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超高层空调水系统设计探讨

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2020年4月19日
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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的可行性。
关键词 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的拉伸或简单叠加，在一般建筑物中的一般问题，到了超高层建筑中都可能成为特殊问题，需要特别处理。
超高层建筑本身具备很多自然特性，对建筑设计造成较大影响：①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，围护结构外表面放热系数加大；②随着建筑高度增加，空调水路系统设备及管件承压要求提高，须经过梯级板换方式把冷热水送至最高层；③性能化设计方面：随着建筑高度升高、层数增加导致疏散困难，对防排烟措施要求高，且建筑本身由于热压造成的烟囱作用较大，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的问题。当前中国超高层建筑绝大部分水路系统的设计采用：在建筑中间层设置水－水板式换热器，把冷、热水从低区提升至设备层，经板式换热器闭式热交换后再由次级泵输送至高区。采用这种做法能够使低区与高区承受由各自分区高度产生的压力，从而避免低区的设备及管路承压过大。当前钢结构技术的进步使得超高层建筑的高度有了进一步的提升，300~400米的超超高层建筑屡见不鲜。在这类建筑中如果水系统不能合理分区则势必导致——①末端设备承压要求过高，导致换热器面板和管壁加厚过多，传热效率下降，同时设备承压能力提高了，造价亦随之提高；②分区过多，从冷源供出的冷水经多级板式换热器后效率将降低，研究表明每经过一级板式换热器，其冷源的供冷（热）效率至少下降20%左右，同时末端装置的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
1.0~1.5
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
空调处理器、风机盘管机组
1.6
板式换热器
1.6～3.0
水泵壳体
1.0～2.5
管道及管件
管材和管件的公称压力PN（MPa）
低压管道
2.5
中压管道
4.0~6.4
高压管道
10~100
低压阀门
1.6
中压阀门
2.5~6.4
高压阀门
10~100
无缝钢管
>1.6

表1汇总了上海、深圳地区典型超高层建筑的空调水系统分区及承压设计。能够看出，当前工程设计中，超高层建筑空调水系统的设备承压能力不再局限于1.0MPa以下，1.6、2.1MPa以上的高承压设计已经越来越多。另外随着设备厂家技术的提高，空调设备的承压能力也越来越高。表2给出了现有空调制冷设备、管道及管件承压能力。空调机组及板换的额定工作压力已可达到1.6MPa，低压管道的承压可达2.5MPa，低压阀门的承压可达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，首先要确定一个分区高度，这个分区高度是由设备和管道的承压能力决定的。根据表2能够知道，冷机的承压范围是1.0~2.1MPa、板换的承压范围为1.6~3.0MPa、水泵壳体的承压范围是1.0~2.5MPa、空调机组承压为1.0~1.6MPa、管道及阀门的承压范围是1.6~2.5MPa。对于超高层建筑来说，板换级数增加则导致冷源效率降低，板换级数少则设备承压要求提高，因此其空调水系统的分区设计需结合建筑实际情况经技术经济比较后确定。
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层以下为办公区，73层以上为酒店。根据建筑专业疏散要求，分别于18、19、37、38、55、56、73、74、91、92层设置避难（机电）层。
由于使用功能不同，办公和酒店分别设有独立的集中空调冷（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。则办公部分末端设备的最高点位于72层（316m），因此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可能的静水压力为336.0m H2O，约3.36MPa。即使水泵的安装方式为打出式，主机或板换的承压也将达到3.5MPa，当前还没有设备有这么高的承压能力。因此对于本项目，不设中间换热器的做法从技术上来说是不可行的。如何对本项目的空调水系统进行分区，综合考虑其空调的使用情况建筑避难层的设置位置及设备、管件的承压能力，最终确定了3种分区方案。
图3：方案2水系统原理示意图
图2：方案1水系统原理示意图
方案1：如图2所示，在办公部分的中间设备层（37F）处设置一组水－水板式换热器，整个系统仅分为高低2个区，37层（含）以下为低区、39层（含）以上为高区。低区水由分水器直接供水，末端设备的供回水温度为5℃/13℃；高区水经37层处的板换换热后间接供水，末端设备的供回水温度为6℃/14℃，供冷效率有所下降。一次水系统的膨胀水箱设于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的最高承压约为2.1MPa（即为直接供水的用户最高点至主机房的静水高度与一次水泵扬程之和）。高区和低区的末端设备承压随着所在楼层高度的增加而递减，承压要求介于1.0~2.1MPa之间。
方案2：如图3所示，基于办公部分建筑本身避难层的设置将办公部分自然分为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层以下区域；另外三组均设于18层避难层处，分别服务于上部的3个区域；板换之间为并联关系，为同级板换。四个分区末端设备的供回水温度均为6℃/14℃。一次水系统的膨胀水箱设于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的最高承压约为2.1MPa即为直接供水的用户最高点至主机房的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，末端设备的供回水均为二次水，且末端设备的承压均可控制在1.0MPa以内，但主机、水泵、板换及部分管件的承压要求较高。
方案3：如图4所示，其设计思路与方案2较为接近，即确保末端设备的承压要求均为1.0MPa。但方案2对冷源侧的承压较高，因此在方案3中将板换集中降低至18层。由于一次水的用户高度降低，则对冷源侧的设备及管路的承压要求也相应降低至1.3MPa。空调水系统依然结合建筑避难层的设置自然划分为4个区，但由于55~72层之间的供水如由18层的2级板换直接供应将导致对应的板换及水泵承压达2.6MPa以上，超出水泵的最高承压能力，因此该区域的供水由设置在55层避难层的第3级板换供应。则末端设备的供回水温度为6℃/14℃、7℃/15℃。本方案中冷源侧各设备管件的承压要求降低至1.3MPa，而同时末端设备的承压也降低至1.0MPa，但最高分区处需设置第3级板换。
综上，将各方案的分区及设备承压等汇总如表3所示。综合比较能够看出，方案1的系统分区少，泵组及板式换热器组设置数量少，运行管理较为简单，运行能耗较低，而且由于采用次级水的楼层少，对冷源的总供冷效率降低最少，仅占10%。但方案1对冷源、水泵、板换及末端的承压要求比较高，但也在现有设备承压能力的范围内，且当前已有典型工程使用。方案2、3虽对末端设备的承压要求较低，但对板换、管路的承压仍不可避免的要采用高承压部件，且方案2、3供冷效率的降低较多，板换组及泵组多，运行控制和维护均较为复杂。因此认为方案1为最佳方案。
同时，由于本项目是当前深圳地区建筑高度较高的地标性建筑，在此项目中采用先进的设计理念和技术也具有典型的意义。为保证项目的安全性，在末端设备的选择上，均选用组合式空气处理机组，设置于专用的空调机房内，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
冷源效率降低
（个
MPa
MPa
MPa
℃
℃
％
方案1
2
37F
2.1
2.0
1.0~2.1
5/13
6/14
10
方案2
4
B4F,37F
2.1
1.1~1.8
<1.0
——
6/14
20
方案3
4
B4F,18F
1.3
1.1~1.8
<1.0
——
6/14
7/15
25

三、结论
在超高层建筑的空调系统里，考虑到管路系统的焊接、密封、成本及可靠性等问题，其空调水系统的划分应控制在2.5MPa以内。超高层空调水系统分区减少，则泵组及板换设置数量少，运行管理简单，运行能耗低，供冷效率高。本文经过对某超高层项目3个方案的对比，认为在严格的选材和规范施工的基础上，高承压的水系统方案是更为经济合理的。
四、参考文献
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