超高層辦公建筑多聯式空調系統設計

葉 豐 溫州設計集團有限公司高級工程師

在以分層、分單元產權或出租為主的辦公建筑中，各小業主工作時間、使用習慣等差異較大，對空調使用的需求也各不相同。多聯式空調系統具有使用靈活、設備緊湊、安裝維護簡便以及可分區獨立控制和計費等特點，所以在個性化使用要求較高的辦公建筑中的應用越來越普遍。同時，針對某些分階段投用的辦公建筑，可以根據現場情況分期、分批、逐層安裝，且不影響其他樓層空調的使用，同時緩解項目資金壓力。

對于超高層建筑，需要考慮空調區域劃分、冷媒管長度衰減、室內外機最大高低差等眾多要素，合理布置多聯式空調室外機位置，既能保證建筑外立面的美觀協調，又能確保空調效果。

1 空調系統設置

進深不大、窗戶面積較小的辦公空間，室內熱環境差別不大。當房間進深較大（＞9 m）、窗戶面積大時，在周邊區全年空調負荷受室外氣候、日射和冬季窗面下降冷氣流等影響下，需要在夏季供冷、冬季供熱，春秋過渡季可以減小供冷量或供熱量。而內區受室外氣候和日射影響較小，設備照明和人體散熱等常年穩定的散熱，需要全年供冷[1]。根據《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》GB50736-2012 7.3.2條的要求：進深較大的開敞式辦公用房，內外區負荷特性相差很大，宜分別設置空調風系統[2]。

當建筑物無明顯的內區時，可根據產權或使用區域劃分多聯式空調系統，此時，同一系統內為同時制冷或制熱。當房間進深較大時，需按內、外區分設多聯式空調系統或采用熱回收型（自由冷暖）多聯機系統，以滿足同時制冷、制熱的需求。

2 風冷式外機設置

風冷多聯式空調系統施工、運維便利，在超高層建筑的應用中，難點在于室外機的布置。超高層建筑中室外機通常為分層設置或就近集中設置于避難層、裙房及主樓屋面。分層布置較多應用于超高層住宅和公寓，受限于立面及樓層自下而上的氣流干擾，較少應用于超高層辦公建筑。以下著重探討外機在避難層的布置。

2.1 避難層布置要點

按照現行防火規范，兩個避難層之間的高度不宜＞50 m。參考主流品牌多聯機室內外機間最大高度差大致為50～70 m（外機在上）、40 m（外機在下）。按上述數據，室外機就近布置于服務樓層上、下避難層時完全滿足最大高度差要求。

考慮避難區自然通風要求及設備用房的布置，室外機通常會雙排集中布置，參考布置如圖1、2所示。為保證散熱效果，室外機側百葉開口率需大于75%。

2.2 CFD模擬分析

按圖1平面布置，利用CFD模擬軟件Airpak進行數值模擬。設定當地夏季室外空調計算溫度為33.8 ℃，室外平均風速2.0 m/s。隨著建筑高度升高，空氣溫度下降及風速上升。分別按第一避難層（高度50 m，33.8 ℃，2.7 m/s）和第三避難層（高度150 m，33.2 ℃，3.5 m/s）進行模擬，模擬結果如圖3、圖4所示。

圖1 避難層空調外機布置圖

圖2 空調外機剖面

圖3 迎風面外機溫度模擬（左：第一避難層，右：第三避難層）

圖4 非迎風面外機溫度模擬（左：第一避難層，右：第三避難層）

在4種模擬工況中，進風溫度最高為第三避難層迎風面處外機，此時進風平均溫度（約42.7 ℃）仍滿足多聯機外機最高進風溫度要求。

如圖3所示，當外機處立面為迎風面時，進風溫度明顯高于非迎風面，且隨著高度升高，風速上升、進風溫度升高。

如圖4所示，當外機處立面為非迎風面時，隨著高度升高，進風溫度降低。綜上所述，當條件許可時，室外機應避免迎風布置。

3 水冷式外機設置

當建筑立面不能接受風冷室外機所必需的百葉時，可設置水冷多聯空調系統。該系統通過水循環系統換熱，無需考慮散熱排風需求，確保建筑物外立面和諧美觀。夏季由冷卻塔散熱，冬季建筑物內發熱量不能滿足外區需熱量時，采用燃氣鍋爐、市政熱源等向系統補充熱量。

當條件許可時，也可以采用土壤源、地下水及地表水等可再生能源為系統補冷補熱。相對風冷系統，其不受室外氣候限制，運行穩定。同時，同一建筑內多套多聯機系統并聯，共用換熱水系統，在過渡季節或其他內外分區明顯的區域，系統可在水側完成熱回收，實現整體節能效果。

3.1 水冷多聯系統設計要點

水冷多聯外機可放置于建筑內區，并能上下重疊擺放，有效節省機組占地面積。為盡可能縮短多聯機系統管長，外機首選設于服務樓層的空調機房內，當服務樓層無設置輔助用房條件時，外機亦可集中設置于避難層設備用房內。

水冷多聯空調系統冷媒側設計同風冷系統，一樣其設計難度主要在于水側，對應風冷主機，水冷機每個模塊內置板式或套管式換熱器，建議水系統采用閉式循環，散熱采用閉式冷卻塔或開式冷卻塔加換熱機組。

根據某主流品牌水冷多聯式空調機組技術手冊，制冷制熱正常連續運轉進水溫度范圍為15～45 ℃。此時外機制冷效率（cop）隨進水溫度降低而升高，制熱效率（EER）隨進水溫度升高而升高。通常浙江地區開式冷卻塔供回水溫度設定在32 ℃/37 ℃。如按最小換熱溫差1.5 ℃選擇板換,則一次板換熱后供回水溫度33.5 ℃/38.5 ℃。為提高制熱效率，冬季補熱一次，換熱后供回水溫度取值45 ℃/40 ℃。根據技術手冊，設置冷工況室內溫度為24 ℃、制熱工況室內溫度20 ℃，對應以上一次換熱后供回水溫度，以10 HP外機為例，cop為4.36、EER為8.75。考慮水側承壓，二次板換設置于第二避難層（約100 m高度），假設二次換熱后供回水溫度分別為35℃/40℃、40℃/35℃，則對應cop為4.18、EER為8.51。

根據空調逐時負荷統計數據、水側供回水溫度及水冷外機的COP、EER值，進行冷卻塔、鍋爐、熱交換器及冷（熱）水泵選型。當采用土壤源等補冷、補熱時，需進行全年負荷計算。

3.2 水系統設計

水系統建議同程設置，采用一次泵變水量系統，水泵采用臺數控制和變頻調節相結合，以減少運行能耗，但需要保證水冷外機最小流量要求。水冷外機進水管上設有電動二通閥與機組聯鎖，為了保證水冷外機的水流量恒定，建議在外機每個模塊出水管上設置定流量閥門，提高系統輸送效率。配管大樣如圖5所示。

圖5 水源多聯式空調模塊配管大樣

4 結語

設計應重視冬季內、外區同時存在的冷、熱負荷，實現熱量回收，提高系統的節能性。結合多聯機產品特性，設計合理的冷媒管長度，同時應滿足內、外機高度差的要求。當采用風冷多聯系統，在滿足建筑立面美觀性的同時，需注意室外機的散熱環境，避免系統長期運行在低效率區間。當條件許可時，室外機應避免迎風布置。當采用水冷多聯系統，水側系統應考慮承壓分區設置并完善水力平衡設計。