已建成(15個在大陸,占調(diào)研項(xiàng)目總數(shù)的75%,港臺2個,占10%),占調(diào)研項(xiàng)目總數(shù)的85%,其余在國外,占15%;2000年以后建成的項(xiàng)目16個,占調(diào)研項(xiàng)目總數(shù)的80%。圖2顯示了調(diào)研項(xiàng)目的高度和層數(shù)。3.2冰蓄冷技術(shù)在鍋爐保鮮中的應(yīng)用所有工程項(xiàng)目的冷源均采用電制冷機(jī)組,部分工程采用直燃機(jī)或蒸汽吸收式制冷機(jī)作為輔助和備用冷源;熱源以鍋爐和區(qū)域供熱為主。冰蓄冷技術(shù)得到了越來越多的應(yīng)用,2006年以后新建的13個項(xiàng)目中,10個項(xiàng)目采用了冰蓄冷;最高樓層高度400m以上的8個項(xiàng)目中,7個項(xiàng)目采用了冰蓄冷;國外和中國港臺的5個項(xiàng)目中,4個項(xiàng)目采用了冰蓄冷。3.3冷水機(jī)組的壓實(shí)表6為與圖2對應(yīng)的各項(xiàng)目設(shè)備設(shè)計(jì)承壓情況。通過分析可以總結(jié)出如下結(jié)論:1)建筑高度越高,設(shè)計(jì)師越傾向于選擇高承壓的冷水機(jī)組;一般情況下(尤其是300m以下的建筑),冷水機(jī)組的承壓在1.6MPa以下。2)無論建筑高度如何變化,空調(diào)末端的設(shè)計(jì)承壓均不超過1.6MPa。3)當(dāng)冷水機(jī)組或板式換熱器和水泵需要增大承壓時,設(shè)計(jì)師傾向于優(yōu)先增大板式換熱器和水泵的承壓來應(yīng)對建筑高度的增加,很多項(xiàng)目選擇采用承壓為2.5MPa的板式換熱器和水泵。3.4能源中心方式在調(diào)研的20個項(xiàng)目中主要有3種分區(qū)方法,如圖3所示。1)15個項(xiàng)目采用單能源中心方式,且能源中心均設(shè)置在地下室,占調(diào)研項(xiàng)目總數(shù)的75%。2)3個項(xiàng)目采用雙能源中心方式,占調(diào)研項(xiàng)目總數(shù)的15%。3)2個項(xiàng)目采用分段設(shè)置冷源方式,占調(diào)研項(xiàng)目總數(shù)的10%。3.4.1單能源中心一些高層建筑頂部的旅游層也有獨(dú)立的冷源，包括這些3.4.1.方案1:實(shí)行400m、系統(tǒng)高度系統(tǒng)高度單能源中心一次換熱方式用于建筑最高樓層高度低于400m、系統(tǒng)高度(系統(tǒng)高度指空調(diào)水系統(tǒng)最低點(diǎn)至最高點(diǎn)的高度)低于410m的建筑。如圖4所示,有以下幾種設(shè)計(jì)方案。1最大系統(tǒng)高度不超過400m①方案1。制冷機(jī)設(shè)置于地下設(shè)備用房內(nèi),120m以下區(qū)域由制冷機(jī)直供,保證制冷機(jī)和此分區(qū)內(nèi)的空調(diào)末端承壓小于1.6MPa;在中間設(shè)備層設(shè)置板式換熱器進(jìn)行一次換熱,向120m以上區(qū)域供冷,保證此分區(qū)內(nèi)的空調(diào)末端承壓小于1.6MPa。這種方式最大系統(tǒng)高度不超過240m,是最普遍的設(shè)計(jì)方案,16#項(xiàng)目即采用此方案。②方案2。制冷機(jī)與換熱器均設(shè)置于地下設(shè)備用房內(nèi),120m以下區(qū)域通過板式換熱器一次換熱供冷,120m以上區(qū)域由制冷機(jī)直供。這種方式最大系統(tǒng)高度不超過200m,保證制冷機(jī)的承壓小于2.0MPa。通常應(yīng)用于系統(tǒng)高度240~410m建筑的低區(qū)。20#項(xiàng)目采用了此方案。③方案3。制冷機(jī)與換熱器均設(shè)置于地下設(shè)備用房內(nèi),換熱器分為兩組,其中一組承壓為1.6MPa,供建筑低區(qū);另一組承壓為2.5MPa,供建筑高區(qū)。這種方式最大系統(tǒng)高度不超過210m,在日本的某些建筑中有應(yīng)用。④方案4。不設(shè)換熱器,將冷水機(jī)組分為兩組,其中一組承壓為1.6MPa,供建筑低區(qū);另一組承壓為2.0MPa,供建筑高區(qū)。這種方式系統(tǒng)最大高度不超過200m,通常應(yīng)用于系統(tǒng)高度240~410m建筑的低區(qū)。2方案2:2.2,最大系統(tǒng)高度系統(tǒng)高度240~410m的建筑,其200m以下區(qū)域可采用方案2和方案4分區(qū)方式。通過案例匯總分析,歸納出4種系統(tǒng)高度240~410m建筑常用的分區(qū)方法。①方案1。制冷機(jī)設(shè)置于地下設(shè)備用房內(nèi),在不超過120m的設(shè)備層設(shè)置板式換熱器進(jìn)行一次換熱,換熱器分為兩組,其中一組承壓為1.6MPa,供120~240m區(qū)域;另一組承壓為2.5MPa,供240m以上區(qū)域。這種方式最大系統(tǒng)高度不超過330m,是應(yīng)用最普遍的設(shè)計(jì)方法,15#項(xiàng)目采用了此方案。②方案2。制冷機(jī)設(shè)置于地下設(shè)備用房內(nèi),將冷水機(jī)組分為兩組,其中一組承壓為1.6MPa,供120m高度以下區(qū)域;另一組承壓為2.0MPa,供120~200m區(qū)域(也可以全部采用2.0MPa高承壓制冷機(jī),通過板式換熱器供120m以下區(qū)域)。在不超過200m設(shè)備層設(shè)置一次換熱器,供200m以上區(qū)域。這種方式最大系統(tǒng)高度不超過410m,9#項(xiàng)目采用了此方案。③方案3?；诜桨?,當(dāng)采用冰蓄冷方案后,由于板式換熱器的承壓可達(dá)2.5MPa,使得此方案的最大系統(tǒng)高度能達(dá)到420m,11#項(xiàng)目采用了這種設(shè)計(jì)方法。④方案4。方案2采用高承壓的制冷機(jī)才能實(shí)現(xiàn),如果仍采用1.6MPa以下低承壓制冷機(jī),那么當(dāng)系統(tǒng)高度超過330m時,也可考慮采用二次換熱方式。但調(diào)研的案例中,均沒有采用這種方式,也說明設(shè)計(jì)師均傾向于在滿足設(shè)備承壓要求的同時,盡量減少換熱次數(shù)。3.4.1.高放空制冷機(jī)方案方案2單能源中心二次(多次)換熱方式用于建筑最高樓層高度400~600m、系統(tǒng)高度低于620m的建筑。如圖5所示,有如下2種方案:1)方案1。制冷機(jī)設(shè)置于地下設(shè)備用房內(nèi),將冷水機(jī)組分為兩組(也可以全部采用2.0MPa高承壓制冷機(jī),通過板式換熱器供120m以下區(qū)域),其中一組承壓為1.6MPa,供120m高度以下區(qū)域,另一組承壓為2.0MPa,供120~200m區(qū)域。在不超過200m高度處設(shè)置一次換熱機(jī)組,在不超過410m高度處設(shè)置二次換熱機(jī)組,這種方式最大系統(tǒng)高度不超過620m,4#項(xiàng)目即采用此方案。2)方案2?；诜桨?,當(dāng)采用冰蓄冷方案后,由于板式換熱機(jī)組的承壓可達(dá)2.5MPa,使得此方案的最大系統(tǒng)高度能達(dá)到630m,2#,3#,6#項(xiàng)目均采用了這種設(shè)計(jì)方法(見圖5)。3.4.2最大系統(tǒng)高度確定雙能源中心用于建筑最高樓層高度超過400m的建筑,且不同的能源中心對應(yīng)服務(wù)于建筑中不同的功能區(qū)域。如圖6所示,有如下3種方案:1)方案1。裙房部分設(shè)置單獨(dú)的能源中心,裙房以上酒店或者辦公區(qū)設(shè)置另一個能源中心。這種方式主要是針對裙房和塔樓分屬不同的物業(yè),或者有截然不同的使用要求,適用的最大系統(tǒng)高度與二次換熱方式基本一致的建筑。6#項(xiàng)目即采用此方法。2)方案2。當(dāng)頂部酒店系統(tǒng)高度低于120m時,可考慮為其設(shè)置獨(dú)立的電動冷水機(jī)組。建筑其他部分則使用建筑底部的能源中心。這種方案可實(shí)現(xiàn)的最大系統(tǒng)高度為740m。8#項(xiàng)目采用此方案。3)方案3。在單能源中心方案(即系統(tǒng)高度240~410m建筑分區(qū)方案2,3)的基礎(chǔ)上,在豎向再增加一個同樣的分區(qū)方案。這種方案可實(shí)現(xiàn)的最大系統(tǒng)高度為820m。1#項(xiàng)目采用此方案。當(dāng)然如果每個能源中心均考慮二次換熱,其最大系統(tǒng)高度還可以進(jìn)一步增加。3.4.3設(shè)備機(jī)房冷水機(jī)組、板式換熱器與大型部件運(yùn)輸?shù)谋匾苑侄卧O(shè)置冷水機(jī)組理論上可用于任意高度的建筑,其優(yōu)勢在于無梯級換熱,可減少損失及梯級換熱對冷源和末端設(shè)備的影響;其缺點(diǎn)也非常明顯,首先是冷水機(jī)組位于百米以上高度的設(shè)備機(jī)房內(nèi),冷水機(jī)組特別是大型水冷機(jī)組運(yùn)輸難度較大,且當(dāng)建筑投入使用后,由于一般貨梯的載重量和空間無法滿足整機(jī)和大型部件運(yùn)輸要求,很難實(shí)現(xiàn)整機(jī)和大型部件更新;此外,噪聲、振動處理也比較復(fù)雜。12#和13#項(xiàng)目均為我國20世紀(jì)90年代建成的超高層建筑,由于當(dāng)時國內(nèi)沒有高承壓的冷水機(jī)組,且板式換熱器技術(shù)也不過關(guān),因而采用了此方案(見圖7)。實(shí)際上這種設(shè)計(jì)方案在目前來看仍然有很多可借鑒的地方,值得進(jìn)一步深入研究、探討其在超高層建筑中應(yīng)用的合理性。3.5每次1000公里3.5.1輔助冷源設(shè)計(jì)1)所有項(xiàng)目冷源都采用電制冷,部分采用直燃機(jī)或蒸汽吸收式冷水機(jī)組作為輔助冷源;2)項(xiàng)目熱源一般為市政熱力或蒸汽鍋爐;3)冰蓄冷得到了廣泛應(yīng)用,400m以上的8個項(xiàng)目中的7個項(xiàng)目,5個國外、中國港臺項(xiàng)目中的4個項(xiàng)目采用了冰蓄冷。3.5.2循環(huán)時間所有項(xiàng)目均采用板式換熱器,換熱次數(shù)均不超過兩次。3.5.3冷源和板式換熱器及其管道的政策所有項(xiàng)目末端設(shè)備的承壓均不超過1.6MPa,冷源和板式換熱器及其管道的承壓則根據(jù)項(xiàng)目的具體情況選擇不同的承壓要求,但承壓均不超過2.5MPa。4空調(diào)水系統(tǒng)豎向分區(qū)依據(jù)上述分析并結(jié)合現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范和技術(shù)措施的規(guī)定,可總結(jié)出空調(diào)水系統(tǒng)豎向分區(qū)原則:1)空調(diào)水系統(tǒng)的豎向分區(qū)應(yīng)根據(jù)設(shè)備、管道及附件的承壓能力確定。2)末端設(shè)備的承壓不宜超過1.6MPa。3)冷水機(jī)組和板式換熱器的承壓應(yīng)根據(jù)項(xiàng)目的具體情況選擇不同的承壓要求,冷水機(jī)組承壓不宜超過2.0MPa,板式換熱器承壓不宜超過2.5MPa。當(dāng)冷水機(jī)組或板式換熱機(jī)組和水泵需要增大承壓時,宜優(yōu)先增大板式換熱機(jī)組和水泵的承壓。4)系統(tǒng)最大工作壓力不宜超過2.5MPa。5)系統(tǒng)工作壓力不超過1.6MPa,管道連接方式可采用螺紋連接、溝槽連接、法蘭連接和焊接連接;系統(tǒng)工作壓力大于1.6MPa且不超過2.5MPa,管道連接方式可采用焊接法蘭連接、溝槽連接和焊接連接。6)當(dāng)系統(tǒng)高度低于620m時,冷水機(jī)組可不上樓;當(dāng)建筑高度超過620m,可考慮冷水機(jī)組上樓。7)當(dāng)系統(tǒng)高度超過410m時,建筑的上段和下段具有不同的功能區(qū)且各區(qū)需要獨(dú)立管理時,可考慮冷水機(jī)組上樓。8)盡量避免采用冷水機(jī)組上樓方案。當(dāng)采用冷水機(jī)組上樓方案時,應(yīng)制定安全、可靠、合理的技術(shù)方案,以滿足冷水機(jī)組和大型部件運(yùn)輸、安裝及調(diào)試和運(yùn)行維護(hù)等要求。依據(jù)上述超高層建筑空調(diào)水系統(tǒng)豎向分區(qū)原則,可得到不同高度超高層建筑空調(diào)水系統(tǒng)豎向分區(qū)方案:1)系統(tǒng)高度120m以下的建筑,水系統(tǒng)豎向可不分區(qū),所有區(qū)域冷量由制冷機(jī)直供。2)系統(tǒng)高度120~240m的建筑,推薦采用圖8a方案。3)系統(tǒng)高度240~330m的建筑,推薦采用圖8b方案。4)系統(tǒng)高度330~410m的建筑,推薦采用圖8c方案。5)系統(tǒng)高度410~620m的建筑,當(dāng)建筑功能單一時,推薦采用圖8d方案。當(dāng)建筑在豎向(上段和下段)具有不同的功能區(qū)且各