超高层空调水系统设计探讨

1 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 2 表 1 典型超高层建筑空调水系统分区及承压设计 高度分区 最高设备 承压 一次水温度 换热温差 次级水温度 换热温差 项目名称 m 个 中间板换 位置 MPa 上海静安希尔顿饭店1431 2 17 12 上海金茂大厦420221 层2 1 2 85 5 13 57 15 上海环球金融中心4603150m 300m2 14 96 15 8 17 深圳发展中心大厦165228 层1 67 1210 14 深圳彭年广场222224 层1 67 129 14 深圳赛格广场292 64分段冷源1 0 1 57 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 普通型1 0 加强型1 7 特加强型2 0 冷水机组 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 3 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 图 1 某超高层办公楼效果图 4 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 图 3 方案 2 水系统原理示意图 写字楼酒店 图 2 方案 1 水系统原理示意图 写字楼酒店 5 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 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 温度 冷源效率 降低分区方案 个 中间板换 位置 MPaMPaMPa 方案 1237F2 12 01 0 2 15 136 1410 方案 24B4F 37F2 11 1 1 8 1 0 6 1420 方案 34B4F 18F1 31 1 1 8 1 0 6 1425 图 4 方案 3 水系统原理示意图 写字楼酒店 6 7 15 三 结论三 结论 在超高层建筑的空调系统里 考虑到管路系统的焊接 密封 成本及可靠性等问题 其空调水系 统的划分应控制在 2 5MPa 以内 超高层空调水系统分区减少 则泵组及板换设置数量少 运行管理 简单 运行能耗低 供冷效率高 本文通过对某超高层项目 3 个方案的对比 认为在严格的选材和规 范施工的基础上 高承压的水系统方案是更为经济合理的 四 参考文献四 参考文献 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 沈恭 等 上海八十年代高层建筑设备设计与安装 M 上海 上海科学普及出版社 1994 3 陆耀庆 等 实用供热空调设计手册 第二版 上册 M 北京 中国建筑工业出版社 2008 4 陆耀庆 等 实用供热空调设计手册 第二版 下册 M 北京 中国建筑工业出版社 2008 5 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局 中华人民共和国建设部 通风与空调工程施工质量 验收规范