某超高层建筑防排烟及空调系统分析与设计

杨稀童

（中机中联工程有限公司，重庆400039）

某超高层建筑防排烟及空调系统分析与设计

杨稀童

（中机中联工程有限公司，重庆400039）

该文结合工程实例，分析在超高层建筑设计时应注意的防排烟及空调系统的问题，并重点分析空调水系统分区、水泵控制策略，得出该项目水系统分区及水泵控制的最优方案。

防排烟系统；空调风系统；水系统分区；二次泵系统

0　前言

随着我国的城市建设迅速发展，超高层建筑物的数量越来越多。建筑本身的消防系统以及空调系统也越来越复杂，从能耗上看，空调能耗更是占有整个建筑能耗的40%以上，笔者结合实际工程为例，探讨超高层建筑的通风消防系统以及空调系统的设计。

1　工程概况

该超高层建筑位于重庆市渝中区黄金地段，总建筑高度199.5m，总建筑面积近21万㎡，包括地下5层，地上43层。其中，地下一层至地下五层为车库和设备用房；地上一至六层为裙房商业；该项目为集甲级办公楼、高端商业为一体的城市地标建筑。

2　空调系统设计

2.1冷热源配置

2.1.1设计冷、热负荷(表1）

2.1.2冷热源配置

根据空调冷热负荷分析计算，考虑各区域用途、使用时间以及安全性，裙房商业采用3台650冷吨的电离心式制冷机、2台1.4MW的热水锅炉；塔楼采用2台750冷吨的电离心式制冷机，1台400冷吨的电螺杆式制冷机。冷水机组均置于地库负五层，热水锅炉置于地下室一层（锅炉房严禁设置在人员密集场所和重要部门的上一层、下一层，或者主要通道、疏散口旁边，并且锅炉房应设置在首层或者地下一层靠建筑外墙的位置，锅炉房应考虑泄爆，泄爆井出地面的位置应避开人员密集区）。

2.2空调水系统设计

2.2.1空调水系统分析

超高层建筑中空调水系统竖向分区是一个非常重要的环节，合理的系统分区对整个建筑后期的能耗、管理、系统安全都有重大意义；而影响水系统竖向分区的主要因素是设备、阀门、管道承压。为了解决这个问题，目前设计思路为中间层设置板式换热器，实现高区与低区系统分隔。该方案解决了系统工作压力过高的问题，但是经过板换换热，二次侧水温温度会降低（升高），系统的节能性较差，末端设备除湿能力下降。同时，由于末端供水温度与设计温度不同，会导致末端换热设备换热面积增加，初投资随之升高。若考虑通过高承压设备解决系统工作压力高的问题，可以有效提高系统能源利用效率，末端设备除湿能力得到保证，但是提高设备的设计承压能力同样会增加设备初投资，同时会有水系统泄露的风险。因此在设计阶段，应充分利用设备、管道的承压能力，减少竖向分区的个数，在建筑条件允许的前提下，选择最经济合理的设备转换层，综合设备初投资、系统运行效率、末端除湿能力等因素，选择最优方案。

表1　冷、热负荷指标

2.2.2空调水系统承压

一般来讲，冷水机组最大承压为1.6MPa，如果水系统工作压力大于1.6MPa，则需要特制的冷水机组，机组造价增加。板式换热器、水泵最大承压可达到2.5MPa，管道、阀门最大承压值较大，可根据需要设计额定承压值，具体设备承压压力等级见表2。

表2　常用设备、管道压力等级

2.2.3水系统分区方案对比

京剧团项目总建筑高度为199.5m，冷水机组置于地下五层，水系统分区有两种形式供选择：系统不分区、在14F设置板式换热器。

（1）方案一

该方案不设置中间转换层，整栋楼共一个水系统，系统承压示意如图1。

（2）方案二

该方案在14F设置板式换热器，共两个分区，低区水系统服务楼层为1-28F，高区水系统服务楼层为28-43F，系统承压示意如图2。

（3）方案对比

图1　方案一设备承压示意图

图2　方案二设备承压示意图

为了避免主机、水泵超出常规额定承压，减少系统漏水的风险以及主机、水泵初投资，增加系统安全性，该项目采用方案二：在14F设置板式换热器，实现系统高低分区。

表3　方案对比

2.3二次泵系统分析与设计

随着超高层建筑数目不断增多，对超高层建筑中的水系统的控制精度要求逐渐增加，当同一水系统不同环路间负荷特性、管网水力特性相差较大时，建议采用二次泵水系统。

2.3.1二次泵水系统特点

二次泵系统是由一级泵和二级泵系统串联而成，水系统的阻力是由一级泵和二级泵扬程共同克服，系统一次侧与二次侧由盈亏管连接而成。在设计工况下，盈亏管连接供回水管两点的压差应为0Pa，值得注意的是，在计算一次侧、二次侧水泵扬程的时候，切忌将二次侧水泵扬程取的过大，否则会造成二次侧富余水头过大，造成二次侧回水通过盈亏管直接流入供水管，使得用户侧供水温度升高。

2.3.2二次泵水系统控制策略

京剧团项目为二次泵水系统，冷冻水经一次泵抽出，再经二次泵加压后输送至低区末端以及高区板式换热器。在供水回水总管（分集水器）间设置盈亏管，平衡一、二次泵之间的流量。下面以高区水系统为例如图3，分析当用户侧负荷发生变化时，系统变化情况。

当二次侧高区用户侧负荷增加，设备开启台数增多（或者电动二通阀开度加大），高区二次侧空调水系统管网总阻抗S减小，系统水流量Q增大，在高区一次侧水流量增加之前，二次侧水温会升高。此时高区一次侧水系统回水管上的电动阀接收到二次侧水温升高的信号后阀门开度增加，此时高区一次侧管网总阻抗S减小，系统水流量Q增大，高区一次侧旁通管压差减小（为了保证水泵工作扬程稳定以及水泵散热，应在二级泵供回水管间设置压差旁通管），当旁通管压差减小到一定值的时候，水泵转速增加，高区一次侧水流量Q进一步增大。当高区二次侧末端负荷减少时，上述变化相反（图3）。

图3　二次泵水系统原理图

2.4空调风系统设计

2.4.1空调风系统设计

京剧团项目商业、塔楼存在房间功能、营业时间、房间温湿度等差异，均采用风机盘管+独立新风系统，这样有利于后期各个房间室内温湿度的独立控制。新风机组均采用带全热回收功能的机组，对于裙房商业来说，如果建筑条件允许，商铺新风系统可与公区新风系统分开设置，有利于后期物业管理。同时由于超高层建筑对外立面的要求较高，外立面不允许出现大量空调百叶，低区新风系统通过每层的新风机组处理后送至室内，新风井道在2-3F统一设置百叶。高区新风系统新风机设置在29F、RF，分别服务于22-29F、30-43F，新风井道均内置铁皮风管，保证送风温度。

2.4.2空调、消防、通风系统设布置原则

风井的个数、位置对整个建筑空调通风、防排烟系统有较大影响，合理的安排能有效减少输送距离，更能避免风管之间交叉，节省层高。其中，空调通风系统与排烟系统的竖井尽量避免集中设置，否则容易造成排烟风管和空调送风管、回风管的交叉，即使能相互避开，也必然会增加弯头，增加风阻、噪声，影响使用效果，施工难度也会增大。同时，空调新风井与排风井的水平距离需大于10m。

2.4.3新风进口位置和要求

进风口宜设在室外空气比较洁净的地方，以保证空气质量，建筑条件允许的情况下，宜设在北墙上，并宜设在建筑物的背阴处这样可以使夏季吸入的室外空气温度更低。

3　超高层建筑防排烟设计

3.1排烟系统设计

3.1.1机械排烟系统设置原则

面积超过1000㎡的地下车库、公共建筑内面积大于100㎡且经常有人停留的地上无窗房间，地下或半地下建筑、地上建筑内无窗房间，当总建筑面积大于200或一个房间建筑面积大于50，且经常有人停留或可燃物较多的房间，高度超过12m的中庭均设置机械排烟设施。

3.1.2设置机械排烟系统的场所

该项目设置机械排烟设置的场所有：地下车库、1-6F裙房商业、塔楼7～13F办公区域、内走道及15-43F内走道、长度超过20m的地下内走道、中庭。除设置机械排烟系统的场所外，均采用自然排烟系统，如图4、图5。

图4　排烟系统平面图1

图5　排烟系统平面图2

3.1.3排烟系统设计要点

（1）高层建筑排烟系统服务的层数不应超过32层且竖向距离不应超过100m，否则需要对其进行上下分段。

（2）裙房商业排烟系统宜尽量设置较多的土建竖井，这样既可以减少排烟系统长度，保证使用效果。同时可以减少吊顶内风管个数，减少不同风管交叉点。在理想情况下，如果一个排烟竖井覆盖的营业区域在控制在30m以内就基本可以保证营业区内出现极少的排烟风管。另外，若防烟分区面积划分较大，有利于减少排烟风管长度以及挡烟垂壁个数，减少吊顶上面的排烟口个数，对营业区美观更有利。但防烟分区越大，意味着系统风量越大，会导致排烟风管较大，土建竖井面积增大，会占用更多的营业区面积。所以，在设计阶段需综合考虑上述因素。

3.2防烟系统设计

（1）高层建筑加压送风系统服务的层数不应超过32层且竖向距离不应超过100m，否则需要对其进行上下分段。

（2）超高层建筑封闭避难间应设置机械加压送风系统，加压送风风量应按照避难间净面积每平方米不小于30m3/h计算。

（3）裙房商业加压送风风机尽量置于裙房屋面，可以节省机房面积，后期景观专业统一处理裙房屋面设备，减少对美观的影响。

4　结论

（1）超高层建筑水系统分区时，应结合项目实际情况，综合考虑设备承压、系统安全性、系统节能性、后期运营管理等因素，以实现整个系统的最优。

（2）在设计二次泵水系统时，应注意一级泵、二级泵系统扬程、流量的匹配，否则可能会造成盈亏管中水的倒流，造成恶性循环。另外在二级泵供回水管间同样需要连接旁通管以平衡供回水管间的流量。

（3）在设计阶段，应合理布置消防系统及空调系统的机房、井道。在保证系统使用效果的前提下，减少对建筑功能的影响。

[1]GB50016-2014建筑设计防火规范[S].北京：中国计划出版社，2015.

[2]张镇宇，丁玮.高层建筑防排烟系统常见问题探析[J].武警学院学报，2011，（8）.

[3]崔涛.浅谈空调通风的初步设计[J].沿海企业与科技[J]. 2005（7）.

[4]刘东亮，胡居传.超高层建筑的中央空调水系统设计与分析[J].制冷与空调，2012（5）.

责任编辑：孙苏

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未来生活智慧化将有力的促进城市建设，智能建筑将是未来城市主要构成环节。同时，通过高度自动化的楼宇管理，将在建筑能耗上得到有效降低，有助于未来社会节能化建设。

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TU247.2

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1671-9107（2015）12-0042-04

10.3969／j.issn.1671-9107.2015.12.042

2015-10-12

杨稀童（1988-），男，重庆人，本科，助理工程师，主要从事暖通空调设计工作。