淺談廣州某超高層建筑空調(diào)水系統(tǒng)分區(qū)設計

許 穗 民 ， 劉 坡 軍 ， 張 斯 雅

（1.廣東省建筑設計研究院有限公司，廣東省廣州市 510010；2.廣東省制冷學會，廣東省廣州市 510080）

隨著技術進步和經(jīng)濟發(fā)展，超高層建筑如雨后春筍般拔地而起。為了與項目的定位匹配，超高層建筑一般都采用冷凍水系統(tǒng)。而整幢建筑物的空調(diào)容量大，各房間功能迥異，使用規(guī)律與負荷特點差別很大，空調(diào)水系統(tǒng)豎向合理分區(qū)，一直都是暖通空調(diào)設計師的挑戰(zhàn)。空調(diào)水系統(tǒng)豎向分區(qū)是否合理，是暖通設計一個非常關鍵和重要的環(huán)節(jié)，對整個項目空調(diào)水系統(tǒng)方案確定，起著決定性的作用。本文以作者的實際工程案例，對超高層建筑空調(diào)水系統(tǒng)豎向分區(qū)三種常見方法［2，8-11］，對各形式水壓分布和設備承壓情況分析比較，再根據(jù)功能房間使用需求，而確定采用水冷與風冷相結(jié)合的空調(diào)系統(tǒng)方案。

1 目前空調(diào)系統(tǒng)主要設備和管道系統(tǒng)的承壓

保證設備在實際運行時的工作壓力不超過其額定工作壓力，是系統(tǒng)安全運行的必須要求［1］。充分利用設備和管道系統(tǒng)承壓能力，是確定豎向分區(qū)方案的前提條件。

1.1 設備承壓［2］

（1）冷水機組：1.6、2.0 MPa

（2）空調(diào)機組、風機盤管機組：1.6 MPa

（3）板式換熱器：1.6、2.0、2.5 MPa

（4）手動、電動閥門：1.6、2.0、2.5、4.0 MPa

1.2 管道系統(tǒng)承壓

根據(jù)文獻［3］調(diào)研結(jié)論，

（1）薄壁不銹鋼管道最大承壓不能超過1.6 MPa，鋼塑復合管、銅管最大工作壓力不超過2.5 MPa。當系統(tǒng)工作壓力≤1.6 MPa時，可采用焊接鋼管，當系統(tǒng)工作壓力大于1.6MPa時，宜采用無縫鋼管。

（2）管道連接方式的承壓

卡壓、卡套連接最大承壓不超過1.6 MPa；螺紋連接最大承壓不超過1.6 MPa；溝槽連接采用螺紋式機械三通時其最大承壓為1.6MPa，不采用螺紋式三通時最大承壓為2.5 MPa；螺紋法蘭連接最大承壓為1.6 MPa，普通焊接法蘭連接最大承壓為2.5 MPa，特殊工藝的法蘭可以達到4.0 MPa，甚至更高的承壓要求；焊接連接承壓可以達到管道本身的承壓要求。

（3）空調(diào)水系統(tǒng)的其它附件（如水處理設備、過濾器、軟接等）的承壓應根據(jù)系統(tǒng)工作壓力選取。

2 超高層空調(diào)水系統(tǒng)豎向分區(qū)常見方案

在充分利用設備和管道系統(tǒng)承壓能力的前提下，常采用①冷水機組統(tǒng)一設置在地下室機房，采用高承壓管道和設備；②設置板式水-水換熱器豎向分區(qū)；③冷水機組上樓分段設置空調(diào)系統(tǒng)的方式來進行豎向分區(qū)。

（1）冷水機組統(tǒng)一設置在地下室機房，采用高承壓管道和設備系統(tǒng)方案。該方案系統(tǒng)的工作壓力較高，設備和管道系統(tǒng)選用和安裝工藝要求嚴格。但此方案冷水機組集中設于地下制冷機房內(nèi)，噪聲和振動的問題容易處理，安裝方便，冷水機組可綜合全樓能耗進行集中控制，綜合能效比高。沒有中間換熱設備和分區(qū)循環(huán)泵，冷水溫度和末端設備的換熱面積不變，運行能耗降低，能源利用效率提高。一次水循環(huán)系統(tǒng)可減少管路及設備投資，系統(tǒng)簡單，運行管理簡單。

（2）設置板式換熱器豎向分區(qū)方案，低區(qū)采用水冷冷水機組直接供冷，高區(qū)采用經(jīng)中間換熱設備換熱后的二次水。根據(jù)文獻［4］的措施要求，高、低區(qū)采用同一冷熱源，在中間設備層內(nèi)布置水－水換熱器供高區(qū)使用，應符合下列要求：

1）高區(qū)二次空調(diào)冷水供水水溫宜高于一次水供水水溫1～1.5℃；

2）高區(qū)二次空調(diào)熱水供水水溫宜低于一次水水溫2～3℃。

該方案可將設備和管道系統(tǒng)承壓控制在1.6MPa以內(nèi)，但因二次水溫升高，經(jīng)過一級板式換熱器，冷源的供冷效率降低20%，在相同負荷的情況下，高區(qū)末端設備表冷器面積增大20%，不僅降低能源利用效率，系統(tǒng)還增加了高區(qū)循環(huán)泵，運行管理相對復雜。

（3）冷水機組上樓分段設置空調(diào)系統(tǒng)的方式即高、低區(qū)分別設置獨立的冷水機組，互不影響，不存在因換熱造成的能量損失。根據(jù)文獻［4］的措施要求，高區(qū)冷熱源設備布置在中間設備層或頂層樓板上時，應妥善解決設備的消聲、隔振問題以及對設備層凈高、結(jié)構的荷載要求。

作者將本超高層采用冷水系統(tǒng)作為初步方案，進行水壓計算、分析和比較，來確定設備和管道系統(tǒng)承壓能力，以充分利用其承壓能力，且分區(qū)次數(shù)盡量少為基本原則，最終確定舒適安全的空調(diào)水系統(tǒng)方案。

3 設備承壓與系統(tǒng)高度的關系

3.1 水壓計算與分析［5-7］

如圖1常見水系統(tǒng)示意圖中A點為系統(tǒng)最低點，其中水箱到A的的高度為h0（管路最低處靜水壓力），水泵楊程為hp。

圖1 方案一 水泵壓入制冷主機

圖2 方案二水泵吸出制冷主機

圖3 方案三水泵吸出制冷主機

當系統(tǒng)停止運行時，A 點壓力為系統(tǒng)靜水壓力：

當系統(tǒng)啟動瞬間，由于動壓尚未形成時，A點水壓為系統(tǒng)靜壓與水泵全壓之和：

當系統(tǒng)正常運行時，水泵出口壓力為系統(tǒng)靜壓與系統(tǒng)總阻力之和：

當系統(tǒng)啟動瞬間，由于動壓尚未形成時，管路中任意位置D點水壓為系統(tǒng)D點位置處靜壓與水泵全壓之和：

式中

HA— 系統(tǒng)靜水壓力，m H2O；

h0—管路最低處靜水壓力，m H2O；

hd— 管路任意位置D 點處靜水壓力，m H2O；

hp— 水泵壓頭，m H2O；

△hDA— 管路任意位置D 點～A點阻力損失（小于水泵壓頭），m H2O。

表1 各方案壓力情況

由于系統(tǒng)啟動瞬間，各點水壓為系統(tǒng)靜壓與水泵全壓之和減去△hDA， 為最大值，因此系統(tǒng)任意位置處設備和管道及輔材耐壓等級應按照其所在位置處的靜壓與水泵全壓之和減去△hDA確定。

3.2設備承壓

系統(tǒng)任意位置處設備和管道及輔材的承壓應不小于其所在位置處的靜壓與水泵全壓之和。即

式中

P—設備承壓，Pa；

Pd— 管路最低處靜水壓力，Pa；

Pp—水泵壓頭，Pa。

4 案例分析

4.1 建筑概況

廣州某總部基地項目， 建筑面積約192960m2，地下三層，地上裙樓三層，二座塔樓分為A塔樓和B塔樓，A塔樓三十六層，頂標高+149.95m， B塔樓樓三十二層， 屋面標高+128.85m。其中：

（1）地下一～三層主要功能汽車庫和設備配套用房，其中制冷機房設置在地下二層；

（2）裙樓首層～三層主要功能為A,B座大堂、餐飲用房和商場等；裙樓四層做空調(diào)機房、避難層等；

（3）A塔樓：五～三十三層為出租辦公用房，三十四～三十六層為該公司內(nèi)部辦公用房；

（4）B塔樓：五層～三十四層作辦公用房等；

（5）A塔樓和B塔樓二十一層作避難層，A塔樓十二層局部做避難區(qū)；

（6）擬采用空調(diào)冷水系統(tǒng)，僅夏天供冷。

4.2 水壓力特性

對高度較高的A塔樓作方案選定，且其空調(diào)水系統(tǒng)擬采用設計揚程為36.0m的冷凍水循環(huán)泵, 高位膨脹水箱定壓標高為 +(149.95+2.00)m

擬采用冷水機組設置于二層地下制冷機房高承壓設備和管道系統(tǒng)，不做豎向分區(qū)。

根據(jù)公式（5），可得

當冷水機組進水口側(cè)承受的壓力大于所選冷水機組蒸發(fā)器的承壓能力，但系統(tǒng)靜水壓力在冷水機組蒸發(fā)器承壓能力以內(nèi)，且末端空調(diào)設備和管件、管路等能夠承受系統(tǒng)壓力時，可將水泵安裝在冷水機組蒸發(fā)器的出水口側(cè)（水泵抽吸式），水系統(tǒng)豎向可不分區(qū)。［4］

計算結(jié)果顯示，該項目空調(diào)水系統(tǒng)采用方案二（圖2）的定壓方式，即水泵吸入側(cè)與冷機組相連，定壓點在水泵吸入口前，豎向不分區(qū)。

4.3 該項目AB兩塔樓空調(diào)系統(tǒng)最終設計方案

（1）客戶對功能房間提出新的需求

1）對于A塔樓三十四～三十六層自用辦公區(qū)域?qū)崿F(xiàn)夏天供冷冬天供暖；

2）空調(diào)系統(tǒng)獨立于其他樓層，實現(xiàn)24小時不定時的供冷或供熱；

3）裙房商業(yè)、出租辦公需進行計量管理。

（2）根據(jù)以上要求，結(jié)合該項目的使用功能，采用風冷水冷搭配的中央空調(diào)系統(tǒng)。

1）風冷部分：AB座一～三層電梯廳設置商用分體空調(diào)系統(tǒng)。A塔樓三十四～三十六層自用辦公區(qū)域設置多聯(lián)式中央空調(diào)系統(tǒng)，室外機設置在A塔屋面。

2）水冷部分：分別于裙房商業(yè)部分，A座塔樓五～三十三層出租辦公用房部分，B座塔樓部分設置三套獨立的水冷中央空調(diào)系統(tǒng)，制冷機房設置在地下二層，冷卻塔放置在裙房屋面；AB座塔樓首、二層大堂空調(diào)設置全空氣系統(tǒng)，全空氣處理機組設置在裙樓四層空調(diào)機房，送回風管通過豎向管井送至對應大堂。

制冷主機房設于地下二層（標高-11.2m），制冷工況冷凍水設計供/回水溫度7/12℃，冷卻水設計供/回水溫度為32/37℃，冷卻水泵、冷凍水泵與制冷主機一一對應設置。冷凍水泵設于地下二層制冷機房內(nèi)（標高-11.2m），設計揚程36.0m。空調(diào)末端采用風機盤管加新風系統(tǒng)。

（3）以A塔樓五～三十三層出租辦公用房部分的空調(diào)水系統(tǒng)為例再次進行校驗。

地下二層制冷機房標高為-11.2m，系統(tǒng)最低末端設備位于裙樓四層空調(diào)機房，標高為+16.00m，系統(tǒng)最高末端設備位于33層，末端標高136.80m，高位膨脹水箱定壓（標高為+139.00m），定壓接入點為制冷機房內(nèi)的水泵吸入口處，A塔空調(diào)豎向水系統(tǒng)示意圖，見圖4。

圖4 A塔空調(diào)豎向水系統(tǒng)示意圖

對于A點，地下二層水泵出口側(cè)設備承壓：

對于B點，四層設備承壓：

對于C點，十九層設備承壓：

對于地下二層水泵入口側(cè)設備（制冷主機）承壓：

因此，A點～B點僅制冷機房間的設備，管道及輔材的承壓選用2.0 MPa等級；B點～C點四層至十八層區(qū)間的設備，管道及輔材的承壓選用1.6 MPa等級；C點十九層～頂層區(qū)間的設備，管道及輔材的承壓選用1.0MPa。A塔樓五～三十三層出租辦公用房部分的空調(diào)水系統(tǒng)工作壓力滿足設備和管道系統(tǒng)的承壓能力。

5 結(jié)論

（1）參與超高層項目空調(diào)水系統(tǒng)設計時，務必掌握設備和管道系統(tǒng)的承壓能力；

（2）務必先對空調(diào)水系統(tǒng)進行最大工作壓力的計算；

（3）結(jié)合現(xiàn)行設計規(guī)范和技術措施的規(guī)定，工作壓力控制在2.0Mpa以內(nèi)為前提，進行分區(qū)方案對比；

（4）應盡量用足一次水可能達到的高度，避免分區(qū)，也是一項節(jié)能措施。

（5）空調(diào)水系統(tǒng)設計發(fā)生變更后，務必再進行水壓驗算，并將不同的工作壓力于水系統(tǒng)圖標注清楚。