葛孚盈
(淄博市規(guī)劃設計研究院,山東淄博2550 37)
超高層建筑已經出現(xiàn)的很多,但是每個建筑又不盡相同,在設計時由于地區(qū)的差別、設計理念的差異,設方案又各不相同。一個優(yōu)秀的設計,無論在方案設計還是在施工圖設計時,都應當既要取先進工藝,又要量體裁衣,才能夠能夠做到既降低工程投資,縮短施工周期,又做到質量可靠運行有效。下面以某超高層建筑為例,簡要介紹超高層建筑的暖通設計要點。
該工程位于淄博高新區(qū),總建筑面積為1185 60 m2,總建筑高度187 m,主樓地上為36層塔式樓,高度148.9 m,東裙房及北裙房均為5層辦公樓,地下室共兩層,地下一層主要功能為小型機動車停放、水電暖設備用房、辦公備用間和儲藏間等。地下二層為人防地下室,抗力級別為常六級人防物資庫。
本工程項目是一個超高層建筑,工程復雜,綜合性強。該工程功能包括辦公、會議、餐飲、公寓、停車場、人防、避難層等。
此工程設計中,暖通設計種類繁多:有主機到末端的冷熱水系統(tǒng),包括水冷離心機組、冷卻塔、換熱站、風機盤管、組合式空調機組等,也有熱水地板輻射采暖和新風換氣熱回收系統(tǒng),有防排煙系統(tǒng)、人防通通風系統(tǒng)等,涵蓋民用建筑暖通設計的多個方面。
超高層建筑暖通設計的特殊性:超高層建筑與其他建筑的區(qū)別主要在于管道承受的壓力及豎向風井的高度。為了滿足設備的要求,對系統(tǒng)進行高低區(qū)的劃分處理是必要的。按設備承壓要求合理布置系統(tǒng),將設備轉換層及壓力隔斷層設置與避難層合理結合使用,將系統(tǒng)化大為小、合理布置是可行的,在此工程中,各個專業(yè)都結合避難層進行了很好的處理。
底層系統(tǒng)超壓問題,我們在十五層設置避難層兼設備轉換層,其中換熱器的選型、計算及定壓的控制是其中的要點。
(1)換熱器選擇:十五層設備轉換層,設置換熱站一座,用來對十五層以上供冷供熱。由于一次水與二次水的壓差較大,從承壓能力及將來的維護使用來看,選用管殼式換熱器比較好,經過計算,發(fā)現(xiàn)相同換熱面積管殼式換熱器的散熱器體積太大,占用的面積也太大。因此采用不銹鋼板式換熱器。換熱器的計算,涉及到小溫差換熱計算。夏季設計低區(qū)供水溫度為7℃,回水溫度為12℃,經換熱器后,設計高區(qū)供水溫度為9℃,回水溫度為14℃,換熱器換熱溫差僅為2℃。高區(qū)換熱器傳熱面積計算公式:
式中 F—換熱器傳熱面積單位,m2;
Q—總換熱量,kW;
K—傳熱系數,kW/(K·m2);
B—水垢系數,一般取0.75;
Δtpj—對數平均溫差,℃。
對數平均溫差計算公式:
式中 Δta—換熱器冷熱流體溫度差,℃;
Δtb—換熱器冷熱流體溫度差,℃。
該工程換熱器換熱溫差,Δta=14-12=2℃,Δtb=9-7=2℃,Δta-Δtb=0℃,所以采用近似公式Δtpj=(Δta+Δtb)/2=2℃。
高區(qū)冷負荷2960 kW,水-水板換根據產品樣本得知,傳熱系數K=3.96kW/(K·m2),則F=2960/(3.96×0.75×2)=498.32 m2,考慮到將來的備用及維修,選用兩套280 m2板式換熱器并聯(lián)使用,既減小了阻力損失,又增加了備用程度。如圖1所示。
圖1 轉換層換熱原理圖
圖2 內區(qū)通風原理圖
(2)壓力平衡:高區(qū)最高點高程148.9 m,高區(qū)低點高程59.4 m,兩者相差148.9-59.4=89.5 m,即0.895 MPa。板式換熱器的適應范圍為工作壓力為小于2.5 MPa,冷熱介質允許壓差范圍為0.5 MPa。高區(qū)循環(huán)水泵揚程31 m,如果考慮動壓頭,換熱器兩側壓差將為89.5+31=120.5 m,從以往的實際運行經驗來看,當壓差超過0.8 MPa時,板式換熱器的維修量及損壞率將大幅度增加。為此,采用了三項措施,1)調換水泵的進出口方向,將換熱器由水泵的出口端變?yōu)樗玫奈攵?,減小動壓頭的壓力。2)增加一次水側的壓力,將一次水定壓高度提高至22層,即87.7 m高程,這樣一來,兩側的壓差為148.9-87.7=61.2 m,如此基本解決了散熱器的承壓問題。水泵采用了兩用一備高效節(jié)能的雙吸大流量水泵,H=31 m,Q=254 m3/h.,減小了單機功率,降低了噪聲。3)定壓處理上,一次水及二次水的兩側,均采用了高位水箱定壓,將一次水定壓高度提高至22層,即87.7 m高程,二次水定壓水箱設在了37層設備層內,即148.9 m高程。這樣就避免了囊式定壓由于溫度變化而引發(fā)的壓力變化問題。
(3)轉換層換熱原理圖,如圖1所示。
(4)內區(qū)設計的特殊性:在裙房的二至五層,由于進深太大,需要設置內區(qū),其功能為辦公室,考慮到冬季照明、人體、計算機等的散熱,以辦公室1為例,該辦公室長21.4 m,寬6.6 m,建筑面積141 m2,如果按每人6 m2計算,該辦公室可能容納23人辦公,每人一臺電腦,可有23臺電腦,每臺電腦150 W,設有10組照明燈具,每組80 W,共計800 W,人員得熱量按每人136 W,辦公室放熱量為Q=23×150+800+23×136=7380 kW,約為52 W/m2經過計算,圍護結構采用120 mm空心磚兩面抹灰隔墻,傳熱系數K=2.48 W/(m2·K),樓層層高為3.9 m,辦公室內溫度20℃,走廊溫度16℃,辦公室圍護結構散熱量:
Q=K·F·Δt (3)
式中 Δt—溫差,℃。
則Q=2.48(6.6×2+21.4)×3.9×(20-16)=1338.6 W,約為9.49 W/m2,內部余熱負荷為QY=7380-1338.6=6041.4 W,約為42.8 W/m2,室內余熱散發(fā)采用室外冷風置換的方法,本地區(qū)冬季通風計算溫度Δtw=-9℃,對應空氣密度為1.3374 kg/m3,根據冷風侵入公式:
Q=0.28 ρ·V·(tw-tn) (4)
得到通風量公式:
式中 V—通風量,m3;
ρ—空氣密度,kg/m3;
tw—室外溫度,℃;
tn—室外溫度,℃。
則V=6041.4/(0.28×1.337×(20+9))=556.48 m3/h,為了提高室內舒適度,采取熱回收式新風換氣機,新風換氣機的效率為60%,則新風換氣量為V=5556.48/(1-0.6)=1391.2 m3/h。根據人員計算,每人新風量30 m3/h,該辦公室的新風量為30×23=690 m3/h,因此采用新風換氣機置換風量1400 m3/h。考慮到1400 m3/h是在室外溫度-9℃算出的,當室外溫度升高時,通風量將增大。當室外溫度升至16℃時,對應空氣密度為1.222 kg/m3需要的室外總新風量應為V=6041.4/(0.28×1.222×(20-16))=4414 m3/h,因此辦公室內應設置排放量為4400 m3/h排風口,與新風換氣機配合使用。當室外溫度高于為16℃時,開啟制冷機送冷風。
整個大樓的單層內區(qū)總面積每層為607.2 m2,四層共2428.8 m2,余熱負荷為103.95 kW。如果設置一臺制冷機組,冬季需要進行制冷運行,在裙房辦公區(qū)域,將形成同時供冷和供熱問題,既不節(jié)能,也不便管理。
通過以上計算與分析,我們采取了新風換氣機置換風與機械排風相結的方式,這樣增大了通風量,解決了冬季余熱的問題。為了保證室內的相對濕度,采用濕膜加濕器在新風系統(tǒng)中增加了加濕系統(tǒng),確保了室內空氣的品質。當室外溫度高于16℃時,開啟多聯(lián)制冷機送冷風。如圖2所示。
(5)在其它各項暖通設計中,我采用了多項節(jié)能措施,包括對新風機組轉輪式熱交換機的使用,降低新風能耗,對排風系統(tǒng)中風機及風機箱的選擇,在滿足噪聲要求的情況下,盡量選用高效的軸流風機,對水泵盡量選用高效率的變頻水泵。對組合機組選用變頻功能的機組等多項措施。
該工程成功解決了高低區(qū)的轉換問題,合理利用了冬季室外冷風,妥善解決了內區(qū)的冷負荷問題,充分采用了高效低能耗的軸流風機,使本工程施工圖預算價比前期估算投資降低了百分之二十以上。本工程已經竣工使用,運轉狀況良好,達到了設計要求。
[1]陸耀慶.實用供熱空調設計手冊[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2007.
[2]GB 5001 9-2003.采暖通風與空氣調節(jié)設計規(guī)范[S].
[3]DB-J 14-036-2006.公共建筑節(jié)能設計標準[S].
[4]GB 5004 5-95.高層建筑設計防火規(guī)范[S].