超高層辦公建筑空調通風系統設計的影響因素分析

陳 威

（廣東省建筑設計研究院第二機電設計研究所，廣東廣州510010）

0 引言

建筑高度超過100 m時，不論住宅還是公共建筑均為超高層建筑[1]。截至目前，世界十大高樓排行榜中，已建成和在建的超高層建筑中國獨占七座。2017年，我國共建成200 m以上的超高層建筑76座，約占該年世界總建成超高層數量的53%，其中大部分集中在我國的華南地區。

超高層建筑主要功能包括辦公、酒店、展覽、觀光旅游、電視廣播發射以及購物中心等，其中以辦公功能使用面積占比最高。筆者曾有幸參與設計幾個華南地區超高層辦公樓項目，本文對項目設計方案和設計過程進行了一些提煉總結分析，希望能對設計師設計超高層建筑空調系統略有參考作用。

1 建筑高度對建筑圍護結構冷熱負荷的影響

（1）查閱資料[2]，珠三角地區不同高度下風速變化關系如表1所示。

由表1可知，隨著建筑物高度的增加，風速增大，則建筑圍護結構換熱系數必然發生改變，故本工程對此進行初步數值模擬以得出較為準確的結論，詳見下文。

表1 建筑高度與風速關系表

（2）夏季建筑外表面熱流強度隨建筑高度變化的模擬統計結果如表2所示，其中負數代表熱流方向為從室外流向建筑內，正數代表熱流方向為從建筑內流向室外。

由表2數據可知，隨著建筑物高度的增加，風速增大，外表面換熱系數增加，但對建筑物圍護結構的傳熱系數影響不大；玻璃圍護結構輻射得熱近似認為不隨建筑物高度的變化而變化。

表2 建筑高度與熱流強度關系表

綜上所述，建筑高度對建筑圍護結構冷負荷的影響較小，在常規設計過程中可忽略不計。因此在設計過程中，主要考慮房間用途、人員密度等非外圍護結構因素對空調負荷的影響，從而在一定程度上有效簡化了空調負荷計算，提高了設計效率。

2 建筑高度對空調水系統設計的影響

由于超高層建筑體量大，水靜壓高，空調水系統工作壓力也逐漸增大。設計中，為解決設備和管道高承壓問題，一般采用設置板式換熱器豎向分區或選擇高承壓設備和管道系統方案。當采用設置板式換熱器豎向分區方案時，雖然可控制系統工作壓力維持較低值，但由于板換換熱特性，二次換熱側水溫升高，能源利用率降低，末端設備選型需偏大，會造成投資增高和能耗增加。當采用高承壓設備和管道系統的配置方案時，雖然系統工作壓力較高，可保持低區和高區供水溫度一致性，提高能源利用效率，但主要設備和管道系統投資就會隨之增大。因此，設備和管道系統承壓的選擇和如何充分利用設備和管道系統的承壓能力，盡量減少豎向分區，便成為影響空調水系統豎向分區的主要因素[3]。

2.1 設備和管道承壓

根據GB/T 19232—2003《風機盤管機組》及現有設備廠商提供的參數，空調系統主要設備的承壓值如下：

（1）風機盤管常規最大承壓值1.6 MPa，極個別廠家可做到1.75 MPa。

（2）空調風柜等機組盤管常規最大承壓值1.6 MPa，極個別廠家可做到1.75 MPa。

（3）冷水機組常規最大承壓2.0 MPa。

（4）水泵、板式換熱器最大承壓2.5 MPa。

（5）閥門和管道由于材質不同，承壓范圍較廣，完全可以滿足空調水系統的承壓要求。

2.2 超高層建筑空調水系統豎向分區原則

根據設備承壓和能效平衡，結合現行設計規范和技術措施等相關規定，空調水系統豎向分區原則可總結如下：

（1）末端設備承壓不宜超過1.6 MPa。

（2）冷水機組承壓不宜超過2.0 MPa，板式換熱器承壓不宜超過2.5 MPa。當冷源系統需要增大承壓時，宜優先增大板式換熱器和水泵承壓。

（3）系統最大工作壓力不宜超過2.5 MPa。

2.3 不同高度超高層建筑空調水系統豎向分區方案

根據上述分析，不同高度超高層建筑空調水系統豎向分區應采用不同配置方案：

（1）系統高度小于120 m的建筑，水系統豎向可不分區，所有區域制冷可由制冷機組直供。

（2）系統高度在120～240 m之間的建筑，120 m以下區域采用制冷機組直供，在100～120 m之間的設備層設置板換，制冷主機經板換換熱后供120 m以上分區使用。

（3）系統高度在240～360 m之間的建筑，120 m以下區域采用制冷機組直供，在120 m高度附近區域設備房設置板換，分為中區板換和高區板換，中區板換供120～240 m分區使用，高區板換供240～360 m分區使用。

以上分區高度不是絕對的，是以主機承壓和末端承壓要求為主要考慮因素，同時盡量避免制冷機組設置在塔樓并減少板換換熱次數，是從純技術角度分析，具體系統分區還跟建筑功能分區、管理運營方式有關，需同時考慮技術和經濟因素，綜合權衡后才能確定具體分區方式。分區的主要目的是保證系統安全、節能、經濟、合理運行。

3 室外風壓對空調、通風系統設計的影響

查閱相關資料，建筑高度為100 m時風壓高度變化系數為1.5，200 m時為2.03，300 m時為2.43。根據表1，當建筑高度在100～300 m區間時，室外風速在6～8 m/s之間，而我們常規設計排風風速基本在此風速區間，同時根據建筑規范等要求，超高層建筑的主要避難層基本也設置在此高度區間，而避難層是設備專業集中送排風的設備層，所以如何避免出現避難層由于室外風速、風壓因素導致風機進排風困難的問題，是超高層空調通風系統的設計難點。

在筆者曾參與設計的工程中，避難層百葉開啟采用角位端部不同方向的兩面開設通風百葉的方案，利用了均壓環的原理，即每個避難層百葉開啟位置在西北角、東北角的兩個角面，并用風道連通；同理，西南面、東南面的百葉分別開設在西南、東南面，并用風道連通，以有效解決由于高區室外風壓過大進排風困難的問題。同時，在風機選型上，也適當考慮加大了風機的壓頭，共同保證進排風的順暢。

4 結論

（1）建筑高度對建筑圍護結構冷熱負荷的影響較小，在工程設計中可以忽略建筑高度對冷負荷計算的影響。

（2）高層建筑空調水系統應進行豎向分區，且分區高度以主機和末端承壓1.6 MPa為限。

（3）超高層建筑避難層的進排風應利用均壓環原理，從而避免因室外風速和風壓影響導致單面開設百葉進排風不通暢，以致影響通風、空調系統正常運行的情況。