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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参谋 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展比照分析，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，围护构造外外表放热系数加大；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局部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，从而防止低区的设备及管路承压过大。目前钢构造技术的进步使得超高层建筑的高度有了进一步的提升，300400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那么势必导致末端设备承压要求过高，导致换热器面板与管壁加厚过多，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，研究说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那么需要加大20%。表1：典型超高层建筑空调水系统分区及承压设计工程名称 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深圳开展中心大厦 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 1.01.5 7/12 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到达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展分区，首先要确定一个分区高度，这个分区高度是由设备与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1.02.1MPa、板换的承压范围为1.63.0MPa、水泵壳体的承压范围是1.02.5MPa、空调机组承压为1.01.6MPa、管道及阀门的承压范围是1.62.5MPa。对于超高层建筑来说，板换级数增加那么导致冷源效率降低，板换级数少那么设备承压要求提高，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拟后确定。二、超高层办公空调水系统分区方案比拟图1为某超高层办公楼效果图，共98层，最高点高度439m，集办公与酒店于一体。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，办公与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。那么办公局部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，那么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到达3.5MPa，目前还没有设备有这么高的承压能力。因此对于本工程，不设中间换热器的做法从技术上来说是不可行的。如何对本工程的空调水系统进展分区，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。方案1：如图2所示，在办公局部的中间设备层37F处设置一组水水板式换热器，整个系统仅分为上下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，那么主机房内冷水机组、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与。高区与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1.02.1MPa之间。方案2：如图3所示，基于办公局部建筑本身避难层的设置将办公局部自然分为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，效劳于18层以下区域；另外三组均设于18层避难层处，分别效劳于上部的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，那么主机房内冷水机组、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与。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、板换及局部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，那么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5572层之间的供水如由18层的2级板换直接供给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级板换供给。那么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。综合比拟可以看出，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拟高，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、管路的承压仍不可防止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，运行控制与维护均较为复杂。因此认为方案1为最正确方案。同时，由于本工程是目前深圳地区建筑高度较高的地标性建筑，在此工程中采用先进的设计理念与技术也具有典型的意义。为保证工程的平安性，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，防止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拟分区方案 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 次级水温度 冷源效率降低个 MPa MPa MPa 方案1 2 37F 2.1 2.0 1.02.1 5/13 6/14 10方案2 4 B4F,37F 2.1 1.11.8 <1.0 6/14 20方案3 4 B4F,18F 1.3 1.11.8 <1.0 6/147/15 25 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、本钱及可靠性等问题，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，那么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工程3个方案的比照，认为在严格的选材与标准施工的根底上，高承压的水系统方案是更为经济合理的。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，20042 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，19943 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，20214 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，20215 中华人民共与国国家质量监视检验检疫总局、中华人民共与国建立部通风与空调工程施工质量验收标准S北京：中国方案出版社，20026 中华人民共与国国家质量监视检验检疫总局、中华人民共与国建立部采暖通风与空气调节设计标准S北京：中国方案出版社，20037 中华人民共与国国家质量监视检验检疫总局、中华人民共与国建立部公共建筑节能设计标准S北京：中国方案出版社，20058 广东省建立厅?公共建筑节能设计标准?广东省实施细那么M北京：中国建筑工业出版社，20079 王钰超高层建筑空调水系统的分区技术J中国建立信息供热制冷，2007平安大厦外外表换热系数与建筑高度分析中建国际设计参谋 黄成 丁瑞星摘要：超高层建筑在高空局部室外热环境状况跟近地面附近热环境状况差异较大，本文通过CFD模拟分析的方法初步分析超高层建筑在不同的高度，建筑外外表换热系数的变化。关键字：外表换热系数 超高层建筑 CFD平安大厦塔楼建筑高度646米，不包含尖顶高度588米，空中环境跟近地面高度环境差异较大，比方温度变化，风速变化等，常规设计计算参数恐不适应如此超高层设计。本文仅讨论不同高度建筑外外表换热系数差异，为设计提供参考。2对流换热 1在建筑热工中，空气沿围护构造外表流动，既包括由分子流动所引起的对流传热过程，同时也包括空气分子间与相接触的空气分子与壁面分子之间的导热过程，这种对流与导热的综合过程称为外表的“对流换热。21式中： ：对流换热强度， ；：对流换热系数， ；：固体外表温度， ；：流体的温度，。对流换热系数与气流流速、外表粗糙度、外表与气流温差等因素有关。在建筑热工学中，根据空气流动状况自然对流或受迫对流，构造所在位置是垂直、水平还是倾斜的，壁面状况是有利于空气流动还是不利于流动以及热流方向等因素，采用一定的实用计算公式。公式11：1 自然对流指围护构造内外表垂直外表 2.0 21水平外表热流由下而上 2.5 22水平外表热流由上而下 1.3 23式中 是壁面与室内空气的温度差，2 受迫对流内外表 2+3.6 24外外表 25式中 是气流速度，m/s。公式22：对于垂直墙体外表的对流换热系数可用以下经历公式计算：当 5m/s时， 5.82+3.95 2-6当 5m/s时，光滑墙外表 7.12 0.78 2-7中等粗糙墙外表 7.14 0.78 2-8粗糙墙外表 7.52 0.78 2-9式中 是当地室外设计平均风速，m/s。3辐射换热 2在建筑热工中，两外表的辐射换热量主要取决于外表的温度，外表发射与吸收辐射的能力，以及它们的相互位置。在建筑中，往往包括了多种不同的不固定的物体外表，很难具体做详细计算。工程计算时，外围护构造的辐射换热系数可以近似取45.8 。4城市梯度风 2城市的风是非常复杂的，首先明确在城市建筑物屋顶以下风速是较小的，而在屋顶平均高度之上，经常出现一个较大风速区，称为“屋顶小急流。其风速比下层平均约增加1米/秒。当有强风过境时，此屋顶小急流风速与下层风速的差距那么更大。其次，城市中风速的垂直变化是因城市下垫面的粗糙度与空气层结的稳定度而异的。如果不知道地转风速VG 的大小，亦可采用某一参考高度Zr 上的平均风速Vr 用公式4-1来计算摩擦层内风速随高度的变化：4-1V z ：在Z 高度的平均风速；V r ：高度为r Z 的平均风速，即取10 米高度的平均风速；Z r ：参考点高度；Z ：计算点高度；m ：其值因地面粗糙度与大气稳定状况而异。在中性平衡的大气层结下，城市地表状况取0.2。根据公式41计算出深圳地区不同高度风速变化如表4.1表4.1 梯度风风速计算表高度(m) 风速(m/s) 高度(m) 风速(m/s) 高度(m) 风速(m/s)(责任编辑：冲锋)2 2.804897 225 7.213524 525 8.5456055 3.369031 250 7.367141 550 8.62548510 3.87 275 7.50892 575 8.7025120 4.445463 300 7.640736 600 8.77690140 5.106496 325 7.764038 625 8.84885360 5.53785 350 7.87997 650 8.91853780 5.865823 375 7.989456 675 8.98611100 6.133537 400 8.09325 700 9.051709125 6.413469 425 8.191978 800 9.296703150 6.651647 450 8.286163 900 9.518302175 6.859912 475 8.376251 1000 9.721200 7.045583 500 8.462622 根据式25可以算出各高度受迫对流换热系数，但是依然无法获得各个高度辐射换热系数，所以外表换热系数依然难以准确确定。如果我们假设各个高度辐射换热系数相等，辐射换热系数取4.9 ，那么我们根据以上分析可以算出各个高度受迫对流换热系数，进而可以计算各个高度外表换热系数如表4.2。计算结果显示随着高度增加，风速增大，外表对流换热系数也逐渐变大。表4.2 经历公式计算外表换热系数高度(m) 风速(m/s) 外表换热系数1外表换热系数2高度(m) 风速(m/s) 外表换热系数1外表换热系数2冬季 夏季 冬季 夏季 10 3.87 20.83 23.83 26.08 400 8.09 36.02 39.02 41.3720 4.45 22.92 25.92 28.39 425 8.19 36.38 39.38 41.7240 5.11 25.30 28.30 30.38 450 8.29 36.74 39.74 42.0760 5.54 26.84 29.84 32.04 475 8.38 37.07 40.07 42.3880 5.87 28.03 31.03 33.29 500 8.46 37.36 40.36 42.66100 6.13 28.97 31.97 34.27 525 8.55 37.68 40.68 42.97125 6.41 29.98 32.98 35.31 550 8.63 37.97 40.97 43.25150 6.65 30.84 33.84 36.20 575 8.70 38.22 41.22 43.49175 6.86 31.60 34.60 36.96 600 8.78 38.51 41.51 43.77200 7.05 32.28 35.28 37.66 625 8.85 38.76 41.76 44.01225 7.21 32.86 35.86 38.23 650 8.92 39.01 42.01 44.25250 7.37 33.43 36.43 38.81 675 8.99 39.26 42.26 44.49275 7.51 33.94 36.94 39.31 700 9.05 39.48 42.48 44.70300 7.64 34.40 37.40 39.77 800 9.30 40.38 43.38 45.56325 7.76 34.84 37.84 40.20 900 9.52 41.17 44.17 46.30350 7.88 35.27 38.27 40.63 1000 9.72 41.89 44.89 46.98375 7.99 35.66 38.66 41.01 注：1 根据公式1中受迫对流计算结果；2 根据公式2中光滑墙外表计算结果。5 CFD模拟 一般经历公式难以直接得到不同高度建筑外外表换热系数，根据式11求出外外表热流强度后即可根据温差求出换热系数：51式中： ：外表热流强度， ；：外表换热系数， ， ；：壁面温度， ；：室外气温，。通过CFD模拟可以得到外表热流强度 ，根据温度差即可求出外表换热系数。5.1 CFD模拟条件A风向：根据气象数据统计，深圳夏季盛行东风，发生概率约为15；全年盛行东偏南风，发生概率约为14，平均风速/s。除主导风向外其他风向均有发生。平安大厦塔楼平面根本呈对称分布，我们模拟在如图5.1所示2种风况，此两种风况根本可以说明所有来流风向的特征。图5.1 CFD模拟风况平面示意图B风速：根据气象数据统计，深圳全年盛行东偏南风，发生概率约为14，平均风速/s。风速按第4节梯度风考虑，各个高度风速计算值为表4.1所示。C热状况：冬夏环境热状况如表5.1。表5.1 CFD模拟冬夏热状况 单位：室外气温 建筑外外表温度 温度差夏季 33 28 5冬季 6 15 95.2 夏季状况模拟夏季风况1建筑外外表热流强度分布：图5.2 夏季风况1建筑外外表热流强度分布数据中的负号表示外表吸热从图5.2可以看出在夏季气流正向流入情况下外表热流强度：迎风面>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，96114层热流强度较大约为140180W/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拟均匀，约在4080 W/m2。夏季风况2建筑外外表热流强度分布：图5.3 夏季风况2建筑外外表热流强度分布数据中的负号表示外表吸热从图5.3可以看出在夏季气流侧向45度流入情况下外表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，96114层热流强度较大约为140180W/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48220W/m2，2796层约100280 W/m2，96114层约为250300 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48120W/m2，2796层约100190 W/m2，96114层约为150210 W/m2。 综上所述，夏季建筑外外表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，那么热流强度大体随高度变化，不同高度换算的外表换热系数如表5.2，正常状况下气流正面流入发生概率较少，大局部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外表换热系数统计 单位： 低空 中空 高空迎风面 9.644 2056 5060侧风面 9.624 2038 30425.3 冬季状况模拟冬季风况1建筑外外表热流强度分布：图5.4 冬季风况1建筑外外表热流强度分布从图5.4可以看出冬季气流正向流入情况下外表热流强度跟夏季状况相似：迎风面>侧风面>背风面。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1201500W/m2，两侧约为2002500W/m2。96层以上热流强度略大，且分布相对均匀，热流强度约为2003500W/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拟均匀，约在60100 W/m2。冬季风况2建筑外外表热流强度分布：图5.5 冬季风况2建筑外外表热流强度分布从图5.3可以看出在冬季气流侧向45度流入情况下外表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180350W/m2，2796层约210470 W/m2，96114层约为270600 W/m2。侧风面底部27层以下热流强度值约为180280W/m2，2796层约220380 W/m2，96114层约为210380 W/m2。外表换热系数大小主要受外表风速、外表温度、气温、外表粗糙状况等的影响，在不同风向情况下，建筑外表风速差异较大，所以CFD模拟得到的换热系数差异较大。建筑外表风速大小跟风向，外表发向与来流风向的角度及高度都有关系，高度只是影响外表风速的大小的一个因素，所以如果忽略其他因素的影响，单独讨论换热系数与建筑高度的关系是片面的，也难以得到非常精细的量化结果，大体上高度增加，外表换热系数有增加的趋势，但是难以确定具体增加多少，不同风向，不同朝向外表换热系数大小差异较大。大体上CFD计算结果表5.2，5.3与经历公式计算结果表4.2具有一定相似性。6 外外表换热系数对围护构造的影响我们计算深圳地区一般构造在高空传热系数的变化对围护构造热工性能的影响，高空外外表传热系数500米取40 ，300米取37 原设计K值 设计 设计 新 新K值 K值增量外窗1 1.5 19 8.7 37300m 1.554 3.640500m 1.558 3.8外窗2 3.0 37300m 3.22 7.340500m 3.24 8.0从以上结果可以看到，外窗热工性能越好，外外表换热系数的变化、不同高度室外环境的变化对围护构造影响越小。参考文献：1 刘加平主编. 建筑物理M. 中国建筑工业出版社，20002 钱以明编著. 高层建筑空调与节能M. 同济大学出版社，1990第 20 页