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      超高層建筑項目暖通空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計分析

      2022-12-15 05:18:38
      四川水泥 2022年12期
      關(guān)鍵詞:暖通空調(diào)負(fù)荷

      常 珠

      (山西工程科技職業(yè)大學(xué),山西 晉中 030619)

      0 引言

      超高層建筑因具有土地資源利用率高的特點而在現(xiàn)代建筑行業(yè)中占據(jù)較大的比重,暖通空調(diào)屬于其不可或缺的設(shè)施,在調(diào)節(jié)建筑室內(nèi)溫度、濕度等方面均有重要作用。在發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)的當(dāng)下,超高層建筑項目暖通空調(diào)系統(tǒng)需兼顧暖通空調(diào)功能的有效性和與節(jié)能環(huán)保相關(guān)的多項要求。因此,深入探討暖通空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計方法極具必要性[1-2]。

      某超高層建筑項目地下3層、地上51層,建筑高度為232m,建筑面積約為13.5萬m2。地下3層作為設(shè)備用房及地下車庫,地上首層為大堂,2~4層為商業(yè)和餐廳,剩余各層均定位為辦公區(qū)。本文就該超高層建筑項目暖通空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計進(jìn)行分析。

      1 超高層建筑暖通空調(diào)設(shè)計原則

      1.1 可行性原則

      超高層建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計方案必須具有可行性,在此前提下,根據(jù)方案開展暖通空調(diào)的各項施工活動。設(shè)計人員在設(shè)計工作中需綜合考慮暖通空調(diào)的運行特性、建筑對其的要求、現(xiàn)場運行環(huán)境等,以統(tǒng)籌兼顧的理念進(jìn)行設(shè)計。除了溫、濕度調(diào)節(jié)功能的有效性外,還需控制暖通空調(diào)運行時的能源消耗,以免引起資源浪費、環(huán)境污染問題。因此,為保證暖通空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計的可行性,功能有效性和節(jié)能環(huán)保特性必須成為設(shè)計中的重點。

      1.2 可調(diào)節(jié)性原則

      不同季節(jié)的環(huán)境溫度不同,用戶對暖通空調(diào)溫度的要求也隨著季節(jié)的變化而改變,設(shè)計人員需關(guān)注此特點,賦予暖通空調(diào)可調(diào)節(jié)的特性,以滿足特定季節(jié)的溫度調(diào)節(jié)需求。環(huán)境因素對超高層建筑暖通空調(diào)的使用有明顯的影響,因此設(shè)計人員需考慮環(huán)境因素的影響機(jī)制,提高暖通空調(diào)的荷載能力,避免由于外部因素的作用而出現(xiàn)暖通空調(diào)無法正常運轉(zhuǎn)的情況。

      1.3 實用性

      暖通入口是實用性設(shè)計的重點,例如設(shè)施的安裝需符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,溫度計等輔助設(shè)施必須配置到位,加強(qiáng)對暖通空調(diào)設(shè)備運行狀態(tài)的檢查。除了前期的有效建設(shè)外,后續(xù)暖通空調(diào)的運行維護(hù)需具備便捷的條件,需妥善設(shè)置室外暖通空調(diào)設(shè)備的接口,提供充足的空間用于檢查和維修。

      2 空調(diào)負(fù)荷計算關(guān)鍵參數(shù)的修正

      2.1 超高層建筑主要功能區(qū)的室內(nèi)設(shè)計參數(shù)

      超高層建筑主要功能區(qū)的室內(nèi)設(shè)計參數(shù)(見表1)是空調(diào)負(fù)荷計算的基礎(chǔ)。

      表1 主要功能區(qū)室內(nèi)設(shè)計參數(shù)

      2.2 空調(diào)負(fù)荷計算關(guān)鍵參數(shù)的修正

      太陽輻射強(qiáng)度、風(fēng)速等因素對超高層建筑產(chǎn)生明顯的影響,在暖通空調(diào)負(fù)荷計算時需密切關(guān)注此類因素并予以控制。為使暖通空調(diào)冷、熱負(fù)荷計算結(jié)果準(zhǔn)確可靠,在設(shè)計階段應(yīng)加強(qiáng)對關(guān)鍵參數(shù)的修正,具體如下:

      (1)對太陽輻射強(qiáng)度影響的修正。根據(jù)規(guī)律,太陽輻射強(qiáng)度隨著建筑高度的增加而增強(qiáng)。在該超高層建筑項目中,采用玻璃幕墻外圍結(jié)構(gòu),直接受到太陽輻射作用,考慮到此特點,按照如下思路開展負(fù)荷計算:北側(cè)房間,冬季空調(diào)負(fù)荷增加10%;西側(cè)房間,夏季空調(diào)負(fù)荷增加10%,冬季減少5%;不考慮外遮陽的影響。

      (2)對室外風(fēng)速影響的修正。風(fēng)速的高低主要影響到建筑外表面放熱系數(shù),隨著建筑高度的增加,室外風(fēng)速遞增,產(chǎn)生強(qiáng)烈的旋渦氣流,在此影響下外圍護(hù)的外表面放熱系數(shù)提高。在該超高層建筑項目中,進(jìn)行冬季熱負(fù)荷計算時,以15層依次劃分出多個區(qū)域,各區(qū)域的結(jié)構(gòu)外表面放熱系數(shù)遞增5%,以此進(jìn)行冬季熱負(fù)荷的計算;夏季冷負(fù)荷計算時,暫不考慮風(fēng)速的作用。

      (3)對熱壓影響的修正。冬季,超高層建筑存在“熱壓”作用,室內(nèi)持續(xù)接收源自于室外的冷空氣,冷空氣下沉后迫使底層區(qū)域的溫度受到影響。出于控制室外冷空氣滲入量、改善室內(nèi)環(huán)境品質(zhì)的目的,按照如下思路設(shè)計:在首層大堂設(shè)地板輻射供暖系統(tǒng);優(yōu)化通向樓梯間的門,較為適宜的是彈簧門;首層出入口采用旋轉(zhuǎn)門。

      (4)對冬季室外計算溫度的修正。室外計算溫度隨建筑高度的增加做靈活的優(yōu)化,該超高層建筑項目中,最大高度為232m,在此建筑高度下冬季室外計算溫度降低約1~1.5℃(按照每升高100m,溫度降低約1℃考慮),雖然溫度存在變化但對計算結(jié)果無明顯的影響。需注意的是,對于高度更高的建筑,則冬季室外計算溫度應(yīng)大幅度降低,在設(shè)計中需充分關(guān)注此特點。

      3 暖通空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計

      3.1 空調(diào)水系統(tǒng)分區(qū)設(shè)計

      根據(jù)工作壓力對空調(diào)水系統(tǒng)分區(qū),設(shè)備和管材所承受的水靜壓隨著建筑高度的增加而增強(qiáng),若工作壓力等級在2.0MPa以上,對設(shè)備和管材的穩(wěn)定性要求有所提高,需在材料升級、結(jié)構(gòu)形式優(yōu)化等方面投入更多的成本。

      在該項目中,沿豎向?qū)⒖照{(diào)水系統(tǒng)劃分為低區(qū)、中區(qū)、高區(qū)三個部分,各自對應(yīng)的樓層為地下2~22層、23~37層、38層至屋頂層,各區(qū)的空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備承壓均按1.6MPa考慮,高區(qū)空調(diào)系統(tǒng)換熱設(shè)備承壓取1.8MPa,確保各分區(qū)的任何設(shè)施所承受的壓力均低于2.0MPa,以免出現(xiàn)異常。于22層避難層設(shè)中、高區(qū)換熱站,此層不可出售,因此適宜作為換熱站的布設(shè)場所,此分區(qū)方式不會對項目的經(jīng)濟(jì)效益造成不良影響。

      高區(qū)空調(diào)系統(tǒng)運行中可能存在二次供水溫度偏高的問題,為予以規(guī)避,在22層(避難層)設(shè)高區(qū)空調(diào)系統(tǒng)的換熱設(shè)備,具體思路為:

      (1)低區(qū)由制冷機(jī)房提供回水溫度為5.55℃/11.5℃的冷凍水,冷凍水供回水系統(tǒng)采用65℃溫差。

      (2)冷凍水一次水在換熱機(jī)組換熱,提供冷凍水二次水。

      在該設(shè)計方式下,高區(qū)換熱器的一次水來源可靠,無需采用中區(qū)換熱器提供的二次水,確保高區(qū)空調(diào)冷凍水的低溫具有合理性。從冷水機(jī)組制冷效率的角度來看,5.5℃的供水溫度對此項指標(biāo)的影響微乎其微。

      3.2 防排煙系統(tǒng)的設(shè)計

      高層建筑的容納能力強(qiáng),人員相對集中,遇火災(zāi)事故后,面臨著疏散距離遠(yuǎn)、疏散難度大、火勢撲滅條件差等問題。為保證超高層建筑的安全和內(nèi)部人員的人身財產(chǎn)安全,需加強(qiáng)防排煙系統(tǒng)的設(shè)計。根據(jù)煙氣侵害的程度,將高層建筑劃分為辦公區(qū)、走道、前室和合用前室、避難層和防煙樓梯間,共形成4個安全區(qū)。經(jīng)過對高層建筑內(nèi)部空間的劃分后,進(jìn)一步設(shè)計防排煙系統(tǒng)。

      (1)排煙系統(tǒng)。在辦公區(qū)及走道布設(shè)機(jī)械排煙系統(tǒng)(見圖1),室外排煙風(fēng)口朝向西側(cè)或南側(cè),即朝向西南主導(dǎo)風(fēng)向(東北風(fēng))的下風(fēng)向或平行,促進(jìn)建筑內(nèi)部煙霧的高效外排。

      圖1 機(jī)械排煙系統(tǒng)示意圖

      (2)防煙系統(tǒng)。前室和合用前室的獨立機(jī)械加壓送風(fēng)系統(tǒng)余壓值取25Pa,防煙樓梯間、避難層的余壓值分別為40Pa、30Pa。設(shè)計中考慮到樓梯間正壓值異常波動、自垂式百葉風(fēng)口送風(fēng)量不均等問題,在百葉風(fēng)口的位置增設(shè)風(fēng)量調(diào)節(jié)閥,自適應(yīng)現(xiàn)場環(huán)境,動態(tài)調(diào)節(jié)風(fēng)量;同時,在加壓風(fēng)機(jī)的出口設(shè)風(fēng)量調(diào)節(jié)閥和止回閥,借助此類裝置調(diào)節(jié)系統(tǒng)風(fēng)量和風(fēng)壓。

      3.3 空調(diào)通風(fēng)控制系統(tǒng)的設(shè)計

      3.3.1 冷水機(jī)組和空調(diào)水系統(tǒng)的自動控制

      (1)為冷凍機(jī)房采取雙重控制措施,以機(jī)房就地控制為核心,在此基礎(chǔ)上搭配中央室監(jiān)控的方法,以便強(qiáng)化控制效果。冷水機(jī)組、冷卻水泵、冷水泵及冷卻塔四類裝置連鎖運行。

      (2)在獲取供回水總管的溫度和流量信號后,由空調(diào)自動控制系統(tǒng)計算空調(diào)負(fù)荷,根據(jù)計算結(jié)果調(diào)控冷水機(jī)組及空調(diào)水泵的數(shù)量,期間全面記錄各冷水機(jī)組、空調(diào)水泵的運行起止時間以及具體時長,根據(jù)設(shè)施的運行特性采取輪時啟動功能,合理調(diào)用冷水機(jī)組和空調(diào)水泵,適時提供優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。

      (3)冷水機(jī)組配置工作中,在蒸發(fā)器出水管處設(shè)水流開關(guān),運行中存在水流量降低(達(dá)到整定值)或管道水不再繼續(xù)流動的情況時,主機(jī)自動停止運行。

      (4)空調(diào)水系統(tǒng)的設(shè)計考慮到運行穩(wěn)定、功能可靠、檢修便捷等多項要求,選擇二次泵變流量系統(tǒng)。在供回水總管間設(shè)平衡閥,以水環(huán)路供回水管的壓差為參考,根據(jù)最新的動態(tài)情況進(jìn)行變頻調(diào)節(jié),全過程中設(shè)施的運行狀態(tài)有效契合于當(dāng)前的環(huán)境,一方面保證空調(diào)水系統(tǒng)的功能達(dá)到用戶使用要求,另一方面減少空調(diào)水系統(tǒng)運行時不必要的能源消耗,達(dá)到良好的生態(tài)環(huán)境效益。

      3.3.2 空調(diào)處理裝置和空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)的自動控制

      (1)中央控制作為空氣、新風(fēng)處理機(jī)的主要控制方式,為提升控制的可靠性,輔以就地控制的方法。機(jī)組與送風(fēng)機(jī)連鎖,將動態(tài)平衡閥安裝在表冷器出水管處,根據(jù)當(dāng)前運行狀態(tài)動態(tài)調(diào)節(jié)水流量,以此實現(xiàn)對送風(fēng)溫度的精細(xì)化控制。

      (2)公共場所的暖通空調(diào)系統(tǒng)中配置了風(fēng)機(jī)盤管,此設(shè)施的控制采取中央控制機(jī)制,除此之外的其他風(fēng)機(jī)盤管均為就地控制??刂葡到y(tǒng)的設(shè)計需考慮控制及時性、精準(zhǔn)性的要求,配置溫控器、三速開關(guān)及電動二通閥,在彼此間建立起協(xié)作機(jī)制。例如,溫度傳感器檢測的信號由溫控器執(zhí)行分析,判斷與設(shè)定溫度的差值,根據(jù)偏差程度輸出電壓信號,在信號的指揮下做出電動二通閥的動作,水流量隨之發(fā)生變化,從而實現(xiàn)對室內(nèi)溫度、出風(fēng)風(fēng)速的動態(tài)調(diào)節(jié)。

      (3)為獲取新風(fēng)溫濕度、CO2濃度等與建筑室內(nèi)環(huán)境品質(zhì)有關(guān)的關(guān)鍵參數(shù),配置溫濕度傳感器、CO2探測器,用于測定具體指標(biāo),根據(jù)實測結(jié)果與暖通空調(diào)系統(tǒng)的運行要求做對比分析,動態(tài)調(diào)節(jié)新風(fēng)閥、排風(fēng)閥、回風(fēng)閥的開度,經(jīng)過對多類閥門裝置的調(diào)節(jié)后,使空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)的運行始終維持在最佳的新回風(fēng)比例狀態(tài)。

      3.3.3 通風(fēng)與防排煙系統(tǒng)的自動控制

      (1)于地下車庫設(shè)CO探測器,根據(jù)探測結(jié)果評價此空間的CO濃度特征,自動控制風(fēng)機(jī)的啟停和運行數(shù)量,將CO濃度穩(wěn)定在許可范圍內(nèi)。同時,密切監(jiān)測風(fēng)機(jī)的運行狀態(tài),若有故障及時報警,采取維修措施。

      (2)遇火災(zāi)事故時,(煙)溫感器產(chǎn)生報警信號并及時向消防控制中心傳輸,及時開啟排煙口,運行排煙風(fēng)機(jī)、加壓送風(fēng)機(jī)及補(bǔ)風(fēng)風(fēng)機(jī),在第一時間采取管控措施,抑制事故的持續(xù)發(fā)展;切斷通風(fēng)設(shè)備和空調(diào)的電源,以免誘發(fā)大范圍的安全事故。

      該超高層建筑的地下3層作為設(shè)備用房和地下停車庫,此類空間均采用機(jī)械排放系統(tǒng)進(jìn)行環(huán)境的優(yōu)化。換氣次數(shù)對空間環(huán)境品質(zhì)有明顯的影響,根據(jù)房間功能而定,具體如表2所示。

      表2 換氣次數(shù)

      公共衛(wèi)生間的換氣次數(shù)不低于12次/h,換氣設(shè)備采用百葉窗式排氣扇,由其將室內(nèi)的污濁氣體排向外界,除此之外也可以借助導(dǎo)管式排氣扇進(jìn)行排氣,再進(jìn)一步結(jié)合排風(fēng)機(jī),將污濁氣體送入豎向管井,最終向室外排放。

      3.4 綠色節(jié)能設(shè)計

      暖通空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計一定要重視綠色節(jié)能設(shè)計,一方面硬件設(shè)施的選型要考慮適配能效比,另一方面,循環(huán)水泵采用變頻調(diào)速模式,空調(diào)水系統(tǒng)采用二次泵變流量模式。根據(jù)與制冷站的距離和功能分區(qū)的不同,分區(qū)配置二次泵,需考慮的是空調(diào)低區(qū)、裙房商業(yè)區(qū)等。各區(qū)泵組的運行均具有獨立性,例如以負(fù)荷變化為參照基準(zhǔn),動態(tài)調(diào)節(jié)循環(huán)水泵流量,在保證泵組功能正常實現(xiàn)的同時降低水泵能耗??照{(diào)風(fēng)系統(tǒng)對新風(fēng)預(yù)冷或預(yù)熱,以此高效回收能量。全熱回收機(jī)組用于將各層新風(fēng)經(jīng)由豎井輸送至各層,為回收機(jī)組增設(shè)旁通管,目的在于保證過渡季節(jié)可實現(xiàn)對風(fēng)機(jī)運行能耗的有效控制(此階段新、排風(fēng)不通過熱回收裝置)。秉承資源利用價值最大化的原則,集中回收空調(diào)冷凝水,為冷卻塔提供水分補(bǔ)給。

      4 結(jié)束語

      超高層建筑對暖通空調(diào)系統(tǒng)的依賴度較高,系統(tǒng)運行時面臨功能有效性差、能耗偏高等問題,因此科學(xué)設(shè)計暖通空調(diào)系統(tǒng)尤為關(guān)鍵。設(shè)計應(yīng)圍繞安全、可靠、低能耗等目標(biāo)進(jìn)行,根據(jù)超高層建筑的高度特點進(jìn)行分區(qū),分別設(shè)計各區(qū)相應(yīng)的暖通空調(diào)系統(tǒng),賦予系統(tǒng)自動化和智能化的特性,動態(tài)控制,營造舒適的超高層建筑內(nèi)部環(huán)境。

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