超高层空调水系统设计探讨

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超高层建筑空调水系统设计探讨

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：①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；②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；③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——①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；②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）
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