关于超高层建筑暖通设计的重点与难点探讨

吴天敬（上海黄浦区建筑业管理所,上海200023）

关于超高层建筑暖通设计的重点与难点探讨

吴天敬
（上海黄浦区建筑业管理所,上海200023）

以超高层建筑暖通设计为对象，分析了空调设计参数选取、冷、热源设置、风系统、消防系统、机电层高控制中的重点、难点，旨在为超高层暖通设计提供参考。

超高层建筑；空调设计参数；冷、热源设置；风系统；消防系统；机电层高

0 引言

作为特大型城市，拥有几幢能够提升城市功能的标志性超高层建筑已成为常态。一幢幢拔地而起的超高层建筑，不仅满足了人们追求高品质生活的需求，更是区域发展的一座座地标。

以目标建成国际大都市的上海为例，截至2016年，超高层建筑已超过1000幢。集办公、商业、酒店多功能一体的上海中心建成后，更是与环球金融中心、金茂大厦等形成新的天际线，与浦江对岸的外滩万国建筑博览群遥相辉映。

超高层建筑的飞速发展，给勘察、设计行业,包括暖通专业在内的各专业都带来了许多新挑战，下文在总结前人工作及经验的基础上，基于理论及实际工作经历，对超高层暖通设计的重点与难点进行分析与探讨。

1 空调设计参数的选取

1.1 冬季室外计算温度[1]

对于百米以上建筑，应考虑冬季室外计算温度随建筑高度增加的变化，根据相关文献，每升高100m，温度约降低1℃。

1.2 空调区与邻区的压差

虽然《公共建筑节能设计标准》G B50189-2015中对幕墙的气密性有不低于3级的要求，但热压及风压对空调区域换气的影响仍不容忽视，空调区与室外或其他空调区之间的压差值是确定空调区新风量，校核区域、楼层乃至整个建筑风平衡的主要依据。压差和房间门窗渗透风量的关系，可参照下式确定:

式中q—单位长度缝隙渗透风量，

m3/（h·m）；

0.827 —渗风系数；

f—缝隙宽度，mm；

b—指数，可取b=2

1.25 —不严密处附加系数。

2 冷、热源设置

2.1 冷、热源设置要点

除常规考虑因素外，冷、热源设置时还应考虑以下几点:1）不以单纯满足绿建得分为目的，盲目设置三联供、蓄冷、地源热泵等系统，应结合项目所在地区的能源条件，综合环保、初投资、运维费用、能效等因素进行方案比选，为项目量体裁衣设置冷、热源；2）现代建筑幕墙密封性好，部分地区冬季工况南向房间也具有一定冷负荷，全年需供冷水，可考虑过渡季及冬季冷却塔免费供冷；3）“低温潮湿天”冷却塔排出的湿热空气产生白雾，不利观瞻，应协调建筑专业考虑冷却塔摆放条件及位置，以及防白雾措施，如利用废热加热冷却塔排气，或采用“干-湿式冷却塔”，将高温的冷却水先流过干式盘管作为加热进塔空气的热源，再流进湿式淋水填料，用于降低出塔空气的相对湿度；4）出现设备故障时的后备能力，避免“孤儿机组”；5）由于高压制冷机可直接以市政进线或中间变压等级的电力直接供电，从而减少了变配电环节的设备和机房，额定用电功率大于350k W的制冷机组应优先考虑高压供电；6）冷源配置时尤其需分析最低冷负荷以及部分负荷的分布，如过渡季或冬季时内区发热量较大区域少量的供冷需求，并考虑不同工况下制冷机组运行组合策略及运行效率。

2.2 冷、热源分设与合设的对比分析

对于集办公、商业、酒店等多功能一体的超高层建筑，冷、热源的分设、合设直接影响着系统的使用效率、可靠性和经济性。

表1 冷、热源系统合设、分设对比分析

3 空调水系统

3.1 水系统压力分析[3]

水系统压力分析是空调设备、管路及管配件承压能力判断的依据，且直接影响着空调水系统的垂直分区，是水系统设计的重点，分析水系统压力的理论基础是流体力学中的恒定总流量方程式：

即:压强水头+位置水头+流速水头=常数

式中H

1，H2—1，2点的压力，P a；

h1，h2—1，2点距同一基准面的高度，P a；

V1，V2—1，2点的水流速度，m/s；

g—自由落体的重力加速度，m/s2；

ΔH1-2—1，2点之间的水头损失，P a。

在民用建筑低温水和空调水系统中，V1、V2差值不大且一般均小于2.5m/s，式（2）可简化为下式:

图1 简化的空调水系统图

以上图为例，其中O为定压点，根据式（3），空调水系统各点压力计算如下:

3.2 空调水系统能效的提高[2]

随着建筑高度的增加，体量的增大，空调水系统具有规模大、输配距离远、运行能耗高的特点，为实现节能减排，空调水系统应将能量高效、经济、定点的输送给空调末端装置，重点可从以下几个方面考虑:

（1）考虑采用大温差冷水机组或冰蓄冷系统，实现空调水系统大温差运行，降低水泵初投资及冷量输送能耗，相应的，需留意冷机效率衰减，以及空调末端，尤其是风机盘管的冷却盘管进、出水温加大时，机组换热能力的下降，选型时应予以校核。

（2）水系统分区应合理、经济，应将使用功能，时间，要求，输配距离相同的房间划为同一系统。水系统输配距离不应过远，系统阻力不应过大。

（3）水系统应具有良好的静态和动态水力平衡，使各空调支路不欠流也不过流，各空调末端装置可获得必要的水流量，通过对一些已运营建筑的回访，对于体量不是很大，尤其横向管路较短的项目，可通过设静态平衡阀实现水力平衡。

（4）合理配置循环水泵的台数，在空调负荷变化范围内，均可使系统循环水泵高效运行。变频驱动水泵的最高效率点应注意设置在使用时段最多的工况点。

4 空调风系统

大堂、中庭、连廊等高大、连通空间，其内部空间结构复杂，建筑师常设置非主流的装饰元素，如绿化等，设计空间具有热扰多的特点，常规气流组织计算无法为设计提供有效依据，是风系统设计的难点。

计算流体力学（CF D）的成熟发展，为设计人员检验气流组织设计带来了有利条件，通过CF D软件，对物理空间建模，设置空调区边界条件，空调风口位置及数量，送、回风速，送风温度等参数，经计算机模拟计算，可形象展现整个建筑空间温度场、速度场，对于指导设计人员优化、完善气流组织设计具有重要意义。

5 消防系统

5.1 疏散电梯井防烟设计

随着超高层建筑高度的不断增高，疏散难度逐渐增大，根据消防法规要求，火灾时禁止人员乘坐电梯进行疏散，主要原因在于电力系统得不到保障，以及电梯上下穿梭时产生的活塞效应可能会助长火势。

人员从顶层仅靠楼梯疏散较难实现，以建筑高度超过600m的上海中心为例，大楼最高使用高度561.1m，人员不可能保持足够的体力快速完成整个疏散过程，此外，在复杂以及预见性较弱的火场情况下，人员高度密集场所易引发人员跌倒的踩踏事件，不仅造成疏散通道堵塞，还将造成较火灾事故更大的人员伤亡。

上述原因使设计师考虑使用特殊设计的电梯，是否可以作为疏散楼梯之外的一种辅助疏散方式。为保障疏散电梯系统正常运作，应对所有高度大于100m的电梯井道设机械加压送风系统。上海地区项目，加压风量可根据《建筑防排烟技术规程》第5.1.2条公示进行计算，同时按每层每梯送风1350m3/h进行复核，实际选用风机时按风量大的结果选取。

5.2 室外消防风口布置

超高层的消防风口多布置于首层、避难层或屋顶，由于数量多，布置杂乱无章，下部排烟被上部补风吸入情况多有发生，既不利观瞻，又影响防排烟效果。因此前期机电房、管井位置应与建筑师充分协调、整体布局，排烟、补风口布置时，不仅要考虑同层之间不互相影响，也要考虑上、下层之间的影响。

6 机电层高控制

6.1 BIM软件的应用

随着现代建筑功能定位的提高，机电管线越发繁多，而建筑结构形式复杂，机电空间小，以往的二维平面综合管线图及局部剖面图难以满足对复杂机电管线进行排布的要求，对于管线复杂工程，可采用BIM，以减少不必要的拆改，节省工期，降低社会成本并提升经济效益。

6.2 机电管线布置原则

机电管线布置时应考虑到后期风口、灯具、烟感探头、喷淋头的安装，可参照以下原则布置:1）尽可能利用梁内空间；2）有压管让无压管，小管线让大管线，施工简单的避让施工难度大的；3）冷水管道避让热水管道；4）附件少的管道避让附件多的管道；5）临时管道避让永久管道；6）气体管道避让液体管道；7）管线垂直布置时，应遵循风管在上，电气桥架在中间，给排水管在下。

7 结语

超高层建筑数量的增加，标志着国内建筑业巨大的技术进步，暖通技术也经历着不断的发展革新，从早期的全空气系统（发展到变风量系统）和分散的窗式空调，到风机盘管和冷媒系统，近年来暖通技术更趋多元化，辐射供冷、供热，地板送风等空调方式不断涌现。新形式下暖通设计理念，更加重视节能、室内品质，重视与规划、建筑、管理和自控的协调。只有不断的总结经验、汲取教训、认真思考，才能推动暖通专业不断进步，从容面对新的挑战。

[1]刘天川.超高层建筑空调设计[M].北京:中国建筑工业出版社，2004.

[2]范存养，杨国荣，叶大法.高层建筑空调设计及工程实录[M].北京:中国建筑工业出版社，2014.

[3]任秀宏，吴凤英.空调水系统的压力分析及定压点的选择[J].低温与超导，2010，38（6）：49-50.

Discussion about the Key Points and Special Difficulties in HVAC System Design for Super High-rise Buildings

WU Tian-jing
（Shanghai Huangpu District Construction Business Management Institute，Shanghai200023，China）

H V AC d e s i g n o f s u p er h i gh-ri s e b uil d in gs i s t h e re s earc h o bj ect，analy s i s on t h e K ey P oint s an d sp ecial D i ff icultie s in Air con d itionin g d e s i g n p arameter s c h o s en，coolin g an d h eatin g s y s tem d e s i g n,air-con d itionin g s y s tem，f ire control s y s tem，M E P h ei gh t control,in or d er to p ro v i d e re f erence f or t h e s imilar H V AC d e s i g n o f s u p er h i gh-ri s e s b uil d in g.

s u p er h i gh-ri s e s b uil d in g；air con d itionin g d e s i g n p arameter s；coolin g an d h eatin g s y s tem d e s i g n；air-con d itionin g s y s tem；f ire control s y s tem；M E P h ei gh tcontrol

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2017.03.020

T U83

B

2095-3429（2017）03-0080-04

2017-04-05

修回日期：2017-05-31

吴天敬（1982-），男，上海人，学士，工程师。