办公建筑暖通空调系统设计分析

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摘要：项目是由南、北裙房及塔楼组成的城市综合体，功能以办公为主，属超高层建筑。介绍该项目的空调冷热源配置、高端办公区的辅助采暖系统、空调水系统、空调风系统以及节能措施等，总结在超高层办公建筑暖通空调系统设计中应注意的问题，如精确计算建筑的冷热负荷、合理确定区域的水系统制式、根据负荷特点进行冷水机组选型等。

关键词：超高层建筑；冷热源；辅助采暖；系统设计

城市化进程的不断加快，促使城市市区的人口密度急剧膨胀，城市核心区的土地面积有限，高层建筑逐渐被人们重视。各国对高层建筑的定义存在差异，日本将10~17层、高度低于45m的建筑称为高层建筑，高度高于45m的建筑称为超高层建筑；我国规定24m（住宅27m）以上的建筑为高层建筑，高度在100m及以上的高层建筑称为超高层建筑[1-2]。超高层建筑作为城市的地标之一，处于优越的地理位置，一般作为金融、证券、贸易及各类专业人士的办公场所[3-4]。以某典型的超高层办公建筑为例，详细阐述暖通空调系统的设计，包括冷热源的选择、水系统的竖向分区、冬夏季空调的系统流程等[5-6]，可为超高层建筑的空调系统设计提供思路。

1工程概况

项目位于无锡市经济开发区金融街区，现代风格建筑，建成后将是无锡市地标性建筑。建筑面积109927m2，地上由塔楼及南、北裙房组成。塔楼高179.6m，为37层的超高层，功能为普通办公区及高端办公区；南、北裙房高度均为21m，为4层的多层建筑，南、北裙房呈对称设计，功能为办公及部分商业用房。共设2层地下室，地下室面积约为28142m2，包括停车位、设备用房等。项目的避难层分别设置在7层、17层及27层。

2冷热源

2.1冷热负荷

超高层建筑空调负荷的计算方法与多层建筑的方法相同，不同之处主要为平均风速及空气温度[3]。超高层建筑的室外风速随着建筑高度的增加而增加，由于风速较大，外围护结构受到的风压也较大，应全面考虑超高层建筑可开启外窗的渗透风量。针对多层建筑或低于100m的高层建筑，空气温度取设计规范中给出的设计温度值即可。超高层建筑的高度越高，室外温度越低，室外温度的下降将影响围护结构的传热计算，影响空调系统的新风冷热量。推荐的室外计算温度，一般根据建筑高度取规范中的当地室外空气进行计算，干球温度的降低范围为-3.6~-1.2℃。冷热负荷计算是决定冷热源的基础性条件，应考虑项目高度引起的室外风速的增大及空气温度的降低。

2.2冷热源系统形式

空调冷热源水系统流程如图1所示，采暖热源水系统流程如图2所示。项目应充分考虑建筑布局、功能分区、运营需求，考虑能源形式时，以节能、环保为准则，满足节能标准为前提，综合确定能源系统形式[2]。冷热源集中设置，地下1层设置制冷机房及锅炉房，为南、北裙房和塔楼提供冷热源，锅炉房设置在靠外墙的位置，远离主要出入口[1]，上方设置轻质屋面形式，避免出现爆炸造成冲击。2.2.1系统水温及系统竖向分区超高层建筑的高度较高，设计空调系统的水系统时，必须使水系统的静水压力及系统运行时的工作压力小于冷热源主机、循环水泵、空调末端设备、水管及管道系统配件的承压能力。为降低系统的承压，超高层建筑一般采用板式换热器[。空调冷却水供/回水温度为6℃/12℃；空调热水供/回水温度为60℃/50℃。17层为避难层，设置空调冷热水板式换热器，换热后的供/回水温度分别为7℃/13℃和58℃/48℃；空调冷却水供/回水温度为32℃/37℃；采暖热水供/回水温度为85℃/60℃；设置2组板式换热器，换热后供/回水温度为80℃/55℃，为中区（18~27层）采暖和高区（28~37层）采暖服务。2.2.2冷源采用3台制冷量为2461kW的离心式冷水机组和1台制冷量为1093kW的螺杆式冷水机组，作为空调系统的冷源。小机组容量为大机组容量的40%~50%，保障部分负荷工况下机组的高效率运行。在避难层（17层）设置2台换热量1800kW的空调冷水板式热交换器，为高区空调冷水换热，系统设置4台500m3/h的开式冷却塔，放置在南裙房屋面。2.2.3热源热源采用2台制热量2326kW和1台1400kW的真空燃气热水锅炉。在避难层（17层）设置2台1800kW的空调热水板式热交换器，为高区空调热水换热，1台故障时，总换热量不低于设计需求量的60%[4]。考虑到塔楼高端办公（8层及以上）的高舒适性要求，冬季在设置空调取暖的基础上，还需要设置散热器辅助采暖。辅助采暖按照50W/m2提供，高端办公区采取空调+采暖的新模式。锅炉房另外设置2台制热量1050kW的真空燃气热水锅炉为塔楼高端办公区供暖。在避难层设置2台换热量581kW的板式换热器为中区18~27层服务，设置另外2台换热量581kW的板式换热器为高区28~37层服务。

3空调水系统

（1）空调冷、热水系统为闭式系统，采用二管制机械循环异程式系统，水系统为一级泵定流量系统。低位设置落地式定压装置定压，设置全自动加药装置进行水质处理。（2）空调冷、热水系统采用一级泵变流量系统，根据最不利环路空调末端的压差调节水泵的转速。在满足空调系统供水量需求的前提下，降低了部分负荷下的输送能耗。供回水总管之间设置最小流量旁通。（3）在集水器各回路干管上设置静态平衡阀，每台空调机组、新风空调机组的回水管路上设置比例积分式电动调节阀及动态压差平衡阀。每台风机盘管的回水管路上设置电动两通阀，连接风机盘管的供回水支干管上设置静态平衡阀及自力式压差控制阀。（4）空调冷热水分为5环路，分别向南裙房、北裙房、塔楼6层及以下、塔楼8~16层、塔楼避难层17层空调用板换供水。其中南裙房、北裙房、塔楼6层及以下区域采用二管制末端；塔楼8~16层、经板换向塔楼18层及以上楼层供水均采用四管制末端。（5）塔楼8层及以上为高端办公区域，有采暖需求。采暖热水分为2环路，分别向塔楼8~16层、塔楼避难层17层采暖用板换供水。在避难层17层设置两组板式换热器分别为中区18~27层和高区28~37层服务。

4空调风系统

（1）商业、大空间办公、大堂、复式办公等大空间场所，采用全空气空调系统，送风方式根据不同空间条件及使用需要，采用顶送、侧送等不同的送风方式，回风采用集中回风。南、北裙房商业及塔楼6层及以下根据层高选用不同的风口，塔楼8层及以上采用VAVBOX变风量末端形式。（2）包间等一些小面积房间，采用风机盘管加新风系统，气流组织根据不同空间条件及使用需求，采用顶送、侧送等不同的送风方式。（3）全空气空调系统的新风比可调，过渡季最大新风量可达50%，人员密集场所可达70%，排风系统风机风量与新风量对应控制，所有空调箱均自带变频器。人员密集的全空气系统中，室内设置CO2浓度监测装置，实现运行中新风量可调，节约空调系统新风能耗。（4）塔楼是办公区域的主要承载部分，大部分布置为办公功能，造成各层设备机房的面积有限。将新风和排风换热的轮转式换热模块布置在设备层，经过预处理的新风经竖向新风井道分配至各层空调机房，再经过空调箱送至各办公区域。排风经竖向排风井道，经轮转式换热模块与新风热交换后排至室外。（5）新风系统、空调系统的新风入口处设置与风机联锁启闭的电动密闭风阀。新风机组、空调机组内设置加湿器对空气进行加湿处理，空调系统采用湿膜加湿。

5节能措施

（1）采用高效率的水冷冷水机组，在名义工况和规定条件下，冷水机组制冷性能系数COP满足规范要求；采用高效率的真空燃气热水锅炉，在名义工况和规定条件下，锅炉的热效率满足规范要求。冷热源采用模块机组群控方式。（2）全空气空调系统、送风机、排风机均采用变频调速电机，实现了过渡季全新风运行模式或空调季可调新风比。（3）新风机组、空调机组采用排风热回收式的新风预冷（热）模式，空调季节室外新风通过初效过滤器后，经过热回收元件（轮转式换热）与排风进行热、湿交换，进行预冷或预热。过渡季节开启旁通阀，新风不经过轮转式换热元件，直接送入新风机组、空调机组；排风也不经过热回收元件，直接排至室外。（4）南、北裙房及塔楼的空调水系统采用一级泵变流量系统，落地式定压装置定压，一级泵变速运行调节流量，可以根据末端流量的变化调节循环泵的转速，通过BMS系统调节机组的运行台数，达到节能的目的。（5）冷却塔风机采用台数控制及变频调速控制。

6结语

（1）超高层建筑的暖通空调系统设计的前提是准确地计算建筑的冷热负荷。相较于一般的多层建筑负荷计算，要考虑建筑高度变化带来的室外平均风速增大及空气温度降低带来的负荷变化。（2）超高层建筑空调（采暖）水系统的竖向分区要结合建筑的避难层设置，综合安全性、经济性及运行管理因素，全面比较后确定方案。（3）根据不同场所的功能定位及甲方对冷热环境的要求等，合理确定区域的水系统制式，合理采用二管制、四管制及分区两管制等。（4）根据负荷特点，冷水机组选型按照“三大一小”制冷容量搭配，小机组容量为大机组容量40%~50%，保障部分负荷工况下机组高效率运行。热水锅炉按照“二大一小”搭配，保障部分负荷工况下锅炉的高效率运行。

参考文献

[1]GB50016—2014，建筑设计防火规范［S］.

[2]张铁辉.深圳中州控股中心暖通空调设计［J］.暖通空调，2014，44（5）：21-26.

[3]范存养，杨国荣，叶大法.高层建筑空调设计及工程实录［M］.北京：中国建筑工业出版社，2014.

[4]GB50736—2012，民用建筑供暖通风与空气调节设计规范［S］.

[5]李鹏.郑州某超高层建筑综合体暖通空调系统设计［J］.建筑热能通风空调，2019，38（4）：93-95.

[6]肖小野.大连某超高层建筑暖通空调系统设计［J］.建筑热能通风空调，2017，36（1）：92-95.

作者：李晴 单位：上海建工集团股份有限公司