淺談廣州某超高層建筑空調(diào)水系統(tǒng)分區(qū)設(shè)計(jì)

許 穗 民 ， 劉 坡 軍 ， 張 斯 雅

（1.廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東省廣州市 510010；2.廣東省制冷學(xué)會(huì)，廣東省廣州市 510080）

隨著技術(shù)進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，超高層建筑如雨后春筍般拔地而起。為了與項(xiàng)目的定位匹配，超高層建筑一般都采用冷凍水系統(tǒng)。而整幢建筑物的空調(diào)容量大，各房間功能迥異，使用規(guī)律與負(fù)荷特點(diǎn)差別很大，空調(diào)水系統(tǒng)豎向合理分區(qū)，一直都是暖通空調(diào)設(shè)計(jì)師的挑戰(zhàn)?？照{(diào)水系統(tǒng)豎向分區(qū)是否合理，是暖通設(shè)計(jì)一個(gè)非常關(guān)鍵和重要的環(huán)節(jié)，對(duì)整個(gè)項(xiàng)目空調(diào)水系統(tǒng)方案確定，起著決定性的作用。本文以作者的實(shí)際工程案例，對(duì)超高層建筑空調(diào)水系統(tǒng)豎向分區(qū)三種常見(jiàn)方法［2，8-11］，對(duì)各形式水壓分布和設(shè)備承壓情況分析比較，再根據(jù)功能房間使用需求，而確定采用水冷與風(fēng)冷相結(jié)合的空調(diào)系統(tǒng)方案。

1 目前空調(diào)系統(tǒng)主要設(shè)備和管道系統(tǒng)的承壓

保證設(shè)備在實(shí)際運(yùn)行時(shí)的工作壓力不超過(guò)其額定工作壓力，是系統(tǒng)安全運(yùn)行的必須要求［1］。充分利用設(shè)備和管道系統(tǒng)承壓能力，是確定豎向分區(qū)方案的前提條件。

1.1 設(shè)備承壓［2］

（1）冷水機(jī)組：1.6、2.0 MPa

（2）空調(diào)機(jī)組、風(fēng)機(jī)盤(pán)管機(jī)組：1.6 MPa

（3）板式換熱器：1.6、2.0、2.5 MPa

（4）手動(dòng)、電動(dòng)閥門(mén)：1.6、2.0、2.5、4.0 MPa

1.2 管道系統(tǒng)承壓

根據(jù)文獻(xiàn)［3］調(diào)研結(jié)論，

（1）薄壁不銹鋼管道最大承壓不能超過(guò)1.6 MPa，鋼塑復(fù)合管、銅管最大工作壓力不超過(guò)2.5 MPa。當(dāng)系統(tǒng)工作壓力≤1.6 MPa時(shí)，可采用焊接鋼管，當(dāng)系統(tǒng)工作壓力大于1.6MPa時(shí)，宜采用無(wú)縫鋼管。

（2）管道連接方式的承壓

卡壓、卡套連接最大承壓不超過(guò)1.6 MPa；螺紋連接最大承壓不超過(guò)1.6 MPa；溝槽連接采用螺紋式機(jī)械三通時(shí)其最大承壓為1.6MPa，不采用螺紋式三通時(shí)最大承壓為2.5 MPa；螺紋法蘭連接最大承壓為1.6 MPa，普通焊接法蘭連接最大承壓為2.5 MPa，特殊工藝的法蘭可以達(dá)到4.0 MPa，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）空調(diào)水系統(tǒng)的其它附件（如水處理設(shè)備、過(guò)濾器、軟接等）的承壓應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)工作壓力選取。

2 超高層空調(diào)水系統(tǒng)豎向分區(qū)常見(jiàn)方案

在充分利用設(shè)備和管道系統(tǒng)承壓能力的前提下，常采用①冷水機(jī)組統(tǒng)一設(shè)置在地下室機(jī)房，采用高承壓管道和設(shè)備；②設(shè)置板式水-水換熱器豎向分區(qū)；③冷水機(jī)組上樓分段設(shè)置空調(diào)系統(tǒng)的方式來(lái)進(jìn)行豎向分區(qū)。

（1）冷水機(jī)組統(tǒng)一設(shè)置在地下室機(jī)房，采用高承壓管道和設(shè)備系統(tǒng)方案。該方案系統(tǒng)的工作壓力較高，設(shè)備和管道系統(tǒng)選用和安裝工藝要求嚴(yán)格。但此方案冷水機(jī)組集中設(shè)于地下制冷機(jī)房?jī)?nèi)，噪聲和振動(dòng)的問(wèn)題容易處理，安裝方便，冷水機(jī)組可綜合全樓能耗進(jìn)行集中控制，綜合能效比高。沒(méi)有中間換熱設(shè)備和分區(qū)循環(huán)泵，冷水溫度和末端設(shè)備的換熱面積不變，運(yùn)行能耗降低，能源利用效率提高。一次水循環(huán)系統(tǒng)可減少管路及設(shè)備投資，系統(tǒng)簡(jiǎn)單，運(yùn)行管理簡(jiǎn)單。

（2）設(shè)置板式換熱器豎向分區(qū)方案，低區(qū)采用水冷冷水機(jī)組直接供冷，高區(qū)采用經(jīng)中間換熱設(shè)備換熱后的二次水。根據(jù)文獻(xiàn)［4］的措施要求，高、低區(qū)采用同一冷熱源，在中間設(shè)備層內(nèi)布置水－水換熱器供高區(qū)使用，應(yīng)符合下列要求：

1）高區(qū)二次空調(diào)冷水供水水溫宜高于一次水供水水溫1～1.5℃；

2）高區(qū)二次空調(diào)熱水供水水溫宜低于一次水水溫2～3℃。

該方案可將設(shè)備和管道系統(tǒng)承壓控制在1.6MPa以內(nèi)，但因二次水溫升高，經(jīng)過(guò)一級(jí)板式換熱器，冷源的供冷效率降低20%，在相同負(fù)荷的情況下，高區(qū)末端設(shè)備表冷器面積增大20%，不僅降低能源利用效率，系統(tǒng)還增加了高區(qū)循環(huán)泵，運(yùn)行管理相對(duì)復(fù)雜。

（3）冷水機(jī)組上樓分段設(shè)置空調(diào)系統(tǒng)的方式即高、低區(qū)分別設(shè)置獨(dú)立的冷水機(jī)組，互不影響，不存在因換熱造成的能量損失。根據(jù)文獻(xiàn)［4］的措施要求，高區(qū)冷熱源設(shè)備布置在中間設(shè)備層或頂層樓板上時(shí)，應(yīng)妥善解決設(shè)備的消聲、隔振問(wèn)題以及對(duì)設(shè)備層凈高、結(jié)構(gòu)的荷載要求。

作者將本超高層采用冷水系統(tǒng)作為初步方案，進(jìn)行水壓計(jì)算、分析和比較，來(lái)確定設(shè)備和管道系統(tǒng)承壓能力，以充分利用其承壓能力，且分區(qū)次數(shù)盡量少為基本原則，最終確定舒適安全的空調(diào)水系統(tǒng)方案。

3 設(shè)備承壓與系統(tǒng)高度的關(guān)系

3.1 水壓計(jì)算與分析［5-7］

如圖1常見(jiàn)水系統(tǒng)示意圖中A點(diǎn)為系統(tǒng)最低點(diǎn)，其中水箱到A的的高度為h0（管路最低處?kù)o水壓力），水泵楊程為hp。

圖1 方案一 水泵壓入制冷主機(jī)

圖2 方案二水泵吸出制冷主機(jī)

圖3 方案三水泵吸出制冷主機(jī)

當(dāng)系統(tǒng)停止運(yùn)行時(shí)，A 點(diǎn)壓力為系統(tǒng)靜水壓力：

當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)瞬間，由于動(dòng)壓尚未形成時(shí)，A點(diǎn)水壓為系統(tǒng)靜壓與水泵全壓之和：

當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，水泵出口壓力為系統(tǒng)靜壓與系統(tǒng)總阻力之和：

當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)瞬間，由于動(dòng)壓尚未形成時(shí)，管路中任意位置D點(diǎn)水壓為系統(tǒng)D點(diǎn)位置處?kù)o壓與水泵全壓之和：

式中

HA— 系統(tǒng)靜水壓力，m H2O；

h0—管路最低處?kù)o水壓力，m H2O；

hd— 管路任意位置D 點(diǎn)處?kù)o水壓力，m H2O；

hp— 水泵壓頭，m H2O；

△hDA— 管路任意位置D 點(diǎn)～A點(diǎn)阻力損失（小于水泵壓頭），m H2O。

表1 各方案壓力情況

由于系統(tǒng)啟動(dòng)瞬間，各點(diǎn)水壓為系統(tǒng)靜壓與水泵全壓之和減去△hDA， 為最大值，因此系統(tǒng)任意位置處設(shè)備和管道及輔材耐壓等級(jí)應(yīng)按照其所在位置處的靜壓與水泵全壓之和減去△hDA確定。

3.2設(shè)備承壓

系統(tǒng)任意位置處設(shè)備和管道及輔材的承壓應(yīng)不小于其所在位置處的靜壓與水泵全壓之和。即

式中

P—設(shè)備承壓，Pa；

Pd— 管路最低處?kù)o水壓力，Pa；

Pp—水泵壓頭，Pa。

4 案例分析

4.1 建筑概況

廣州某總部基地項(xiàng)目， 建筑面積約192960m2，地下三層，地上裙樓三層，二座塔樓分為A塔樓和B塔樓，A塔樓三十六層，頂標(biāo)高+149.95m， B塔樓樓三十二層， 屋面標(biāo)高+128.85m。其中：

（1）地下一～三層主要功能汽車(chē)庫(kù)和設(shè)備配套用房，其中制冷機(jī)房設(shè)置在地下二層；

（2）裙樓首層～三層主要功能為A,B座大堂、餐飲用房和商場(chǎng)等；裙樓四層做空調(diào)機(jī)房、避難層等；

（3）A塔樓：五～三十三層為出租辦公用房，三十四～三十六層為該公司內(nèi)部辦公用房；

（4）B塔樓：五層～三十四層作辦公用房等；

（5）A塔樓和B塔樓二十一層作避難層，A塔樓十二層局部做避難區(qū)；

（6）擬采用空調(diào)冷水系統(tǒng)，僅夏天供冷。

4.2 水壓力特性

對(duì)高度較高的A塔樓作方案選定，且其空調(diào)水系統(tǒng)擬采用設(shè)計(jì)揚(yáng)程為36.0m的冷凍水循環(huán)泵, 高位膨脹水箱定壓標(biāo)高為 +(149.95+2.00)m

擬采用冷水機(jī)組設(shè)置于二層地下制冷機(jī)房高承壓設(shè)備和管道系統(tǒng)，不做豎向分區(qū)。

根據(jù)公式（5），可得

當(dāng)冷水機(jī)組進(jìn)水口側(cè)承受的壓力大于所選冷水機(jī)組蒸發(fā)器的承壓能力，但系統(tǒng)靜水壓力在冷水機(jī)組蒸發(fā)器承壓能力以內(nèi)，且末端空調(diào)設(shè)備和管件、管路等能夠承受系統(tǒng)壓力時(shí)，可將水泵安裝在冷水機(jī)組蒸發(fā)器的出水口側(cè)（水泵抽吸式），水系統(tǒng)豎向可不分區(qū)。［4］

計(jì)算結(jié)果顯示，該項(xiàng)目空調(diào)水系統(tǒng)采用方案二（圖2）的定壓方式，即水泵吸入側(cè)與冷機(jī)組相連，定壓點(diǎn)在水泵吸入口前，豎向不分區(qū)。

4.3 該項(xiàng)目AB兩塔樓空調(diào)系統(tǒng)最終設(shè)計(jì)方案

（1）客戶對(duì)功能房間提出新的需求

1）對(duì)于A塔樓三十四～三十六層自用辦公區(qū)域?qū)崿F(xiàn)夏天供冷冬天供暖；

2）空調(diào)系統(tǒng)獨(dú)立于其他樓層，實(shí)現(xiàn)24小時(shí)不定時(shí)的供冷或供熱；

3）裙房商業(yè)、出租辦公需進(jìn)行計(jì)量管理。

（2）根據(jù)以上要求，結(jié)合該項(xiàng)目的使用功能，采用風(fēng)冷水冷搭配的中央空調(diào)系統(tǒng)。

1）風(fēng)冷部分：AB座一～三層電梯廳設(shè)置商用分體空調(diào)系統(tǒng)。A塔樓三十四～三十六層自用辦公區(qū)域設(shè)置多聯(lián)式中央空調(diào)系統(tǒng)，室外機(jī)設(shè)置在A塔屋面。

2）水冷部分：分別于裙房商業(yè)部分，A座塔樓五～三十三層出租辦公用房部分，B座塔樓部分設(shè)置三套獨(dú)立的水冷中央空調(diào)系統(tǒng)，制冷機(jī)房設(shè)置在地下二層，冷卻塔放置在裙房屋面；AB座塔樓首、二層大堂空調(diào)設(shè)置全空氣系統(tǒng)，全空氣處理機(jī)組設(shè)置在裙樓四層空調(diào)機(jī)房，送回風(fēng)管通過(guò)豎向管井送至對(duì)應(yīng)大堂。

制冷主機(jī)房設(shè)于地下二層（標(biāo)高-11.2m），制冷工況冷凍水設(shè)計(jì)供/回水溫度7/12℃，冷卻水設(shè)計(jì)供/回水溫度為32/37℃，冷卻水泵、冷凍水泵與制冷主機(jī)一一對(duì)應(yīng)設(shè)置。冷凍水泵設(shè)于地下二層制冷機(jī)房?jī)?nèi)（標(biāo)高-11.2m），設(shè)計(jì)揚(yáng)程36.0m?？照{(diào)末端采用風(fēng)機(jī)盤(pán)管加新風(fēng)系統(tǒng)。

（3）以A塔樓五～三十三層出租辦公用房部分的空調(diào)水系統(tǒng)為例再次進(jìn)行校驗(yàn)。

地下二層制冷機(jī)房標(biāo)高為-11.2m，系統(tǒng)最低末端設(shè)備位于裙樓四層空調(diào)機(jī)房，標(biāo)高為+16.00m，系統(tǒng)最高末端設(shè)備位于33層，末端標(biāo)高136.80m，高位膨脹水箱定壓（標(biāo)高為+139.00m），定壓接入點(diǎn)為制冷機(jī)房?jī)?nèi)的水泵吸入口處，A塔空調(diào)豎向水系統(tǒng)示意圖，見(jiàn)圖4。

圖4 A塔空調(diào)豎向水系統(tǒng)示意圖

對(duì)于A點(diǎn)，地下二層水泵出口側(cè)設(shè)備承壓：

對(duì)于B點(diǎn)，四層設(shè)備承壓：

對(duì)于C點(diǎn)，十九層設(shè)備承壓：

對(duì)于地下二層水泵入口側(cè)設(shè)備（制冷主機(jī)）承壓：

因此，A點(diǎn)～B點(diǎn)僅制冷機(jī)房間的設(shè)備，管道及輔材的承壓選用2.0 MPa等級(jí)；B點(diǎn)～C點(diǎn)四層至十八層區(qū)間的設(shè)備，管道及輔材的承壓選用1.6 MPa等級(jí)；C點(diǎn)十九層～頂層區(qū)間的設(shè)備，管道及輔材的承壓選用1.0MPa。A塔樓五～三十三層出租辦公用房部分的空調(diào)水系統(tǒng)工作壓力滿足設(shè)備和管道系統(tǒng)的承壓能力。

5 結(jié)論

（1）參與超高層項(xiàng)目空調(diào)水系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，務(wù)必掌握設(shè)備和管道系統(tǒng)的承壓能力；

（2）務(wù)必先對(duì)空調(diào)水系統(tǒng)進(jìn)行最大工作壓力的計(jì)算；

（3）結(jié)合現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范和技術(shù)措施的規(guī)定，工作壓力控制在2.0Mpa以內(nèi)為前提，進(jìn)行分區(qū)方案對(duì)比；

（4）應(yīng)盡量用足一次水可能達(dá)到的高度，避免分區(qū)，也是一項(xiàng)節(jié)能措施。

（5）空調(diào)水系統(tǒng)設(shè)計(jì)發(fā)生變更后，務(wù)必再進(jìn)行水壓驗(yàn)算，并將不同的工作壓力于水系統(tǒng)圖標(biāo)注清楚。