夏熱冬暖地區(qū)超高層辦公樓大溫差空調(diào)設(shè)計(jì)

陳捷 黃箐

華藍(lán)設(shè)計(jì)（集團(tuán)）有限公司

過去的20多年，全球超高層建筑空前發(fā)展，共計(jì)46座高度超過250 m的建筑在2018年落成。我國隨著國民經(jīng)濟(jì)的不斷進(jìn)步和發(fā)展，超高層建筑如雨后春筍般不斷涌現(xiàn)。全球已建成100座最高的摩天大樓中，我國占有51座，其中最高的前20座中，我國占10座[1]。由于超高層建筑自身的特性，會(huì)給暖通空調(diào)設(shè)計(jì)造成一些難點(diǎn)。本文結(jié)合南寧綠地中心8#樓超高層辦公樓的暖通空調(diào)設(shè)計(jì)，介紹了空調(diào)冷熱源設(shè)計(jì)，空調(diào)水系統(tǒng)豎向分區(qū)，末端系統(tǒng)設(shè)計(jì)等，闡述了設(shè)計(jì)思路及難點(diǎn)，供同行設(shè)計(jì)師參考。

1 工程概況

本工程位于廣西壯族自治區(qū)南寧市五象新區(qū)總部基地。項(xiàng)目集超高層辦公樓、高層辦公樓、商業(yè)、地下室汽車庫于一體的城市綜合體，總建筑面積約為30萬m2。其中1～7#樓為高層辦公樓，商業(yè)及售樓部，8#樓為超高層辦公樓。

8#樓超高層辦公樓，地下室2層，主要功能為汽車庫和設(shè)備用房。地上共47層，首層為辦公大堂，其他層辦公用房，避難層設(shè)置在16層和32層。建筑高度為199.95 m，總建筑面積93825 m2。本文主要介紹8#樓超高層辦公樓暖通空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，1～7#樓暖通空調(diào)設(shè)計(jì)不做敘述。

2 設(shè)計(jì)參數(shù)及冷熱負(fù)荷

2.1 室內(nèi)外設(shè)計(jì)參數(shù)

室外氣象參數(shù)與室內(nèi)空調(diào)主要設(shè)計(jì)參數(shù)分別于表1、表2所示：

表1 室外氣象參數(shù)

表2 室內(nèi)空調(diào)主要設(shè)計(jì)參數(shù)

2.2 冷、熱負(fù)荷計(jì)算結(jié)果

8#樓空調(diào)系統(tǒng)夏季逐項(xiàng)逐時(shí)計(jì)算最大冷負(fù)荷為8732.3 kW，單位面積冷指標(biāo)為93.0 W/m2，冬季計(jì)算熱負(fù)荷為4037.7 kW，單位面積熱指標(biāo)為43.0 W/m2。

3 空調(diào)冷熱源與水系統(tǒng)

3.1 空調(diào)冷熱源

空調(diào)冷熱源選擇是超高層建筑暖通空調(diào)設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)，應(yīng)根據(jù)建筑物規(guī)模，用途，建設(shè)地點(diǎn)的能源條件，結(jié)構(gòu)，價(jià)格以及國家節(jié)能減排和環(huán)保政策的相關(guān)規(guī)定等，通過綜合論證確定。

根據(jù)本項(xiàng)目房間功能和業(yè)主使用、管理需求，在充分考慮當(dāng)?shù)啬茉垂?yīng)現(xiàn)狀，價(jià)格因素和空調(diào)制冷供熱主機(jī)系統(tǒng)及末端搭配等方面因素，本工程集中空調(diào)及供暖系統(tǒng)冷熱源配置如下：空調(diào)冷源采用三臺(tái)單機(jī)制冷量為2947 kW水冷離心式冷水機(jī)組，熱源采用二臺(tái)單機(jī)制熱量為2088 kW的燃?xì)鉄崴仩t。水冷離心式冷水機(jī)組設(shè)在地下一層冷凍機(jī)房，燃?xì)鉄崴仩t設(shè)在地下一層鍋爐房。冷卻塔設(shè)在7#樓裙房屋面。

3.2 空調(diào)水系統(tǒng)

本工程冷（熱）水系統(tǒng)采用一、二次泵二管式閉式變流量系統(tǒng)（圖1）。低區(qū)一次側(cè)采用直接供冷及通過板式換熱器供熱，高區(qū)二次側(cè)采用板式換熱器換熱供冷（熱），板換設(shè)在地下一層鍋爐房和32層避難層。一次側(cè)冷水供回水溫度6/13 ℃，熱水供回水溫度59/49 ℃。二次側(cè)冷水供回水溫度7/14 ℃，熱水供回水管溫度58/48 ℃。

圖1 空調(diào)水系統(tǒng)原理圖

空調(diào)水系統(tǒng)低區(qū)設(shè)三個(gè)環(huán)路：2～31層辦公用房，16層及32層熱回收新風(fēng)機(jī)組、高區(qū)板換。高區(qū)設(shè)二個(gè)環(huán)路：33～47層辦公用房、屋面層設(shè)備機(jī)房熱回收新風(fēng)機(jī)組。低區(qū)系統(tǒng)膨脹水箱設(shè)在33層空調(diào)機(jī)房，高區(qū)系統(tǒng)膨脹水箱設(shè)在屋面層設(shè)備機(jī)房。

為減少空調(diào)水系統(tǒng)的水力不平衡率，在各層水平干管上及熱回收新風(fēng)機(jī)組支管上設(shè)靜態(tài)平衡閥及可調(diào)型自力式壓差控制閥。低區(qū)空調(diào)水系統(tǒng)最大工作壓力為1.81 MPa，高區(qū)空調(diào)水系統(tǒng)最大工作壓力為1.06 MPa。

3.3 空調(diào)水系統(tǒng)豎向分區(qū)原則

當(dāng)系統(tǒng)靜水壓力P＞1.0 MPa時(shí)，空調(diào)水系統(tǒng)豎向應(yīng)分區(qū)。一般宜采用中間設(shè)備層布置換熱交換器的供水模式。冷水換熱器溫差宜取1～1.5 ℃。熱水換熱溫差宜取2～3 ℃[2]。超高層建筑空調(diào)水系統(tǒng)豎向分區(qū)設(shè)計(jì)是否合理，對(duì)工程的安全性，經(jīng)濟(jì)性和運(yùn)行管理等方面會(huì)產(chǎn)生重大的影響，是空調(diào)水系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。在綜合考慮使用安全、運(yùn)行節(jié)能和管理方便等因素，并結(jié)合建筑避難層設(shè)置的情況，確定空調(diào)水系統(tǒng)豎向分區(qū)原則如下[3]：

1）盡量減少經(jīng)過板換換熱次數(shù)，優(yōu)先采用一次換熱方案。

2）冷水機(jī)組和板式換熱器根據(jù)系統(tǒng)具體情況選擇不同的承壓要求，當(dāng)冷水機(jī)組或板式換熱器和水泵需增大承壓時(shí)，優(yōu)先增大板式換熱器和水泵的承壓。

3）在滿足冷水機(jī)組承壓要求的前提下，盡量增大冷水機(jī)組直供區(qū)域。

4）末端設(shè)備承壓不超過1.6 MPa。

5）系統(tǒng)最大工作壓力不超過2.0 MPa。

3.4 空調(diào)水系統(tǒng)豎向分區(qū)設(shè)計(jì)

空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備及管件的承壓能力主要有1.0 MPa、1.6 MPa、2.0 MPa、2.5 MPa幾種[2]。通常制冷主機(jī)，水泵，板式換熱器及其連接件承壓最好控制在2.0 MPa以內(nèi)。。風(fēng)機(jī)盤管、新風(fēng)機(jī)組等末端設(shè)備承壓一般達(dá)不到2.0 MPa，所有末端設(shè)備及其配件的承壓一般控制在1.6 MPa或1.0 MPa以內(nèi)。如果要增大設(shè)備的承壓范圍，選用非標(biāo)產(chǎn)品，則設(shè)備的初投資增加，經(jīng)濟(jì)性降低。因此本項(xiàng)目的制冷主機(jī)，板式換熱器，二次側(cè)水泵及連接件等承壓控制在1.6 MPa，一次側(cè)水泵及連接件控制在2.0 MPa，風(fēng)機(jī)盤管，新風(fēng)機(jī)組及配件承壓控制在1.6 MPa，冷凍水系統(tǒng)僅經(jīng)過一次換熱，換熱系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)化。

8#樓超高層辦公樓制冷組機(jī)房位于地下1層，建筑標(biāo)高-5.6 m，16層避難層建筑標(biāo)高67.8 m，32層避難層建筑標(biāo)高135.6 m，屋面建筑標(biāo)高199.95 m。根據(jù)以上情況綜合考慮，將8#樓空調(diào)水系統(tǒng)豎向分為高、低2個(gè)區(qū)。其中地下1層至32層為低區(qū)，冷凍水系統(tǒng)直接由地下1層制冷機(jī)房提供。33層至47層為高區(qū)，在32層避難層設(shè)置換熱機(jī)房，冷凍水由低區(qū)供至高區(qū)一次側(cè)板式換熱器換熱后供高區(qū)空調(diào)末端系統(tǒng)使用。

32層至地下1層為低區(qū)系統(tǒng)，低區(qū)膨脹水箱設(shè)置33層，定壓點(diǎn)設(shè)在制冷機(jī)房集水器上。低區(qū)系統(tǒng)靜水壓力為147 m，一次側(cè)冷凍水泵揚(yáng)程為34 m，因此低區(qū)系統(tǒng)最大工作壓力為1.81 MPa。一次側(cè)冷凍水泵采用從制冷主機(jī)吸出的方式，以減少制冷主機(jī)及水泵承壓，降低設(shè)備初投資。

47層至33層為高區(qū)系統(tǒng)，高區(qū)膨脹水箱設(shè)置在屋面層設(shè)備機(jī)房?jī)?nèi)，定壓點(diǎn)設(shè)在32層換熱機(jī)房集水器上，高區(qū)系統(tǒng)靜水壓力為74 m，二次側(cè)冷凍水泵揚(yáng)程為32 m，因此高區(qū)系統(tǒng)最大工作壓力為1.06 MPa。二次側(cè)冷凍水泵采用從板式換熱器吸出的方式，以減少板式換熱器及水泵的承壓，降低設(shè)備初投資。

供熱水系統(tǒng)分區(qū)與冷凍水系統(tǒng)分區(qū)相適應(yīng)，在地下一層鍋爐房采用燃?xì)鉄崴仩t供熱，通過鍋爐房及32層避難層的板式換熱器換熱后分別供至系統(tǒng)的低區(qū)和高區(qū)。熱水系統(tǒng)及冷水系統(tǒng)通過分水器上的閥門切換實(shí)現(xiàn)冬夏工況轉(zhuǎn)換。

4 空調(diào)末端系統(tǒng)

4.1 風(fēng)機(jī)盤管

超高層辦公樓通常都會(huì)采用大溫差小流量的冷凍水系統(tǒng)。因?yàn)榇鬁夭钚×髁肯到y(tǒng)有著可以減少空調(diào)冷凍水輸送量，降低水泵能耗，減少水系統(tǒng)管材和設(shè)備的初投資等優(yōu)點(diǎn)。但加大冷凍水供回水溫差會(huì)對(duì)末端設(shè)備換熱能力產(chǎn)生一定的影響。因此需要采用合適的供回水溫差，將影響控制在合理的范圍內(nèi)。

對(duì)于相同的進(jìn)水溫度，隨著供回水溫差不斷增大，風(fēng)機(jī)盤管機(jī)組的實(shí)際供冷量逐漸減小。在相同的供回水溫差下，隨著冷凍水溫度的降低，風(fēng)機(jī)盤管機(jī)組的平均供冷量呈現(xiàn)不斷增大的趨勢(shì)[4]。本項(xiàng)目低區(qū)采用6 ℃供水，13 ℃回水，7 ℃溫差的冷凍水系統(tǒng)，二次側(cè)高區(qū)采用7 ℃供水，14 ℃回水，7 ℃溫差的冷凍水系統(tǒng)。根據(jù)某企業(yè)的風(fēng)機(jī)盤管選型軟件計(jì)算，得出風(fēng)機(jī)盤管在不同溫差下的換熱特性如表3所示。

表3 風(fēng)機(jī)盤管在不同溫差下的換熱特性

從表3中數(shù)據(jù)可以看出，隨著供回水溫差加大，供水溫度升高，各型號(hào)風(fēng)機(jī)盤管換熱能力呈下降趨勢(shì)。導(dǎo)致這一結(jié)果的原因是因?yàn)殡S著溫差加大，水流量相應(yīng)減少，導(dǎo)致盤管表冷器管束內(nèi)流速降低，換熱能力下降，從而制冷量減少。各型號(hào)風(fēng)機(jī)盤管大溫差工況與標(biāo)準(zhǔn)工況制冷量下降百分比如表4所示。

表4 風(fēng)機(jī)盤管大溫差工況與標(biāo)準(zhǔn)工況制冷量下降百分比

從表4中數(shù)據(jù)可以看出，低區(qū)采用6 ℃供水，13 ℃回水，7 ℃溫差下風(fēng)機(jī)盤管機(jī)組制冷量降幅在7.7%～15.1%之間。高區(qū)采用7 ℃供水，14 ℃回水，7 ℃溫差下風(fēng)機(jī)盤管機(jī)組制冷量降幅在17.2%～25.2%之間。高區(qū)風(fēng)機(jī)盤管制冷量降幅更為顯著。因此在超高層空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用大溫差小流量的空調(diào)冷凍水系統(tǒng)，風(fēng)機(jī)盤管非標(biāo)況的制冷量應(yīng)采用適當(dāng)?shù)男拚禂?shù)或由企業(yè)提供的選型計(jì)算軟件計(jì)算出非標(biāo)況下的實(shí)際制冷量，再根據(jù)各房間的計(jì)算冷負(fù)荷進(jìn)行選型。不能采用標(biāo)準(zhǔn)工況下的制冷量進(jìn)行選型，否則會(huì)造成比較大的誤差，導(dǎo)致房間制冷量不足，達(dá)不到設(shè)計(jì)的要求。

4.2 新風(fēng)機(jī)組

為保證本項(xiàng)目建筑外立面玻璃幕墻效果，新/排風(fēng)系統(tǒng)的熱回收新風(fēng)機(jī)組分別設(shè)置在16、32層避難層及屋面機(jī)房層，每個(gè)區(qū)域設(shè)置2臺(tái)，每臺(tái)熱回收新風(fēng)機(jī)組處理風(fēng)量為45000 m3/h。采用豎向管井經(jīng)各層水平干管引至各辦公房間。為適當(dāng)增大有效的送風(fēng)范圍，避難層的機(jī)組采取向上下層區(qū)域同時(shí)送風(fēng)的方式，每組全熱回收機(jī)組豎向送風(fēng)范圍為13～15層。設(shè)在16層避難層的機(jī)組負(fù)擔(dān)2～18層。設(shè)在32層避難層的機(jī)組負(fù)擔(dān)19～34層。設(shè)在屋面機(jī)房層的機(jī)組負(fù)擔(dān)35～47層。具體設(shè)置如圖2所示。

圖2 各層熱回收新風(fēng)機(jī)組豎向分區(qū)系統(tǒng)圖

各層水平回風(fēng)管通過排風(fēng)豎井將室內(nèi)回風(fēng)匯總至各機(jī)房熱回收新風(fēng)機(jī)組，與從室外引入的新風(fēng)通過機(jī)組換熱管進(jìn)行充分的熱交換后（顯熱交換效率達(dá)60%）排出室外。熱交換的新風(fēng)再表冷器降溫除濕處理，經(jīng)送風(fēng)豎井由各層水平送風(fēng)管送入各辦公區(qū)。各層送回風(fēng)干管上設(shè)電動(dòng)風(fēng)量調(diào)節(jié)閥，根據(jù)各層實(shí)際使用情況啟閉，熱交換新風(fēng)機(jī)組內(nèi)設(shè)二氧化碳濃度傳感器，通過實(shí)時(shí)的二氧化碳濃度及各樓層投入使用情況進(jìn)行變風(fēng)量調(diào)節(jié)，按需控制新風(fēng)量供應(yīng)，減少新風(fēng)負(fù)荷，降低運(yùn)行能耗。

5 結(jié)論

1）超高層建筑空調(diào)水系統(tǒng)分區(qū)設(shè)計(jì)要綜合考慮使用安全，運(yùn)行節(jié)能和管理方便等因素，并結(jié)合建筑避難層的設(shè)置情況，保證空調(diào)制冷主機(jī)，水泵，板式換熱器，末端設(shè)備及管件在合理的承壓范圍內(nèi)。

2）大溫差小流量冷凍水系統(tǒng)，要根據(jù)實(shí)際供回水溫差及供水溫度，對(duì)非標(biāo)準(zhǔn)工況下的風(fēng)機(jī)盤管等末端設(shè)備制冷量修正后再進(jìn)行設(shè)備選型。

3）為保證建筑外立面玻璃幕墻整體效果并實(shí)現(xiàn)能量回收，節(jié)能減排，超高層建筑新/排風(fēng)系統(tǒng)宜采用熱回收新風(fēng)機(jī)組，并結(jié)合避難層機(jī)房豎向分區(qū)設(shè)置。