某超高层办公楼的通风空调设计

李红坤

（中元国际（上海）工程设计研究院有限公司，上海200125）

某超高层办公楼的通风空调设计

李红坤

（中元国际（上海）工程设计研究院有限公司，上海200125）

介绍了某超高层办公楼的通风空调系统形式及特点，主要包括冷热源系统的变频控制，空调水系统的分区，空调风系统的分区和热回收，防烟系统的分段，新风供冷及冷凝水回收等节能措施，并进行了一些设计总结。

一次泵变流量；水系统分区；新风供冷；冷凝水回收

0　引言

随着城市建设和社会经济的发展，越来越多的超高层建筑在各大城市中大量涌现。这些建筑有着建筑高度越来越高，功能越来越复杂的趋势，为了满足建筑高度及建筑功能的要求，通风空调系统也愈加复杂。这就要求通风空调系统不仅要满足国家相关规范的要求，而且还要尽可能的降低系统的运行能耗及运行费用。以下针对某超高层办公楼项目做一些设计总结。

1　工程概况

该项目位于我国北方某城市，属夏热冬冷地区，包括一个高层展览性建筑和一个超高层办公楼建筑两个单体，本文主要介绍超高层办公楼建筑。该超高层建筑总建筑面积：102857.7m2，建筑高度：173.75m（含屋顶造型）；其中，地下4层，建筑面积：43408.84m2；地上36层，建筑面积：59448.85m2；第12层及27层为避难层，标准层层高为4.2m。该建筑地下四层至地下二层为汽车库，地下一层为汽车库、餐厅及设备用房等；裙房1～3层为大厅、会议室等，4层为数据中心；塔楼5～33层为开放式办公、会议室等；塔楼34～36层为餐厅、健身、室内泳池、屋顶花园等。

2　设计参数

2.1室外空气主要计算参数见表1。

表1　室外空气主要计算参数

2.2空调室内主要设计参数

见表2。

表2　空调室内主要设计参数

3　空调冷热源及水系统

3.1空调冷热源

该项目夏季空调计算冷负荷为9100kW，冬季空调计算热负荷为6600kW。其中，超高层办公楼夏季空调计算冷负荷为6500kW，单位建筑面积冷负荷为109W/m2，冬季空调热负荷为5200kW，单位建筑面积热负荷为87W/m2；展览建筑夏季空调计算冷负荷为2600kW，冬季空调热负荷为1400kW。

由于空调系统的能耗占建筑总能耗的比例较高，大约占建筑总能耗的50%，我们应针对具体项目情况经过技术经济比较分析以后，确定最适合的空调系统形式。据相关资料统计，在过去的30年内，由于冷水机组效率的提高，空调水系统中，冷水机组的能耗比例降低了约20%，而水泵的能耗比例却上升了10%［1］。所以，降低空调系统水泵的能耗非常必要，鉴于该工程规模较大，水泵的能耗更加突出，空调水系统设计为一次泵变流量系统。随着设备产品及自动控制技术的提高，采用一次泵变流量系统的技术日渐成熟，通常，其运行费用比二次泵系统节约9%，比一次泵定流量系统节约15%，而且，空调系统越大，其节能效果也越显著。在设计该系统时，应注意以下几个问题：应选用允许流量变化率大的机组，这有利于机组的稳定运行；应尽可能选用相同型号的冷冻机组；机组的隔离阀应缓慢动作，以有利于机组的加减机；同时空调末端上的电动阀应缓慢调节冷水流量［1］。

该工程中央空调系统冷热源由设置于超高层办公楼地下一层的冷冻机房及换热站提供。空调冷源选用三台制冷量为3363kW的变频离心式冷水机组，在机组COP值没有明显变化的情况下，机组的供冷量可以调节到额定制冷量的40%，此时，冷水机的供冷量为空调系统设计冷负荷的14%左右，可以满足过渡季节及晚上低负荷时间段的要求，所以没必要为适应低负荷时间段而另外设计一台小容量的制冷机；同时，设计相同型号的冷水机，更加有利于一次泵变流量系统的稳定运行。对应的冷水泵及冷却水泵均采用变频设备，夏季由离心式冷水机组提供6℃/12℃的空调冷水。

冬季空调热源由市政热网提供，市政热水（95℃/70℃，静水压线为0.64MPa）经两套板式换热机组换热后，提供60℃/50℃的空调热水，空调热水泵均采用变频设备。

3.2水系统

该工程空调水系统采用两管制一次泵变流量系统，空调供回水总干管经位于冷水机房内的分、集水器后，将空调冷热水送入各建筑空调区内，每层空调回水支管上设置静态平衡阀。空调水管主立管采用异程式，分支管水平同程布置。

该建筑屋面高度为153.33m，地下室冷水机房标高为-8.85m，如果水系统垂直方向不分区的话，系统最大工作压力为1.95MPa，虽然有如此高承压的冷水机组，但是空调末端、水系统管道及配件很难满足如此高的工作压力［2］。所以，空调水系统分为高、低两个区：-4F至12F为低区；13F至36F为高区，在12F设换热机组进行转换；低区冷水系统的供回水温度为6℃/12℃，高区冷水系统的供回水温度为7℃/13℃。低区水系统的工作压力为1.0MPa，高区为1.6MPa，水系统采用高位膨胀水箱定压补水，设全自动软化处理装置向膨胀水箱补水。低区膨胀水箱设在12F的换热机房内，高区膨胀水箱设置在屋顶机房设备层内。空调水系统中的冷水机组及所有管件、阀门、空调水泵、风机盘管、空调机组等设备的承压能力按高低区进行配置。空调冷热水系统原理图如图1所示。

由于业主不希望高区的避难层（27层）设置太多的机电用房，所以，空调水系统的分区位置只能设置于低区避难层（12层），这种做法虽然满足了建筑的功能需求，却造成了空调系统设计不合理的情况，加大了高区的换热损失，这也是今后设计类似项目时应该引起注意的地方。

该工程的冷却塔设置在4层裙房屋面，通过计算，冷却塔的补水量约为37m3/h。5层以上区域空调系统的冷凝水量约2000kg/h，该区域的空调冷凝水均通过冷凝水立管回收，采用重力流排至冷却塔集水盘作为冷却塔的部分补水。

图1　空调冷热水系统原理图

4　空调风系统及通风系统

4.1空调风系统

地下一层餐厅及一层入口大厅等大空间设计为全空气空调系统。一层入口大厅配合建筑造型，送风形式为喷口送风，为保证大厅的温湿度及气流组织，提高舒适度，空调处理机组配变频调速器，在大厅设置CO2浓度监测器，当浓度超过800ppm时，BMS系统报警，信号传至BAS楼宇控制系统，提高送风中新风量的比例；新风量除满足设计工况人员卫生要求外，在过渡季节，新风比例可提高至50%，利用新风供冷，以降低空调系统的运行能耗。空调机组设置混合过滤段、冷却加热段、湿膜加湿段、送风段。

经过与业主协商，考虑到建筑的初投资、运行管理水平及该工程的设计标准等原因，最终，标准层办公区域采用了传统的风机盘管加新风的空调系统形式，新风机组采用卧式新风机组，设于每层的新风机房内，新风经过粗中效过滤段、冷却加热段、湿膜加湿段后送入室内，室外新风首先经过设置于避难层的新风热回收机组，回收排风中的能量后送入新风竖井，然后接至各层新风机组。对于风机盘管加新风的标准空调方式，在条件允许的情况，内、外区的新风应分别供应，以满足冬季内区新风供冷的要求。由于该工程的标准层不能提供足够的新风机房面积，内、外区的新风没能分别供应，这是较遗憾的地方。

避难层的新风热回收机组及标准层的新风机组均为变风量运行，可根据室外空气焓值的变化，改变新风供应量，过渡季可加大新风量，利用室外新风消除室内热负荷，降低系统的运行能耗。同时，新风机组和组合式空调箱能够监测新风量，并在BMS系统中显示，当新风量小于设计新风量的15%时，BMS系统报警，信号传至BAS楼宇控制系统，通知系统及时调整新风量。

在工程设计的时候应该注意，回收办公区域排风的能量时，应尽量采用热交换效率较高的全热交换器；回收卫生间排风的能量时，为避免产生交叉污染，宜采用显热交换器；而对于污染危险较大的排风，应采用溶液循环式的热回收装置。

4.2通风系统

地下汽车库按6次/h换气设机械排风兼排烟系统，车库内设置CO浓度监控装置，根据浓度变化调整送、排风机转速，实现变频控制，降低风机能耗。

地下水泵房、冷水机房设机械送、排风系统，排风量按n≥6次/h计算，补风量为排风的80%，另外冷水机房按n≥12次/h换气设置事故排风系统［3］。

地下变电站设机械送、排风系统，按设备发热量计算通风量，补风量为排风量的80%。由于变电站设有气体灭火系统，故按照5次/h换气设计了灾后排风系统，为保证气体灭火的效果，进出变电间的风管均设计了电动密闭阀。

地下柴油发电机房按设备所需的燃烧空气量及冷却风量计算，设置机械排风系统及机械补风系统；并设置事故时机械排风及自然补风系统，事故排风量按n≥12次/h计算，通过外墙百叶从车道自然补风。

公共卫生间采用集中排风，排风量按n≥12次/h计算，通过门下百叶从走道自然补风。其它办公等空调区域均设置机械排风系统，排风量为新风量的80%，排风经竖井集中排至避难层。在避难层（12F，27F）的机房内设置新风转轮热回收机组，对办公区域的新风和排风集中处理，回收排风中的能量；其中12F的新风热回收机组服务于2～19F，27F新风热回收机组服务于其余部分的新风与排风系统。地上部分的通风空调系统原理图如图2所示。

5　防排烟系统

5.1防烟系统

情境的选取：主题同步。选用同一本教材，在同一教学周内，选取相同的情境，通过情境下的角色扮演，反复强化对话训练和词句运用，促进融会贯通。

图2　地上通风空调系统原理图

由于该办公楼的层数超过三十二层，加压送风系统采用分段设计，共分为三段：-4～-1F、1～19F和20～36F。地下层的加压送风机设在专用机房内和裙房屋面，地上部分的加压送风机设在12F、27F避难层机房内。防烟楼梯间的加压送风口采用自垂百叶风口，每隔两层设置一个；前室的加压送风口采用常闭多叶送风口，每层设置一个；楼梯间保持余压值为40～50Pa，合用前室保持余压值为25～30Pa。防烟系统原理图如图3所示。

5.2排烟系统

地下汽车库设置机械排烟系统（机械补风或自然补风），排烟量6次/h换气计算［4］，补风量不小于排烟量的50%，排烟系统与平时通风系统合用。12层、27层长度超过20m，不具备自然排烟条件的内走道设置机械排烟系统和自然补风系统，排烟量按60m3/h·m2计算，排烟风机置于屋顶或专用机房内。地上办公等区域均设有满足自然排烟面积要求的可开启外窗。

图3　防烟系统原理图

6　节能措施

（1）提高建筑围护结构的保温隔热性能，减少空调运行时的冷热损失。

（2）选用高效节能的空调设备及风机。

（3）空调水流速和风速均保持在经济流速范围内，降低水泵与风机的运行能耗。

（4）风管和水管的绝热材料选用经济厚度，满足节能要求。

（5）全空气系统具有可变新风比功能、新风机组变频运行，过渡季加大新风量，充分利用室外空气的自然冷却能力，降低空调系统的能耗。

（7）空调水系统补水总管上设置计量装置。

（8）空调水系统采用一次泵变流量控制，节省运行费用。

（9）回收空调系统的冷凝水作为冷却塔的部分补水。

7　结语

目前市场上离心式冷水机组的蒸发器水侧承压能力，普通型承压能力为1.0MPa，加强型承压能力为1.7MPa，特加强型承压能力为2.1MPa。考虑到设备及管件的承压能力，超高层建筑水系统应进行分区，但是分区过多，势必会提高高区的冷水供回水温度，降低空调系统效率，通常情况下，最高区的冷水供水温度不应高于8℃。对于高度为150m的建筑，将空调水系统进行一次换热，分为高低区，是比较经济合理的。

另外，空调水系统在分区时，应尽量提高低区水系统的服务面积，减少高区水系统的服务面积，从而降低系统的换热损失，提高空调系统的运行效率。

［1］陆耀庆.实用供热空调设计手册［M］.2版.北京：中国建筑工业出版社，2008.

［2］徐理民.某超高层建筑空调通风设计的若干问题［J］.制冷与空调，2015，15（5）：53～59.

［3］GB 50736-2012，民用建筑供暖通风与空气调节设计规范［S］.

［4］GB 50067-97，汽车库、修车库、停车场设计防火规范［S］.

Ventilating and Air-Conditioning System Design of a High Rise Office Building

LI Hong-kun
（IPPR（Shanghai）International Engineering，Shanghai 200125，China）

Presents the ventilation and air-conditioning system and its features for a super high-rise office building，which includes of the frequency-variable control of heating and cooling source，the partition of air-conditioning water system，ventilation system and smoke-controlling system，heat recovering system，the measures of energy saving such as fresh air cooling，condensate water recycling etc.，and makes some design conclusions.

variable flow distribution with primary pump；water system partition，fresh air cooling；condensate water recycling

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2015.04.022

TU83

B

2095-3429（2015）04-0085-05

2015-06-08

修回日期：2015-07-22

李红坤（1979-），男，河南邓州人，本科，工程师，主要从事暖通空调设计工作。