高层建筑中的暖通空调系统设计探究

2021-11-27蒋晓东顾晨

魅力中国 2021年47期

蒋晓东顾晨

（沈阳天华建筑设计有限公司，辽宁沈阳 110011）

引言

随着社会的不断发展和进步，尤其是近些年城市化的快速推进，高层建筑逐渐成为城市中的主要建筑形式。暖通空调系统作为高层建筑中的重要组成部分，其使用的舒适性和设计的合理性越来越受到人们的重视，因此在设计中应根据建筑的类型，使用特点，安全要求等方面综合确定系统形式。有关统计资料显示，高层建筑中暖通空调系统的能耗占建筑总能耗的40%～60%，因此如何降低其运行能耗也是设计中需要思考的问题。

一、高层建筑供暖系统

供暖热负荷计算特点：同多层建筑物的热负荷的计算相比，高层建筑由于建筑物高度的增加，冷风渗透耗热量的计算应同时考虑风压及热压的联合作用。热压的作用不可忽视，其根本原因是建筑物内外温度的不同会导致空气密度差，室外空气从底层一些楼层的门窗缝隙进入，通过建筑物内部的楼梯间等竖直贯通通道上升，经过建筑物上层的门窗缝隙排出，这部分冷风渗透形成的热负荷是不可忽略的。

供暖系统形式：由于高层建筑热水供暖系统的水静压力较大，且建筑层数较多，易产生系统垂直失调等问题，故系统的选择需要根据设备的承压能力、经济性及使用要求等因素综合比较后确定。目前国内高层建筑热水供暖系统有以下几种：（1）分层式供暖系统，分区高度主要由散热器的承压能力、系统管材附件的材质性能以及系统的水力工况特性决定，是目前最常用的供暖系统形式之一；（2）双线式系统（有垂直式和水平式两种形式），对于高层建筑，这种系统形式有利于避免系统的垂直失调；（3）单双管混合式系统，这种系统的特点是既避免了双管系统在楼层数过多时出现的严重竖向失调现象，同时又能避免散热器支管管径过粗的缺点，而且散热器还能进行局部调节。散热器和辐射供暖系统应设置恒温控制阀等根据室温设定值自动调节的装置，恒温控制阀具有感受室内温度变化并根据设定的室内温度对系统流量进行自力式调节的特性，有效利用室内自由热从而达到节省室内供热量的目的。

另外在高层建筑供暖设计中需要注意的是，集中供暖的新建建筑和既有建筑节能改造必须设置热量计量装置并具备室温调控功能，用于热量结算的热量计量装置必须采用热量表。在满足国家和地方规范的前提下，设计中还需要了解项目当地的供热部门的要求和其提供的热媒参数以及当地的一些习惯做法等。

二、高层建筑空调系统

（一）风机盘管加新风系统

作为目前我国高层民用建筑中最为普遍的一种空调方式，它以投资少，占用空间小和使用灵活等优点被广泛应用于各类建筑中。室内的风机盘管对回风进行处理，而新风通常由新风机组集中处理后通过新风管道送入室内，房间的冷负荷和湿负荷由风机盘管和新风共同承担。与集中式空调系统相比，它可以进行局部区域温度控制，各空调房间互不干扰，独立调节室温并可随时根据需要开启或停运机组，节省运行费用，灵活性比较大，节能效果好。风机盘管结构紧凑，体积较小，布置比较灵活，对空间有限的建筑较为适用，对于建筑的改扩建和空间重新分割也易于实现。同时风机盘管系统也有一些显著的缺点，由于所有空调房间均设有风机盘管，数量较多且布置分散，导致系统的检修和日常维护的工作量较大，且水系统复杂，易产生水管泄露或凝结水，影响建筑正常使用。另外机组压头较小，室内气流分布受限制。因此风机盘管加新风空调系统一般用于旅馆、公寓、医院、办公楼等建筑中。

（二）定风量全空气系统

工程中最常用、最基本的空调系统，被广泛应用于舒适性或工艺性的各类空调工程中。常用的有一次回风系统和二次回风系统。对于有恒温恒湿或洁净要求的工艺性空调，由于对室内温湿度等参数要求较严格，应采用二次回风系统。而对于普通场所的舒适性空调，允许采用较大送风温差，一般采用一次回风系统。全空气系统具有设备简单，初投资小、维护管理方便、易改变新回风比例，过渡季可实现全新风送风，全年多工况节能运行，经济性好、可严格控制室内温度和相对湿度等优点，但此系统机房面积、送回风风管尺寸较大，负担多个房间时，各房间负荷变化不一致，无法精准调节。因此多应用于大空间场所。

（三）变风量空调系统

高层建筑中应用变风量空调系统，可以有效减小能耗、降低噪声。它具有如下特点：相较于风机盘管系统的多档开关分段调节，变风量系统可以进行线性调节，因而变风量系统比风机盘管系统更节省能量；变风量系统在各分支末端可进行量调节，以满足建筑不同朝向的负荷变化，既可以节省空调机组冷量，又可以降低风机耗功率，因此更加节能；变风量系统在过渡季时可以利用新风自然冷源解决过渡季空调问题；变风量系统进入室内末端装置由软管连接，吊顶内无需设置冷、热水管及凝结水管，因此棚上不会产生滴水现象；送、回风口设置灵活，便于客户进行室内二次重新装修。变风量系统设备初投资较高，控制也比较复杂，对系统设计和施工调试有较高要求。

（四）多联机系统

与上述系统相比，多联机系统具有安装维修简单、使用管理方便、控制系统灵活多样、部分负荷能效比高等特点，因此多联机系统在高层建筑中的应用逐渐增加。但是在设计选型中需要注意尽量避免系统过大，室内机与室外机之间的配管长度不宜过长，以减少冷热量的衰减；室外机集中摆放时不应过于集中，避免造成气流短路；在高层住宅中，由于每层室外机位置相同，若机组放在凹槽等不易直接排出热空气的位置时，下层机组排出的热气流会在热压的作用下上升，部分被上层的机组吸入，使其工作环境温度升高，同时热气流与上层机组排出的热空气混合，逐层向上，若层数过多，将形成较大的温度梯度，在热压的作用下最终导致上层机组的工作环境温度过高，制冷效率下降，严重时甚至会导致机组过热停机，因此多联机系统应避免因室外机位置摆放不合理或通风百叶遮挡系数过高而导致吸气温度过高造成机组保护停机等问题，必要时可用CFD 工具进行气流组织模拟，以确保方案的可行性。

三、高层建筑防排烟系统的设计要点

建筑防烟、排烟设计是建筑防火设计中的重要组成部分，国内外的多次火灾表明，火灾中产生的烟气具有遮光性、毒性和高温特性，从而成为造成火灾人员伤亡和重大财产损失的最主要因素。而一个优良的排烟系统在火灾时能排出80%的热量，因此为确保人员的安全疏散、消防扑救的顺利进行及有效保护消防救援人员的安全，组织合理的烟气气流、建立科学有效的烟气控制设施十分必要。

高层建筑由于火灾时造成的危害较大，疏散和救援难度也相对困难，因此防排烟系统的设置原则也更加严格。当建筑物发生火灾时，疏散楼梯间是建筑物内部人员疏散的通道，同时，前室、合用前室是消防队员进行火灾扑救的起始场所。因此在火灾时首要的就是控制烟气进入上述安全区域。对于高度较高的建筑，其自然通风效果受建筑本身的密闭性以及自然环境中风向、风压的影响较大，难以保证防烟效果，所以根据《建筑防烟排烟系统技术标准》的规定，建筑高度大于50m 的公共建筑、工业建筑和建筑高度大于100m 的住宅建筑，其防烟楼梯间、独立前室、共用前室、合用前室及消防电梯前室应采用机械加压送风系统。对于设置避难层（间）的建筑，应根据避难层（间）的布置合理选择防烟设施，以确保其不受上下层烟气的侵袭，保证人员的安全疏散。为了提高排烟系统的可靠性，及时排出烟气，防止排烟系统因负担楼层数太多或竖向高度过高而失效，规范同时规定建筑高度超过50m 的公共建筑和建筑高度超过100m 的住宅，其排烟系统应竖向分段独立设置，且公共建筑每段高度不应超过50m，住宅建筑每段高度不应超过100m。由于高温烟气上浮的特性，为保证烟气顺利排出室外，排烟风机宜设置在系统的最高处，同时与加压送风系统的进风口和自然通风的楼梯间、前室的外窗或开口保持一定距离。

四、高层建筑暖通空调系统的节能措施

（一）空调系统

提高空调系统的自动化控制水平，是高层建筑空调系统节能的关键，将系统加入楼宇自控系统，在保证舒适性的前提下，对建筑内的空调系统及通风系统进行集中监控和自动控制，可以有效节省空调系统的能耗。对于单层建筑面积较大的建筑，外区受到围护结构传热的影响导致空调负荷变化幅度较大，一般夏季需要供冷而在冬季需要供暖，内区空调负荷则主要来源于人体、照明、设备等，因此变化较小，夏季需要供冷，而在冬季可能不但不需要供暖，甚至需要供冷，为了实现节能运行，在空调系统设计中应考虑系统分区问题，各系统分区应满足负荷变化及调节的需要，以减少能耗，节省空调系统的运行费用。温湿度独立调节的空调系统相比于常规空调系统也更加节能，其核心是把温度和湿度两个参数的控制由原来常规空调系统的一个处理手段改为两个处理手段，即通过新风除湿来控制室内湿度，高温冷水（16～18℃）降温控制室内温度。该方法能显著提高室内温湿度的控制精度，使空调系统的综合能效比得到进一步提高，达到节能、舒适，提高空气洁净度的目的。

（二）通风系统

在VRV 等空调系统中，可以选择全热交换器进行热回收。它是一种高效节能的热回收装置，通过回收排风中的余热对室外新风进行预热或预冷，在新风进入室内或空调机组的表冷器进行热湿处理之前，降低（增加）新风焓值。可以有效降低空调系统的负荷，既可以节省空调系统能耗和运行费用，又有效解决了提高室内空气品质与空调节能之间的矛盾，其回收效率可达70%～90%；在人员密度相对较大且变化较大的房间，如果一直按照设计的较大人员密度供应新风，将浪费较多的新风处理负荷，在室内设置二氧化碳浓度传感器，测量室内CO2 含量，根据室内CO2 浓度检测值进行送入室内新风量的控制，能够有效减少空调系统的新风处理负荷，达到节约系统能耗的目的。在地下车库的排风系统中，应设置与排风系统联动的一氧化碳浓度探测设备，通过CO 浓度的监测来控制通风设备的运行，以节约设备运行能耗。