超高层建筑工程空调水专业系统设计探讨.doc

超高层建筑空调水系统设计探讨深圳华森建筑与工程设计顾问有限公司 曹莉 王红朝中华人民共和国建筑设计研究院 潘云钢摘要 对某超高层建筑空调水系统分区方案进行对比分析，探讨超高层建筑采用高承压空调水系统方案可行性。核心词 超高层 空调 水系统 承压一、前言超高层建筑体型巨大，功能复杂，容纳人员众多，投资十分庞大。超高层建筑绝不是普通建筑拉伸或简朴叠加，在普通建筑物中普通问题，到了超高层建筑中都也许成为特殊问题，需要特别解决。超高层建筑自身具备诸多自然特性，对建筑设计导致较大影响：负荷计算方面：随着建筑高度升高，大气透明度、太阳辐射强度亦增大，室外风速随着建筑高度递增，围护构造外表面放热系数加大；随着建筑高度增长，空调水路系统设备及管件承压规定提高，须通过梯级板换方式把冷热水送至最高层；性能化设计方面：随着建筑高度升高、层数增长导致疏散困难，对防排烟办法规定高，且建筑自身由于热压导致烟囱作用较大，对空调通风、换气、排烟效果有影响。 在超高层建筑中，空调水系统分区及设备承压问题是超高层空调系统设计中须着重考虑问题。当前国内超高层建筑绝大某些水路系统设计采用：在建筑中间层设立水水板式换热器，把冷、热水从低区提高至设备层，经板式换热器闭式热互换后再由次级泵输送至高区。采用这种做法可以使低区与高区承受由各自分区高度产生压力，从而避免低区设备及管路承压过大。当前钢构造技术进步使得超高层建筑高度有了进一步提高，300400米超超高层建筑屡见不鲜。在此类建筑中如果水系统不能合理分区则势必导致末端设备承压规定过高，导致换热器面板和管壁加厚过多，传热效率下降，同步设备承压能力提高了，造价亦随之提高；分区过多，从冷源供出冷水经多级板式换热器后效率将减少，研究表白每通过一级板式换热器，其冷源供冷（热）效率至少下降20%左右，同步末端装置换热面积则需要加大20%。表1：典型超高层建筑空调水系统分区及承压设计项目名称 高度 分区 中间板换位置 最高设备承压 一次水温度（换热温差） 次级水温度（换热温差）（m） （个） MPa 上海静安希尔顿饭店 143 1 2.1 7/12 上海金茂大厦 420 2 21层 2.1/2.8 5.5/13.5 7/15上海环球金融中心 460 3 150m/300m 2.1 4/9 6/15,8/17深圳发展中心大厦 165 2 28层 1.6 7/12 10/14深圳彭年广场 222 2 24层 1.6 7/12 9/14深圳赛格广场 292.6 4 分段冷源 1.01.5 7/12 表2：空调制冷设备、管道及管件承压能力空调制冷设备 空调制冷设备额定工作压力Pw（MPa）冷水机组 普通型 1.0加强型 1.7特加强型 2.0特定加强型 2.1空调解决器、风机盘管机组 1.6板式换热器 1.63.0水泵壳体 1.02.5管道及管件 管材和管件公称压力PN（MPa）低压管道 2.5中压管道 4.06.4高压管道 10100低压阀门 1.6中压阀门 2.56.4高压阀门 10100无缝钢管 1.6表1汇总了上海、深圳地区典型超高层建筑空调水系统分区及承压设计。可以看出，当前工程设计中，超高层建筑空调水系统设备承压能力不再局限于1.0MPa如下，1.6、2.1MPa以上高承压设计已经越来越多。此外随着设备厂家技术提高，空调设备承压能力也越来越高。表2给出了既有空调制冷设备、管道及管件承压能力。空调机组及板换额定工作压力已可达到1.6MPa，低压管道承压可达2.5MPa，低压阀门承压可达1.6MPa，采用加强型冷水机组时已可承压1.7MPa。对超高层建筑水系统进行分区，一方面要拟定一种分区高度，这个分区高度是由设备和管道承压能力决定。依照表2可以懂得，冷机承压范畴是1.02.1MPa、板换承压范畴为1.63.0MPa、水泵壳体承压范畴是1.02.5MPa、空调机组承压为1.01.6MPa、管道及阀门承压范畴是1.62.5MPa。对于超高层建筑来说，板换级数增长则导致冷源效率减少，板换级数少则设备承压规定提高，因而其空调水系统分区设计需结合建筑实际状况经技术经济比较后拟定。二、超高层办公空调水系统分区方案比较图1为某超高层办公楼效果图，共98层，最高点高度439m，集办公和酒店于一体。其中，73层如下为办公区，73层以上为酒店。依照建筑专业疏散规定，分别于18、19、37、38、55、56、73、74、91、92层设立避难（机电）层。由于使用功能不同，办公和酒店分别设有独立集中空调冷（热）源系统：办公区采用蓄冰空调系统，主机房位于地下四层（-18.500m）；酒店采用风冷热泵（带热回收）系统，机组设于73层。则办公某些末端设备最高点位于72层（316m），因而定压膨胀水箱箱底高度不应低于317.5m，则办公空调水系统最大也许静水压力为336.0m H2O，约3.36MPa。虽然水泵安装方式为打出式，主机或板换承压也将达到3.5MPa，当前还没有设备有这样高承压能力。因而对于本项目，不设中间换热器做法从技术上来说是不可行。如何对本项目空调水系统进行分区，综合考虑其空调使用状况，建筑避难层设立位置及设备、管件承压能力，最后拟定了3种分区方案。方案1：如图2所示，在办公某些中间设备层（37F）处设立一组水水板式换热器，整个系统仅分为高低2个区，37层（含）如下为低区、39层（含）以上为高区。低区水由分水器直接供水，末端设备供回水温度为5/13；高区水经37层处板换换热后间接供水，末端设备供回水温度为6/14，供冷效率有所下降。一次水系统膨胀水箱设于38层，总定压点位于集水器出水总管处，一次水泵采用打入式，则主机房内冷水机组、一次水泵及分水器等部件最高承压约为2.1MPa（即为直接供水顾客最高点至主机房静水高度与一次水泵扬程之和）。高区和低区末端设备承压随着所在楼层高度增长而递减，承压规定介于1.02.1MPa之间。方案2：如图3所示，基于办公某些建筑自身避难层设立将办公某些自然分为4个区间，水系统亦按此分为四个区，并设有四组板换：一组位于主机房内，服务于18层如下区域；此外三组均设于18层避难层处，分别服务于上部3个区域；板换之间为并联关系，为同级板换。四个分区末端设备供回水温度均为6/14。一次水系统膨胀水箱设于38层，总定压点位于集水器出水总管处，一次水泵采用打入式，则主机房内冷水机组、一次水泵及分水器等部件最高承压约为2.1MPa（即为直接供水顾客最高点至主机房静水高度与一次水泵扬程之和）。本方案虽分区较多，但都为同级分区，末端设备供回水均为二次水，且末端设备承压均可控制在1.0MPa以内，但主机、水泵、板换及某些管件承压规定较高。方案3：如图4所示，其设计思路与方案2较为接近，即保证末端设备承压规定均为1.0MPa。但方案2对冷源侧承压较高，因而在方案3中将板换集中减少至18层。由于一次水顾客高度减少，则对冷源侧设备及管路承压规定也相应减少至1.3MPa。空调水系统依然结合建筑避难层设立自然划分为4个区，但由于5572层之间供水如由18层2级板换直接供应将导致相应板换及水泵承压达2.6MPa以上，超过水泵最高承压能力，因而该区域供水由设立在55层避难层第3级板换供应。则末端设备供回水温度为6/14、7/15。本方案中冷源侧各设备管件承压规定减少至1.3MPa，而同步末端设备承压也减少至1.0MPa，但最高分区处需设立第3级板换。综上，将各方案分区及设备承压等汇总如表3所示。综合比较可以看出，方案1系统分区少，泵组及板式换热器组设立数量少，运营管理较为简朴，运营能耗较低，并且由于采用次级水楼层少，对冷源总供冷效率减少至少，仅占10%。但方案1对冷源、水泵、板换及末端承压规定比较高，但也在既有设备承压能力范畴内，且当前已有典型工程使用。方案2、3虽对末端设备承压规定较低，但对板换、管路承压仍不可避免要采用高承压部件，且方案2、3供冷效率减少较多，板换组及泵组多，运营控制和维护均较为复杂。因而以为方案1为最佳方案。同步，由于本项目是当前深圳地区建筑高度较高地标性建筑，在此项目中采用先进设计理念和技术也具备典型意义。为保证项目安全性，在末端设备选取上，均选用组合式空气解决机组，设立于专用空调机房内，避免高压管道进入人员活动区域。表3：3种方案水系统分区及承压比较分区方案 分区 中间板换位置 冷源侧设备承压 中间板换承压 末端设备承压 一次水温度 次级水温度 冷源效率减少（个） MPa MPa MPa 方案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 侧风面背风面迎风面大体是水平对称分布，高层热流强度大，底层小。迎风面中部热流强度约为80W/m2,两侧较大，约为130W/m2左右。96层如下热流强度高度方向差别不大，96114层热流强度较大概为140180W/m2。侧风面随高度方向热流强度变化不激烈，临迎风面侧与临背风面侧相差大。背风面热流强度大体比较均匀，约在4080 W/m2。夏季风况2建筑外表面热流强度分布：图5.3 夏季风况2建筑外表面热流强度分布（数据中负号表达表面吸热）从图5.3可以看出在夏季气流侧向45度流入状况下表面热流强度随高度变化较大。迎风面大体是水平对称分布，高层热流强度大，底层小。迎风面中部热流强度约为80W/m2,两侧较大，约为13080W/m2左右。96层如下热流强度高度方向差别不大，96114层热流强度较大概为140180W/m2。侧风面随高度方向热流强度变化不激烈，临迎风面侧与临背风面侧相差大。迎风面热流强度随高度变化较大，底部27层如下热流强度值约为48220W/m2，2796层约100280 W/m2，96114层约为250300 W/m2。侧风面热流强度随高度变化较大，底部27层如下热流强度值约为48120W/m2，2796层约100190 W/m2，96114层约为150210 W/m2。 综上所述，夏季建筑外表面热流强度分布跟风向有关性很大，如果气流正面流入，热流强度分布跟立面风向关于，迎风面热流强度不不大于侧风面，并远不不大于背风面，此时各个立面热流强度分布随高度变化较小；如果气流侧向流入，则热流强度大体随高度变化，不同高度换算表面换热系数如表5.2，正常状况下气流正面流入发生概率较少，大某些状况下气流应以一定倾斜角流入。表5.2 夏季气流侧向流入状况下不同高度表面换热系数记录 单位： 低空 中空 高空迎风面 9.644 2056 5060侧风面 9.624 2038 30425.3 冬季状况模仿冬季风况1建筑外表面热流强度分布：图5.4 冬季风况1建筑外表面热流强度分布从图5.4可以看出冬季气流正向流入状况下表面热流强度跟夏季状况相似：迎风面侧风面背风面。迎风面水平对称分布，高层热流强度大，底层略小。迎风面中部热流强度约为1201500W/m2，两侧约为2002500W/m2。96层以上热流强度略大，且分布相对均匀，热流强度约为2003500W/m2。侧风面沿高度风向差别不大，临迎风面侧与临背风面侧相差大。背风面热流强度大体比较均匀，约在60100 W/m2。冬季风况2建筑外表面热流强度分布：图5.5 冬季风况2建筑外表面热流强度分布从图5.3可以看出在冬季气流侧向45度流入状况下表面热流强度随高度变化较大。迎风面底部27层如下热流强度值约为180350W/m2，2796层约210470 W/m2，96114层约为270600 W/m2。侧风面底部27层如下热流强度值约为180280W/m2，2796层约220380 W/m2，96114层约为210380 W/m2。综上所述，冬季建筑外表面热流强度分布与夏季状况相似，跟风向有关性很大，如果气流正面流入，热流强度分布跟立面风向关于，迎风面热流强度不不大于侧风面，并远不不大于背风面，此时各个立面热流强度分布随高度变化较小；如果气流侧向流入，则热流强度大体随高度增长而变大，不同高度换算表面换热系数如表5.3，正常状况下气流正面流入发生概率较少，大某些状况下气流应以一定倾斜角流入。表5.3 冬季气流侧向流入状况下不同高度表面换热系数记录 单位： 低空 中空 高空迎风面 2038.9 23.352.2 3066.7侧风面 2031.1 24.442.2 23.342.2表面换热系数大小重要受表面风速、表面温度、气温、表面粗糙状况等影响，在不同风向状况下，建筑表面风速差别较大，因此CFD模仿得到换热系数差别较大。建筑表面风速大小跟风向，表面发向与来流风向角度及高度均关于系，高度只是影响表面风速大小一种因素，因此如果忽视其她因素影响，单独讨论换热系数与建筑高度关系是片面，也难以得到非常精细量化成果，大体上高度增长，表面换热系数有增长趋势，但是难以拟定详细增长多少，不同风向，不同朝向表面换热系数大小差别较大。大体上CFD计算成果（表5.2，5.3）和经验公式计算成果（表4.2）具备一定相似性。6 外表面换热系数对围护构造影响咱们计算深圳地区普通构造在高空传热系数变化对围护构造热工性能影响，高空外表面传热系数500米取40 ，300米取37 原设计K值 设计 设计 新 新K值 K值增量外窗1 1.5 19 8.7 37（300m） 1.554 3.640（500m） 1.558 3.8外窗2 3.0 37（300m） 3.22 7.340（500m） 3.24 8.0从以上成果可以看到，外窗热工性能越好，外表面换热系数变化、不同高度室外环境变化对围护构造影响越小。参照文献：1 刘加平主编. 建筑物理M. 中华人民共和国建筑工业出版社，2 钱以明编著. 高层建筑空调与节能M. 同济大学出版社，1990