吳天敬（上海黃浦區(qū)建筑業(yè)管理所,上海200023）

關(guān)于超高層建筑暖通設(shè)計的重點與難點探討

吳天敬
（上海黃浦區(qū)建筑業(yè)管理所,上海200023）

以超高層建筑暖通設(shè)計為對象，分析了空調(diào)設(shè)計參數(shù)選取、冷、熱源設(shè)置、風(fēng)系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、機電層高控制中的重點、難點，旨在為超高層暖通設(shè)計提供參考。

超高層建筑；空調(diào)設(shè)計參數(shù)；冷、熱源設(shè)置；風(fēng)系統(tǒng)；消防系統(tǒng)；機電層高

0 引言

作為特大型城市，擁有幾幢能夠提升城市功能的標(biāo)志性超高層建筑已成為常態(tài)。一幢幢拔地而起的超高層建筑，不僅滿足了人們追求高品質(zhì)生活的需求，更是區(qū)域發(fā)展的一座座地標(biāo)。

以目標(biāo)建成國際大都市的上海為例，截至2016年，超高層建筑已超過1000幢。集辦公、商業(yè)、酒店多功能一體的上海中心建成后，更是與環(huán)球金融中心、金茂大廈等形成新的天際線，與浦江對岸的外灘萬國建筑博覽群遙相輝映。

超高層建筑的飛速發(fā)展，給勘察、設(shè)計行業(yè),包括暖通專業(yè)在內(nèi)的各專業(yè)都帶來了許多新挑戰(zhàn)，下文在總結(jié)前人工作及經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，基于理論及實際工作經(jīng)歷，對超高層暖通設(shè)計的重點與難點進行分析與探討。

1 空調(diào)設(shè)計參數(shù)的選取

1.1 冬季室外計算溫度[1]

對于百米以上建筑，應(yīng)考慮冬季室外計算溫度隨建筑高度增加的變化，根據(jù)相關(guān)文獻，每升高100m，溫度約降低1℃。

1.2 空調(diào)區(qū)與鄰區(qū)的壓差

雖然《公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》G B50189-2015中對幕墻的氣密性有不低于3級的要求，但熱壓及風(fēng)壓對空調(diào)區(qū)域換氣的影響仍不容忽視，空調(diào)區(qū)與室外或其他空調(diào)區(qū)之間的壓差值是確定空調(diào)區(qū)新風(fēng)量，校核區(qū)域、樓層乃至整個建筑風(fēng)平衡的主要依據(jù)。壓差和房間門窗滲透風(fēng)量的關(guān)系，可參照下式確定:

式中q—單位長度縫隙滲透風(fēng)量，

m3/（h·m）；

0.827 —滲風(fēng)系數(shù)；

f—縫隙寬度，mm；

b—指數(shù)，可取b=2

1.25 —不嚴(yán)密處附加系數(shù)。

2 冷、熱源設(shè)置

2.1 冷、熱源設(shè)置要點

除常規(guī)考慮因素外，冷、熱源設(shè)置時還應(yīng)考慮以下幾點:1）不以單純滿足綠建得分為目的，盲目設(shè)置三聯(lián)供、蓄冷、地源熱泵等系統(tǒng)，應(yīng)結(jié)合項目所在地區(qū)的能源條件，綜合環(huán)保、初投資、運維費用、能效等因素進行方案比選，為項目量體裁衣設(shè)置冷、熱源；2）現(xiàn)代建筑幕墻密封性好，部分地區(qū)冬季工況南向房間也具有一定冷負(fù)荷，全年需供冷水，可考慮過渡季及冬季冷卻塔免費供冷；3）“低溫潮濕天”冷卻塔排出的濕熱空氣產(chǎn)生白霧，不利觀瞻，應(yīng)協(xié)調(diào)建筑專業(yè)考慮冷卻塔擺放條件及位置，以及防白霧措施，如利用廢熱加熱冷卻塔排氣，或采用“干-濕式冷卻塔”，將高溫的冷卻水先流過干式盤管作為加熱進塔空氣的熱源，再流進濕式淋水填料，用于降低出塔空氣的相對濕度；4）出現(xiàn)設(shè)備故障時的后備能力，避免“孤兒機組”；5）由于高壓制冷機可直接以市政進線或中間變壓等級的電力直接供電，從而減少了變配電環(huán)節(jié)的設(shè)備和機房，額定用電功率大于350k W的制冷機組應(yīng)優(yōu)先考慮高壓供電；6）冷源配置時尤其需分析最低冷負(fù)荷以及部分負(fù)荷的分布，如過渡季或冬季時內(nèi)區(qū)發(fā)熱量較大區(qū)域少量的供冷需求，并考慮不同工況下制冷機組運行組合策略及運行效率。

2.2 冷、熱源分設(shè)與合設(shè)的對比分析

對于集辦公、商業(yè)、酒店等多功能一體的超高層建筑，冷、熱源的分設(shè)、合設(shè)直接影響著系統(tǒng)的使用效率、可靠性和經(jīng)濟性。

表1 冷、熱源系統(tǒng)合設(shè)、分設(shè)對比分析

3 空調(diào)水系統(tǒng)

3.1 水系統(tǒng)壓力分析[3]

水系統(tǒng)壓力分析是空調(diào)設(shè)備、管路及管配件承壓能力判斷的依據(jù)，且直接影響著空調(diào)水系統(tǒng)的垂直分區(qū)，是水系統(tǒng)設(shè)計的重點，分析水系統(tǒng)壓力的理論基礎(chǔ)是流體力學(xué)中的恒定總流量方程式：

即:壓強水頭+位置水頭+流速水頭=常數(shù)

式中H

1，H2—1，2點的壓力，P a；

h1，h2—1，2點距同一基準(zhǔn)面的高度，P a；

V1，V2—1，2點的水流速度，m/s；

g—自由落體的重力加速度，m/s2；

ΔH1-2—1，2點之間的水頭損失，P a。

在民用建筑低溫水和空調(diào)水系統(tǒng)中，V1、V2差值不大且一般均小于2.5m/s，式（2）可簡化為下式:

圖1 簡化的空調(diào)水系統(tǒng)圖

以上圖為例，其中O為定壓點，根據(jù)式（3），空調(diào)水系統(tǒng)各點壓力計算如下:

3.2 空調(diào)水系統(tǒng)能效的提高[2]

隨著建筑高度的增加，體量的增大，空調(diào)水系統(tǒng)具有規(guī)模大、輸配距離遠、運行能耗高的特點，為實現(xiàn)節(jié)能減排，空調(diào)水系統(tǒng)應(yīng)將能量高效、經(jīng)濟、定點的輸送給空調(diào)末端裝置，重點可從以下幾個方面考慮:

（1）考慮采用大溫差冷水機組或冰蓄冷系統(tǒng)，實現(xiàn)空調(diào)水系統(tǒng)大溫差運行，降低水泵初投資及冷量輸送能耗，相應(yīng)的，需留意冷機效率衰減，以及空調(diào)末端，尤其是風(fēng)機盤管的冷卻盤管進、出水溫加大時，機組換熱能力的下降，選型時應(yīng)予以校核。

（2）水系統(tǒng)分區(qū)應(yīng)合理、經(jīng)濟，應(yīng)將使用功能，時間，要求，輸配距離相同的房間劃為同一系統(tǒng)。水系統(tǒng)輸配距離不應(yīng)過遠，系統(tǒng)阻力不應(yīng)過大。

（3）水系統(tǒng)應(yīng)具有良好的靜態(tài)和動態(tài)水力平衡，使各空調(diào)支路不欠流也不過流，各空調(diào)末端裝置可獲得必要的水流量，通過對一些已運營建筑的回訪，對于體量不是很大，尤其橫向管路較短的項目，可通過設(shè)靜態(tài)平衡閥實現(xiàn)水力平衡。

（4）合理配置循環(huán)水泵的臺數(shù)，在空調(diào)負(fù)荷變化范圍內(nèi)，均可使系統(tǒng)循環(huán)水泵高效運行。變頻驅(qū)動水泵的最高效率點應(yīng)注意設(shè)置在使用時段最多的工況點。

4 空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)

大堂、中庭、連廊等高大、連通空間，其內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜，建筑師常設(shè)置非主流的裝飾元素，如綠化等，設(shè)計空間具有熱擾多的特點，常規(guī)氣流組織計算無法為設(shè)計提供有效依據(jù)，是風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計的難點。

計算流體力學(xué)（CF D）的成熟發(fā)展，為設(shè)計人員檢驗氣流組織設(shè)計帶來了有利條件，通過CF D軟件，對物理空間建模，設(shè)置空調(diào)區(qū)邊界條件，空調(diào)風(fēng)口位置及數(shù)量，送、回風(fēng)速，送風(fēng)溫度等參數(shù)，經(jīng)計算機模擬計算，可形象展現(xiàn)整個建筑空間溫度場、速度場，對于指導(dǎo)設(shè)計人員優(yōu)化、完善氣流組織設(shè)計具有重要意義。

5 消防系統(tǒng)

5.1 疏散電梯井防煙設(shè)計

隨著超高層建筑高度的不斷增高，疏散難度逐漸增大，根據(jù)消防法規(guī)要求，火災(zāi)時禁止人員乘坐電梯進行疏散，主要原因在于電力系統(tǒng)得不到保障，以及電梯上下穿梭時產(chǎn)生的活塞效應(yīng)可能會助長火勢。

人員從頂層僅靠樓梯疏散較難實現(xiàn)，以建筑高度超過600m的上海中心為例，大樓最高使用高度561.1m，人員不可能保持足夠的體力快速完成整個疏散過程，此外，在復(fù)雜以及預(yù)見性較弱的火場情況下，人員高度密集場所易引發(fā)人員跌倒的踩踏事件，不僅造成疏散通道堵塞，還將造成較火災(zāi)事故更大的人員傷亡。

上述原因使設(shè)計師考慮使用特殊設(shè)計的電梯，是否可以作為疏散樓梯之外的一種輔助疏散方式。為保障疏散電梯系統(tǒng)正常運作，應(yīng)對所有高度大于100m的電梯井道設(shè)機械加壓送風(fēng)系統(tǒng)。上海地區(qū)項目，加壓風(fēng)量可根據(jù)《建筑防排煙技術(shù)規(guī)程》第5.1.2條公示進行計算，同時按每層每梯送風(fēng)1350m3/h進行復(fù)核，實際選用風(fēng)機時按風(fēng)量大的結(jié)果選取。

5.2 室外消防風(fēng)口布置

超高層的消防風(fēng)口多布置于首層、避難層或屋頂，由于數(shù)量多，布置雜亂無章，下部排煙被上部補風(fēng)吸入情況多有發(fā)生，既不利觀瞻，又影響防排煙效果。因此前期機電房、管井位置應(yīng)與建筑師充分協(xié)調(diào)、整體布局，排煙、補風(fēng)口布置時，不僅要考慮同層之間不互相影響，也要考慮上、下層之間的影響。

6 機電層高控制

6.1 BIM軟件的應(yīng)用

隨著現(xiàn)代建筑功能定位的提高，機電管線越發(fā)繁多，而建筑結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，機電空間小，以往的二維平面綜合管線圖及局部剖面圖難以滿足對復(fù)雜機電管線進行排布的要求，對于管線復(fù)雜工程，可采用BIM，以減少不必要的拆改，節(jié)省工期，降低社會成本并提升經(jīng)濟效益。

6.2 機電管線布置原則

機電管線布置時應(yīng)考慮到后期風(fēng)口、燈具、煙感探頭、噴淋頭的安裝，可參照以下原則布置:1）盡可能利用梁內(nèi)空間；2）有壓管讓無壓管，小管線讓大管線，施工簡單的避讓施工難度大的；3）冷水管道避讓熱水管道；4）附件少的管道避讓附件多的管道；5）臨時管道避讓永久管道；6）氣體管道避讓液體管道；7）管線垂直布置時，應(yīng)遵循風(fēng)管在上，電氣橋架在中間，給排水管在下。

7 結(jié)語

超高層建筑數(shù)量的增加，標(biāo)志著國內(nèi)建筑業(yè)巨大的技術(shù)進步，暖通技術(shù)也經(jīng)歷著不斷的發(fā)展革新，從早期的全空氣系統(tǒng)（發(fā)展到變風(fēng)量系統(tǒng)）和分散的窗式空調(diào)，到風(fēng)機盤管和冷媒系統(tǒng)，近年來暖通技術(shù)更趨多元化，輻射供冷、供熱，地板送風(fēng)等空調(diào)方式不斷涌現(xiàn)。新形式下暖通設(shè)計理念，更加重視節(jié)能、室內(nèi)品質(zhì)，重視與規(guī)劃、建筑、管理和自控的協(xié)調(diào)。只有不斷的總結(jié)經(jīng)驗、汲取教訓(xùn)、認(rèn)真思考，才能推動暖通專業(yè)不斷進步，從容面對新的挑戰(zhàn)。

[1]劉天川.超高層建筑空調(diào)設(shè)計[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2004.

[2]范存養(yǎng)，楊國榮，葉大法.高層建筑空調(diào)設(shè)計及工程實錄[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2014.

[3]任秀宏，吳鳳英.空調(diào)水系統(tǒng)的壓力分析及定壓點的選擇[J].低溫與超導(dǎo)，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

吳天敬（1982-），男，上海人，學(xué)士，工程師。