超高层建筑空调水系统设计探讨

精品文档 1欢迎下载 超高层建筑空调水系统设计探讨超高层建筑空调水系统设计探讨 深圳华森建筑与工程设计顾问有限公司 曹莉 王红朝 中国建筑设计研究院 潘云钢 摘要 对某超高层建筑空调水系统分区方案进行对比分析 探讨超高层建筑采用 高承压空调水系统方案的可行性 关键词 超高层 空调 水系统 承压 一 前言 超高层建筑体型巨大 功能复杂 容纳人员众多 投资十分庞大 超高层建筑 绝不是普通建筑的拉伸或简单叠加 在一般建筑物中的一般问题 到了超高层 建筑中都可能成为特殊问题 需要特别处理 超高层建筑本身具备很多自然特性 对建筑设计造成较大影响 负荷计算方 面 随着建筑高度升高 大气透明度 太阳辐射强度亦增大 室外风速随着建 筑高度递增 围护结构外表面放热系数加大 随着建筑高度增加 空调水路 系统设备及管件承压要求提高 须经过梯级板换方式把冷热水送至最高层 性能化设计方面 随着建筑高度升高 层数增加导致疏散困难 对防排烟措施 要求高 且建筑本身由于热压造成的烟囱作用较大 对空调通风 换气 排烟 效果有影响 在超高层建筑中 空调水系统分区及设备承压问题是超高层空调系统设计中须 着重考虑的问题 目前我国超高层建筑绝大部分水路系统的设计采用 在建筑 中间层设置水 水板式换热器 把冷 热水从低区提升至设备层 经板式换热 器闭式热交换后再由次级泵输送至高区 采用这种做法可以使低区与高区承受 由各自分区高度产生的压力 从而避免低区的设备及管路承压过大 目前钢结 构技术的进步使得超高层建筑的高度有了进一步的提升 300 400 米的超超高 层建筑屡见不鲜 在这类建筑中如果水系统不能合理分区则势必导致 末 端设备承压要求过高 导致换热器面板和管壁加厚过多 传热效率下降 同时 设备承压能力提高了 造价亦随之提高 分区过多 从冷源供出的冷水经多 级板式换热器后效率将降低 研究表明每经过一级板式换热器 其冷源的供冷 热 效率至少下降 20 左右 同时末端装置的换热面积则需要加大 20 表 1 典型超高层建筑空调水系统分区及承压设计 项目名称 高度 分区 中间板换 位置 最高设备承压 一次水温度 换热温差 次级水温度 换热温差 m 个 MPa 上海静安希尔顿饭店 143 1 2 1 7 12 上海金茂大厦 420 2 21 层 2 1 2 8 5 5 13 5 7 15 上海环球金融中心 460 3 150m 300m 2 1 4 9 6 15 8 17 深圳发展中心大厦 165 2 28 层 1 6 7 12 10 14 深圳彭年广场 222 2 24 层 1 6 7 12 9 14 深圳赛格广场 292 6 4 分段冷源 1 0 1 5 7 12 表 2 空调制冷设备 管道及管件承压能力 空调制冷设备 空调制冷设备额定工作压力 Pw MPa 精品文档 2欢迎下载 冷水机组 普通型 1 0 加强型 1 7 特加强型 2 0 特定加强型 2 1 空调处理器 风机盘管机组 1 6 板式换热器 1 6 3 0 水泵壳体 1 0 2 5 管道及管件 管材和管件的公称压力 PN MPa 低压管道 2 5 中压管道 4 0 6 4 高压管道 10 100 低压阀门 1 6 中压阀门 2 5 6 4 高压阀门 10 100 无缝钢管 1 6 表 1 汇总了上海 深圳地区典型超高层建筑的空调水系统分区及承压设计 可 以看出 当前工程设计中 超高层建筑空调水系统的设备承压能力不再局限于 1 0MPa 以下 1 6 2 1MPa 以上的高承压设计已经越来越多 另外随着设备厂 家技术的提高 空调设备的承压能力也越来越高 表 2 给出了现有空调制冷设 备 管道及管件承压能力 空调机组及板换的额定工作压力已可达到 1 6MPa 低压管道的承压可达 2 5MPa 低压阀门的承压可达 1 6MPa 采用加强型冷水机 组时已可承压 1 7MPa 对超高层建筑水系统进行分区 首先要确定一个分区高度 这个分区高度是由 设备和管道的承压能力决定的 根据表 2 可以知道 冷机的承压范围是 1 0 2 1MPa 板换的承压范围为 1 6 3 0MPa 水泵壳体的承压范围是 1 0 2 5MPa 空调机组承压为 1 0 1 6MPa 管道及阀门的承压范围是 1 6 2 5MPa 对于超高层建筑来说 板换级数增加则导致冷源效率降低 板换 级数少则设备承压要求提高 因此其空调水系统的分区设计需结合建筑实际情 况经技术经济比较后确定 二 超高层办公空调水系统分区方案比较 图 1 为某超高层办公楼效果图 共 98 层 最高点高度 439m 集办公和酒店于 一体 其中 73 层以下为办公区 73 层以上为酒店 根据建筑专业疏散要求 分别于 18 19 37 38 55 56 73 74 91 92 层设置避难 机电 层 由于使用功能不同 办公和酒店分别设有独立的集中空调冷 热 源系统 办 公区采用蓄冰空调系统 主机房位于地下四层 18 500m 酒店采用风冷热 泵 带热回收 系统 机组设于 73 层 则办公部分末端设备的最高点位于 72 层 316m 因此定压膨胀水箱箱底高度不应低于 317 5m 则办公空调水系统 最大可能的静水压力为 336 0m H2O 约 3 36MPa 即使水泵的安装方式为打出 式 主机或板换的承压也将达到 3 5MPa 目前还没有设备有这么高的承压能力 因此对于本项目 不设中间换热器的做法从技术上来说是不可行的 如何对本 项目的空调水系统进行分区 综合考虑其空调的使用情况 建筑避难层的设置 位置及设备 管件的承压能力 最终确定了 3 种分区方案 精品文档 3欢迎下载 方案 1 如图 2 所示 在办公部分的中间设备层 37F 处设置一组水 水板式 换热器 整个系统仅分为高低 2 个区 37 层 含 以下为低区 39 层 含 以 上为高区 低区水由分水器直接供水 末端设备的供回水温度为 5 13 高 区水经 37 层处的板换换热后间接供水 末端设备的供回水温度为 6 14 供冷效率有所下降 一次水系统的膨胀水箱设于 38 层 总定压点位于集水器出 水总管处 一次水泵采用打入式 则主机房内冷水机组 一次水泵及分水器等 部件的最高承压约为 2 1MPa 即为直接供水的用户最高点至主机房的静水高度 与一次水泵扬程之和 高区和低区的末端设备承压随着所在楼层高度的增加 而递减 承压要求介于 1 0 2 1MPa 之间 方案 2 如图 3 所示 基于办公部分建筑本身避难层的设置将办公部分自然分 为 4 个区间 水系统亦按此分为四个区 并设有四组板换 一组位于主机房内 服务于 18 层以下区域 另外三组均设于 18 层避难层处 分别服务于上部的 3 个区域 板换之间为并联关系 为同级板换 四个分区末端设备的供回水温度 均为 6 14 一次水系统的膨胀水箱设于 38 层 总定压点位于集水器出水 总管处 一次水泵采用打入式 则主机房内冷水机组 一次水泵及分水器等部 件的最高承压约为 2 1MPa 即为直接供水的用户最高点至主机房的静水高度与 一次水泵扬程之和 本方案虽分区较多 但都为同级分区 末端设备的供回 水均为二次水 且末端设备的承压均可控制在 1 0MPa 以内 但主机 水泵 板 换及部分管件的承压要求较高 方案 3 如图 4 所示 其设计思路与方案 2 较为接近 即确保末端设备的承压 要求均为 1 0MPa 但方案 2 对冷源侧的承压较高 因此在方案 3 中将板换集中 降低至 18 层 由于一次水的用户高度降低 则对冷源侧的设备及管路的承压要 求也相应降低至 1 3MPa 空调水系统仍然结合建筑避难层的设置自然划分为 4 个区 但由于 55 72 层之间的供水如由 18 层的 2 级板换直接供应将导致对应的 板换及水泵承压达 2 6MPa 以上 超出水泵的最高承压能力 因此该区域的供水 由设置在 55 层避难层的第 3 级板换供应 则末端设备的供回水温度为 6 14 7 15 本方案中冷源侧各设备管件的承压要求降低至 1 3MPa 而 同时末端设备的承压也降低至 1 0MPa 但最高分区处需设置第 3 级板换 综上 将各方案的分区及设备承压等汇总如表 3 所示 综合比较可以看出 方 案 1 的系统分区少 泵组及板式换热器组设置数量少 运行管理较为简单 运 行能耗较低 并且由于采用次级水的楼层少 对冷源的总供冷效率降低最少 仅占 10 但方案 1 对冷源 水泵 板换及末端的承压要求比较高 但也在现 有设备承压能力的范围内 且目前已有典型工程使用 方案 2 3 虽对末端设备 的承压要求较低 但对板换 管路的承压仍不可避免的要采用高承压部件 且 方案 2 3 供冷效率的降低较多 板换组及泵组多 运行控制和维护均较为复杂 因此认为方案 1 为最佳方案 同时 由于本项目是目前深圳地区建筑高度较高的地标性建筑 在此项目中采 用先进的设计理念和技术也具有典型的意义 为保证项目的安全性 在末端设 备的选择上 均选用组合式空气处理机组 设置于专用的空调机房内 避免高 压管道进入人员活动区域 表 3 3 种方案水系统分区及承压比较 分区方案 分区 中间板换位置 冷源侧设备承压 中间板换承压 末端设备承压 一次水 温度 次级水 精品文档 4欢迎下载 温度 冷源效率降低 个 MPa MPa MPa 方案 1 2 37F 2 1 2 0 1 0 2 1 5 13 6 14 10 方案 2 4 B4F 37F 2 1 1 1 1 8 1 0 6 14 20 方案 3 4 B4F 18F 1 3 1 1 1 8 侧风面 背风面 迎风面大体是水平对称分布 高层热流强度大 底层小 迎风面中部热流强度 约为 80W m2 两侧较大 约为 130W m2 左右 96 层以下热流强度高度方向差异 不大 96 114 层热流强度较大约为 140 180W m2 侧风面随高度方向热流强度变化不剧烈 临迎风面侧与临背风面侧相差大 背风面热流强度大体比较均匀 约在 40 80 W m2 夏季风况 2 建筑外表面热流强度分布 图 5 3 夏季风况 2 建筑外表面热流强度分布 数据中的负号表示表面吸热 从图 5 3 可以看出在夏季气流侧向 45 度流入情况下表面热流强度随高度变化较 大 迎风面大体是水平对称分布 高层热流强度大 底层小 迎风面中部热流强度 约为 80W m2 两侧较大 约为 13080W m2 左右 96 层以下热流强度高度方向差 异不大 96 114 层热流强度较大约为 140 180W m2 侧风面随高度方向热流强度变化不剧烈 临迎风面侧与临背风面侧相差大 迎风面热流强度随高度变化较大 底部 27 层以下热流强度值约为 48 220W m2 27 96 层约 100 280 W m2 96 114 层约为 250 300 W m2 侧风面热流强度随高度变化较大 底部 27 层以下热流强度值约为 48 120W m2 27 96 层约 100 190 W m2 96 114 层约为 150 210 W m2 综上所述 夏季建筑外表面热流强度分布跟风向相关性很大 如果气流正面流 入 热流强度分布跟立面风向有关 迎风面热流强度大于侧风面 并远大于背 风面 此时各个立面热流强度分布随高度变化较小 如果气流侧向流入 则热 流强度大体随高度变化 不同高度换算的表面换热系数如表 5 2 正常状况下 气流正面流入发生概率较少 大部分情况下气流应以一定倾斜角流入 表 5 2 夏季气流侧向流入情况下不同高度表面换热系数统计 单位 低空 中空 高空 迎风面 9 6 44 20 56 50 60 侧风面 9 6 24 20 38 30 42 5 3 冬季状况模拟 冬季风况 1 建筑外表面热流强度分布 图 5 4 冬季风况 1 建筑外表面热流强度分布 从图 5 4 可以看出冬季气流正向流入情况下表面热流强度跟夏季状况相似 迎 风面 侧风面 背风面 精品文档 10欢迎下载 迎风面水平对称分布 高层热流强度大 底层略小 迎风面中部热流强度约为 120 1500W m2 两侧约为 200 2500W m2 96 层以上热流强度略大 且分布相 对均匀 热流强度约为 200 3500W m2 侧风面沿高度风向差异不大 临迎风面侧与临背风面侧相差大 背风面热流强度大体比较均匀 约在 60 100 W m2 冬季风况 2 建筑外表面热流强度分布 图 5 5 冬季风况 2 建筑外表面热流强度分布 从图 5 3 可以看出在冬季气流侧向 45 度流入情况下表面热流强度随高度变化较 大 迎风面底部 27 层以下热流强度值约为 180 350W m2 27 96 层约 210 470 W m2 96 114 层约为 270 600 W m2 侧风面底部 27 层以下热流强度值约为 180 280W m2 27 96 层约 220 380 W m2 96 114 层约为 210 380 W m2 综上所述 冬季建筑外表面热流强度分布与夏季状况相似 跟风向相关性很大 如果气流正面流入 热流强度分布跟立面风向有关 迎风面热流强度大于侧风 面 并远大于背风面 此时各个立面热流强度分布随高度变化较小 如果气流 侧向流入 则热流强度大体随高度增加而变大 不同高度换算的表面换热系数 如表 5 3 正常状况下气流正面流入发生概率较少 大部分情况下气流应以一 定倾斜角流入 表 5 3 冬季气流侧向流入情况下不同高度表面换热系数统计 单位 低空 中空 高空 迎风面 20 38 9 23 3 52 2 30 66 7 侧风面 20 31 1 24 4 42 2 23 3 42 2 表面换热系数大小主要受表面风速 表面温度 气温 表面粗糙状况等的影响 在不同风向情况下 建筑表面风速差别较大 所以 CFD 模拟得到