高层建筑暖通设计中的若干问题探讨

韩 晓 凤

(北京中元工程设计顾问有限公司，北京 100048)

高层建筑暖通设计中的若干问题探讨

韩 晓 凤

(北京中元工程设计顾问有限公司，北京 100048)

结合工作经验，从负荷计算、水系统分区、设备承压能力、防排烟等方面，分析了高层建筑暖通设计中存在的问题，并探讨了各种问题的解决方案，有利于确保高层建筑暖通设计的合理性与经济性。

高层建筑，系统分区，循环水泵，排烟设计

0 引言

随着科学技术的发展，新技术、新材料、新设备的不断涌现，城市里的高层建筑越来越多，高层建筑设计也受到越来越多的挑战。本文就暖通专业在设计过程中常遇到的问题提出疑问并展开讨论。

1 负荷计算时的风力附加问题

一栋建筑物内部是否舒适与其室内温度有很大关系，舒适的室内温度是根据建筑物的特性，人员的舒适度及节能的角度考虑而制定的规范规定的设计温度，建筑负荷即是为保证室内设计温度产生的。建筑物的冷热负荷即建筑物的耗热量的构成有很多种，构成热负荷的首先是建筑物围护结构的耗热量，包括基本耗热量和附加耗热量，其次是门窗缝隙渗透的冷风耗热量，还有外门开启的冷空气耗热量、通风耗热量及其他途径获得或散失的耗热量。构成冷负荷的除了围护结构的热量占较小比例外，大部分的热量来自太阳辐射的热量和人体的散热量，还包括照明和设备散热量以及餐饮建筑中食品散热量。

本节主要讨论围护结构附加耗热量计算时应该注意的问题。根据《实用供热空调设计手册》附加耗热量计算公式Q1=Qj(1+βch+βf+βlang+βm)(1+βfg)(1+βjan)知道，各项修正项目如：朝向修正、风力修正、两面外墙修正、窗墙面积比过大修正、房高修正及间歇修正均以直接附加的方式计入附加耗热量，而表5.1-4中出现的高层建筑外窗的风力修正βgc并未在公式中得到体现，而是如备注栏中所说(1+βgc)乘以K上。

这是在高层建筑设计负荷计算中容易被忽略的一项，设计者在计算附加耗热量时直接套用公式5.1-3，而对βgc却往往理解不够造成遗漏。此表中的风力修正值βgc与建筑高度及冬季室外最多风向的平均风速有关，按照公式Vh=(0.53～0.63)h0.2Vo,Vh为h的单值函数，随着h的变化而变化。以北京为例，取0.53的大城市系数，查《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》附录A得知北京冬季室外最多风向的平均风速为4.7 m/s,此时公式可以写为Vh=0.53h0.24.7=2.49h0.2，对于高层建筑，当外窗使用双层塑料窗K=2.4时，计算Vh<5 m/s时不进行修正，当计算的Vh达到5 m/s时对19层～30层的外窗耗热量进行传热系数的修正，修正率βgc=0.03，当计算的Vh达到6 m/s时，8层～21层的外窗传热系数修正率βgc=0.03，22层～30层的外窗传热系数修正率为0.04，说明室外风速越大层数越高，通过外窗的围护结构耗热量越大，修正系数也越大。

当高层建筑越来越多，体积越来越大，计算的数据越来越庞大，任务越来越繁重的情况下，我们必须依赖软件来实现，笔者在对多种软件计算过程输入的繁简程度及计算结果的可靠程度进行对比后，发现浩辰负荷计算软件在计算外窗耗热量时对高层建筑外窗的传热系数进行了风力附加修正，只需要根据《实用供热空调设计手册》表5.1-4在右侧下拉三角中进行选择即可，方便快捷。

2 高层建筑中系统分区及机组的承压问题

在多层建筑和大多数高层建筑中，冷热源设备通常布置在地下层的设备机房内，当系统静水压力大于1.0 MPa时，布置在地下层的设备会承受较高的压力，往往超过机组本身所能承受的工作压力，这时通常会采取下列方法来降低设备的承压。

2.1 对水系统进行竖向分区

在技术设备层内布置水—水换热器，使静水压力分段承受。这种供水模式是系统静水压力超过1.0 MPa的高层建筑最常采用的方式，整个空调水系统以设备层为界线自然分为高低两个区域，低区系统由设置在建筑地下层的冷热水机组直接供给，高区系统由设置在设备层(转换层)的水—水换热器提供。水—水换热器一次水由冷热源机组供给，供给高区的二次水经过转换水温会升高。设计中通常采用如下水温：冷水一次水温7 ℃～12 ℃，二次水温9 ℃～14 ℃，热水一次水温60 ℃～50 ℃，二次水温55 ℃～45 ℃。此时要注意由于二次水温升高引起的热效率下降问题，故末端设备选型时换热面积要加大20%。

2.2 水系统不分区，解决机组承压问题

1)在带裙房的高层建筑中，将冷热源设备布置在塔楼外裙房的顶层设备机房内，冷却塔设在裙房屋顶上。这种做法理论上可以减少机组设备的承压，但牺牲的是商业的面积且存在机房楼板承重加固问题，往往较少采用。

2)建筑物不带裙房，将冷热源设备布置在塔楼中间的设备层内。在设备层布置机房时，由于设备层层高较低加上结构梁板等因素使得空间高度不足，因此设备及管路布置较为复杂，运行维修也比较困难。

3)冷热源设备布置在塔楼的顶层。在超高层建筑中有时会采用这种办法，但当所有设备集中放置在顶层时需要注意楼板梁柱的承重、设备的隔震及噪声处理问题。

4)当高区超过设备承压能力部分的负荷不太大时，上部几层可以单独处理，如采用自带冷源的单元式空调器。当建筑高度达到100 m，虽然采用了系统分区的方法，在设备层布置了热交换器，但高区部分压力仍然超过设备承压能力，这时可以将上部几层与整个系统分开，冷热负荷单独计算，系统形式可以是VRV或风冷热泵等模式。

高层建筑空调水系统设计中，除了上述方法可降低设备承压外还可以采用加强型机组的方式。我们常使用的制冷机组有压缩式制冷机组和吸收式制冷机组，普通制冷机组承压能力为1.0 MPa，加强型制冷机组承压能力为1.7 MPa。事实上采用高承压机组可以减少设备层对建筑外立面的影响，不占用地上建筑的有效面积，不失为一种理想选择，对设计者来说具体选择何种方法除了应进行技术分析外还应做经济分析，包括初投资和运行费用的对比分析。

3 高层建筑中循环水泵安装位置问题

上面讨论的是高层建筑中，系统静水压力Ps>1.0 MPa时，水系统应竖向分区，当系统静水压力Ps≤1.0 MPa时，冷水机组可集中布置在地下室，水系统可不进行竖向分区，但必须要保证系统压力不大于冷水机组、末端设备、水泵及管道部件的承压能力。

应用在高层建筑中的循环水泵，必须考虑泵体能承受的静水压力，并提出对水泵的承压要求。水系统的最高压力点位于水泵出口处，对于多层建筑和一般高层建筑，为避免气蚀现象发生，减少机组承受压力，冷水循环水泵宜安装在冷水机组进水端。当冷水机组进水端承压能力大于冷水机组自身的承压能力，但系统静水压力(包括机组所在地下层建筑高度)小于冷水机组的承压能力时，可将冷水循环水泵安装在冷水机组的出水端。

4 高层建筑中防排烟设计

4.1 机械加压防烟送风量与压头计算

根据GB 50016—2014建筑设计防火规范，建筑的下列场所或部位应设置防烟设施：防烟楼梯间及其前室、消防电梯间前室或合用前室、避难走道的前室、避难层(间)。与GB 50045—95高层民用建筑设计防火规范版相比，在防排烟设施一节条文做了较大的修改，但从其条文说明中可以看出，在高层建筑防排烟设计中采用无实验模拟或更规范有效的防烟设施时，仍然需要采用加压送风设施来达到排除烟气的目的。其加压送风量的计算方法通常有两种：1)压差法；2)风速法。下面用工程实例来验证两种计算方法。

某高层办公建筑共30层，楼高90 m，防烟楼梯间及前室需要分别加压送风，楼梯间通往前室的疏散门与前室通往走道的疏散门均为2 m×1.6 m,电梯门2 m×1.8 m(不算出入口)。 前室维持正压25 Pa。现计算前室所需的加压送风量(前室采用常闭型加压送风口，火灾时开启着火层及上下相邻两层风口)。

采用压差法：

LY=0.827AΔP1/b×3 600×1.25=0.827×

(0.04+0.06)×3×251/2×3 600×1.25=5 582.25 m3/h。

采用风速法：

3 600=36 288m3/h。

其中，风速按0.7m/s计算。

由此可以看出，采用风速法计算出的风量比压差法计算出的风量大很多，故我们通常采用的是风速法。然而采用风速法计算时，其计算结果跟开启门洞处的平均风速及背压系数有很大关系，就上面例子来说，当平均风速取上限1.2m/s背压系数取下限0.6时，计算送风量为79 488m3/h，当平均风速取下限0.7m/s，背压系数取上限1.0时，计算送风量为27 820m3/h，结果相差2.9倍，如此大的差异给送风机的选择带来难度。那么究竟该如何选择背压系数和平均风速，背压系数是由于加压空气的进入，使得室内空气的压力有所上升，相对于加压空气出现了背压作用。背压系数与空气渗出条件有关，当走道采用自然排烟时，背压系数取0.6；当走道采用机械排烟时，背压系数取0.8。门洞断面风速是阻止烟气通过正在开启的疏散门进入疏散通道，其数值与火灾发热量的大小密切相关。在设有自动喷淋系统的高层建筑中，由于烟气被喷水所冷却，断面风速可减少到0.25m/s～1.25m/s，根据《实用供热空调设计手册》描述“开启门时，对前室或合用前室通过与走道之间的门的风速不应小于0.7m/s”，因此我们通常会在0.7～1.2范围内选取。然后把计算出的数值与《实用供热空调设计手册》中表13.4-4作对比，选取合理的风速。就上面的例子中，门洞断面风速取0.7m/s，背压系数取0.8，采用土建风道漏风率取0.2。这样计算的加压送风量为36 288m3/h。表13.4-4中合用前室风量18 000m3/h～22 000m3/h乘以1.75系数后为31 500m3/h～38 500m3/h，与计算数值相符，说明使用该计算法正确。

在计算加压送风机压头时，规范和手册并没有给出统一的计算方法，只是说要经计算确定，在实际工程中，有的因所选风机压头太小导致前室无法保证25Pa或50Pa正压，有的则尽管风机压头很高，最上层已经超压而下层依然处于“无风”状态。仔细分析其原因不难发现问题所在，而工程中所谓的风机压头经验值并不可靠。风机压头太小是由于忽略了混凝土风道的比摩阻要比钢板风管大得多，常常会有设计者认为尽管混凝土风道内壁不光滑容易漏风，但完全可以靠面积扩大部分来抵，此种说法本身并不错，在常规通风排烟设计中确实可以借扩大风道来抵消风道沿程阻力，但对于前室，这种方法并不总是行的通。建筑师设计时，为保证前室面积往往会压缩风道面积，使得加压风道内风速较高而阻力较大，这时就需要通过计算或查《实用供热空调设计手册》表11.2-2来获得精确的风管阻力值。至于有些风机压头很高却下层无风则是由局部阻力太大引起的。目前工程中，为了前室美观，加压送风口前端外沿都是贴竖井外壁安装的，送风口厚度275，一般土建竖井壁厚200～240，即风口尾端在竖井内会凸出35mm～75mm，形成了局部阻力，在风速高的情况下，局部阻力层层叠加导致上层风口压头很大而越往下越不足的情况。

为保证均匀送风，风道内静压要大动压要小，这就需要有足够的断面面积，同时要保证风道断面长宽比不能小于1/4，否则风道内容易出现涡流区，使得风道内一边呈正压一边呈负压。风机全压计算一定要满足最远端的阻力及前室压头，而对于靠近风机部位的近端前室，其管道局部阻力、沿程阻力变小，必然会导致前室超压。送风口开启的那一瞬间，管道阻力曲线由陡变缓变平，风机曲线与管道曲线的交点下移，必然是风量增大，风压减小，导致前室的送风口风量大于计算值，也是形成超压的另一说法。

4.2 中庭排烟设计

中庭在高层建筑中比较常见，有关中庭的排烟在我国《高层民用建筑设计防火规范》中也有明确的规定，即按照换气次数来计算排烟量，中庭体积不大于1.7万m3时换气次数为6次/h；体积大于1.7万m3时换气次数为4次/h，但最小排烟量不小于10.2万m3/h。由于国内尚无实验数据及理论依据，此计算采用了国外一些资料，但有一些资料认为此计算方法并不可靠，日本规定中庭排烟量按20次换气次数计算，两者相差3倍之多。从一些设计资料中看到国外有几种其他计算方法。

1)按中庭占地面面积计算排烟量。面积小于500 m2也应按负担两个以上防烟分区处理，即按每平方米120 m3/h计算。事实上，中庭本身(除底层地面外)并不产生烟气，它的烟气来源于地面层或走廊失火层，由于走廊具备排烟系统，大部分烟气可通过走道排烟系统排出，理论上逸入中庭的烟气量并不大，所以按照中庭地面面积每平方米120 m3/h计算排烟量是有理由的。

2)以200 m3/s风量选择风机。此方法没有说明建筑物的高度，容积，地区等，凡是中庭均按此数值选择风机。实际上该方法至少在国内高层建筑中是行不通的，按照200 m3/s风量计算排烟量，每小时风量便是720 000 m3，选择7.2万m3/h的大型风机10台，机房面积100 m2，进排风口面积也很大，按照进风口风速1 m/s计算，进风口面积要200 m2，当进风口设在1层时，建筑立面设计很难处理，这对建筑师是不能接受的。

因此，在中庭排烟设计中采用何种办法需要各专业密切配合，展开专家讨论寻找可靠的理论依据确定最佳方案。

以上几点是笔者在工程设计过程中经常遇到的问题，并随手所做的笔记，高层建筑设计中应根据各自工程特点进行设计，并不存在统一的系统方案，且由于需求差异导致设计中难免存在诸多问题需要通过各专业间的讨论和高度配合方可为客户提供合理的暖通解决方案，这正是我们设计需要不断学习的原因。

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

[2] 刘天川.超高层建筑空调设计[M].北京：中国建筑工业出版社，2004：98-99.

Discussion on some problems in high-rise building HVAC design

Han Xiaofeng

(BeijingZhongyuanEngineeringDesignConsultingLimitedCompany,Beijing100048,China)

Combining with the work experience, from the load calculation, water system partition, equipment bearing capacity, smoke control and exhaust and other aspects, this paper analyzed the existing problems in high-rise building HVAC design, and discussed the solutions to various problems, helpful to ensure the rationality and economy of high-rise building HVAC design.

high-rise building, system partition, circulating water pump, smoke exhaust design

1009-6825(2017)05-0158-03

2016-12-04

韩晓凤(1974- )，女，工程师

TU832

A