在建筑美学和绿建要求约束下的给排水设计

2022-09-15马慧俊杨婷

新型建筑材料 2022年8期

马慧俊，杨婷

（浙江省建筑设计研究院，浙江杭州 310006）

0 前言

本项目的目标是打造一个高效、高智能、节能、低碳的建筑，并获得美国绿色建筑LEED金级认证和中国绿色建筑三星级认证，为当地树立可持续设计和开发的典范，并创建一个活力动感的都市新焦点。建筑外立面要求：简洁、现代、独特、大气、硬朗，这也是本项目建筑设计的重点目标。

根据GB/T 50378—2019《绿色建筑评价标准》要求，需根据当地气候和自然资源条件，合理利用可再生能源，合理使用非传统水源。同时也为满足LEED雨水控制及节水条款的要求，本工程采取了设置太阳能热水系统以及雨水收集回用系统。国内相关类似建设目标的绿色建筑上也采取了上述2种策略[1-4]。由于太阳能热水系统、雨水收集回用系统以及冷却塔循环水系统这3个系统对建筑立面和景观效果都会有直接影响，本工程对此进行了分析与思考，并采取合适的处理措施，以期实现建筑、技术、美学融为一体的设计目标。

1 项目概况

本项目为超高层办公综合体，地上由一栋43层塔楼和4层裙楼组成，地下3层为机动车库及配套机房。塔楼主要为超五星级办公楼层，其中1~3层为大厅层，4层以上为标准层，12层及28层为机械层，13层及29层为避难层。裙楼1~4层主要为商业用房，裙楼屋面为屋顶花园，具体见图1。本项目是一幢结构上富于表现力的建筑物，具有高效的平面布局，灵活的大开间楼层，以及创新的雨水回用系统和空气过滤系统。大楼提供了设置独特的办公场所，既体现了该商务区的多样性又体现了办公空间设计的前瞻性和灵活性。

2 冷却循环水系统

2.1 冷却塔位置选择

冷却循环水系统中对建筑立面影响最大的为冷却塔。冷却塔塔体高、占地大、运行有震动、噪声、漂水等对周边环境的不利影响，而且塔体对进风条件有较高要求，因此冷却塔的设置位置一直是水专业和建筑专业共同关注的重点。本项目集中空调制冷采用电动冷水机组，采用了4台单机制冷量为3170 kW和1台单机制冷量为1407 kW电动离心式冷水机组，设置于地下1层。冷却塔采用2组循环量为1545 m3/h的超低噪声高效型方形横流式冷却塔。

按照总图平面，塔体的位置主要有地面、裙楼屋面和塔楼屋面3个布置方案。

方案一：塔体设置在地面上。由于地块紧凑，地面留空余地不多，且留空位置东北角为市政干道交叉口，大型设备设置在此处，对地块整体效果影响很大，所以此方案排除。

方案二：塔体设置在裙楼屋面。裙楼位置高度适中，离冷冻机房近，但经过仔细研究几种实际尺寸的塔体在屋面上的放置方案后，发现存在2个难以接受的缺点：（1）高大的冷却塔体在裙楼上非常突兀，无论采取何种隐蔽措施，对裙楼整体立面影响太大，打破了整体建筑外立面的线条和体块逻辑；（2）冷却塔设在裙楼屋面上，对裙楼屋顶花园景观整体性效果破坏很大。而且塔楼和裙楼间距仅为13 m左右，冷却塔运行的噪声、白烟对塔楼的使用有影响。由于本工程对建筑立面及裙楼屋顶花园景观效果的完成度有相当高的美学要求，因此该方案经业主和各专业反复评估后也被排除。

方案三：将冷却塔设置到塔楼屋面。该方案的优势在于塔体可以做到完全隐蔽，完全消除了冷却塔对建筑外立面的影响。但给水专业带来了极大的挑战，就是塔楼屋面距离冷冻机房有约200 m的高差，循环冷却水系统压力过大，远超常规冷机循环系统的工作压力（＜1.0 MPa），需采取技术措施处理。

经过综合评估，为保证外立面完成效果和裙楼屋顶花园的完整性，本项目采取方案三进行冷却塔的安置。

2.2 大高差冷却塔循环水系统组成

冷却塔设置在超高层塔楼屋顶，在国内类似项目不多见。冷却塔至冷冻机高差约200 m，如果不采取措施，直接采用常规一泵到底的做法，整个循环系统涉及的管道、设备压力都要达到2.4 MPa以上。这样的系统存在很大的安全风险及可靠性问题，同时也由于压力等级的提高，大大提升了整个系统的造价。为了解决超压问题，系统会采取设置板换竖向分区，或裙房、塔楼分别设置独立系统[5]。本工程冷却循环水系统采用了设置中继板换，实现循环水系统高低分区，隔绝大高差系统对冷机的绝对压力。

整个大高差冷却水循环系统由屋面开式横流冷却塔、12层中继板换、12层高区冷却水循环泵、-1层冷冻机房低区冷却水循环泵和冷冻机组成。屋面设置了2组超低噪声高效型方形横流冷却塔，单组流量Q=1545 m3/h，进出水温度t1、t2分别为31.0、36.5℃，湿球温度为28℃。12层机械层设置3台中继板换，设计采用1℃换热温差，高区初级侧的供回水温度分别为36.5、31.0℃，低区次级侧供回水温度分别为37.5、32.0℃，每台换热量为5338 kW，压损50 kPa。此外，12层相对应设置了4台高区冷却水循环泵，流量为255 L/s、扬程为32 m、功率为112 kW（三用一备）。在-1层冷冻机房与冷机一一对应设置了5台低区冷却水循环泵，流量为172 L/s、扬程为32 m、功率为75 kW（四用一备）及1台低区冷却水循环泵，流量为78 L/s、扬程为32 m、功率为37 kW。系统原理见图2。

2.3 大高差冷却塔循环水系统设计要点

2.3.1 中继板换荷载及尺寸

由于冷却水系统循环量达到2754 m3/h，系统循环干管分别为DN700、DN600，整个换热系统的板式换热器和循环泵相应都很大。换热机房处于12层机械层，是整个大楼中的中间层，所以板式换热器的质量、高度尺寸这2个参数变得特别重要，必须在设计阶段对结构荷载、建筑层高条件有所考虑和预留，招标阶段也应在招标文件中将其作为响应条件。本工程最终采用的板式换热器，单台运行总质量18.2 t，长×宽×高=5195 mm×1174 mm×3218 mm。这个质量及尺寸在相同换热量的不同品牌中是最轻和最小的，其他同规模换热量的常规板式换热器荷载值都在24~35 t不等。因此，在换热机房设置在中间楼层的项目中，特别需要考虑预留土建条件及控制中继板换的质量及尺寸。

2.3.2 高区冷却水循环泵震动及噪声

由于12层机械层下面即为普通办公楼层，所以设计阶段也已重点考虑了整个机房的震动及噪升处理措施。一般泵房内震动和噪声主要来源于水泵电机。水泵运行的震动和固体声主要有以下3种途径通过建筑本体传递到其他楼层：设备基础、连接管道、支架。本工程相应采用了以下3种措施：在机房内部墙体设置多孔吸声板、循环泵与管道连接处设置橡胶软接头、循环泵设置在隔声减震的浮动地台上。其中，浮动地台由结构楼层上的弹性层和浮动层组成。浮动层由钢筋混凝土浇筑成，弹性层由弹性支撑构件组成。设备设置在浮动层上部，设备运行的震动和噪声在到达结构层前，就会被弹性构件大量吸收消解。具体节点见图3。

但是在冷却循环水系统调试运行中，12层机房的循环泵运行噪声和震动超出预期，对下层办公室干扰较大。经实测，12层机房在正常运行过程中，在水泵旁测得噪声值为84.0 dB（A），11层办公室冷却水泵正下方噪声值为58.8 dB（A），10层办公室相应位置噪声值为47.3 dB（A），不能满足设计要求。根据现场勘查情况，进行了以下几个方面的整改：

（1）浮动地台混凝土面层不得与周边粉刷层一体，露出围边垫，保证浮动地台与土建结构不做硬连接。

（2）机房围护隔墙应砌到顶，不留缝隙，且内部设置多孔吸声板。

（3）水泵房间管道支架应设置弹簧减震器，水管支架不得与土建本体刚性连接。

（4）更换超静音电机。

采取以上措施后，11层办公室测点噪声满足设计要求。

2.4 超高层塔楼屋面冷却塔安装要点

在超高层塔楼屋面设置冷却塔应注意以下2点：

（1）冷却塔供货方式一般有2种，整机供货和散件供货。散件供货由于冷却塔需要现场安装，安装质量不可控制、工期长，但运输成本便宜，在条件有限时可以采用。相反，整机供货安装质量好、工期短，但运输困难、费用高，且吊装条件要求高。但如果现场条件允许尽量选择整机供货，这点可在招标文件中进行约束，同时后期需协调总包做好吊装。本工程塔吊16 t，冷却塔在塔吊未拆卸前进场，所以单个冷却塔模块直接吊装至塔楼屋面。缩短了安装工期，提高了施工质量。

（2）由于塔楼周边一圈女儿墙体较高，冷却塔相当于安装在深坑内，任一组塔左右两侧距离墙体约为4 m，所以，进风条件一般。为了减少了热气流的回流，改善进风条件。本工程抬高冷却塔基础，将塔体出风口高度提高至略低于女儿墙，同时考虑避免与擦窗机的摆臂碰撞。经过厂家校核，确定了该条件下冷却塔热力性能可满足设计要求。

3 太阳能热水系统

根据绿建可再生能源利用的要求，本工程需采用太阳能热水系统，设置太阳能集热板335 m2，用于提供地下室员工淋浴间洗浴热水。太阳能集热板集中设置会占用大片区域，非常醒目，对建筑效果影响很大。因此在项目设计中，集热板设置位置选取是给排水专业和建筑专业非常重视的内容。

本工程大楼屋面的全年太阳辐射分析见图4。整个建筑物屋顶全年日照辐射量充足，集热板可以设置在塔楼或裙房任一屋面上。

由图4可以看出，理论上集热板设在塔楼最高处时集热效果最佳，但由于塔楼屋面已布满冷却塔、擦窗机等各类设备，不再有条件设置集中大面积的集热板，只能考虑设置在裙楼屋面上。而本工程裙楼屋面是建筑和业主非常重视的景观面，也是本工程的亮点区域。建筑景观方案设计在裙楼屋面打造一个绿意盎然、流水环绕的屋顶花园，为大楼商业及办公人群提供休憩和休闲的场所，所以裙楼屋面必须保持纯粹和整洁，需要尽可能减少设备对屋面的占用或者尽量降低设备对屋面整体景观造成突兀的影响。整个屋面建筑形态上凸起构筑物就是2个狭长的楼梯间及1个电梯厅。如何在相对非常整洁的屋面上设置335 m2太阳能集热板，又不突兀，是非常需要仔细推敲和研究的节点。经过与建筑专业反复探讨，最终采用下述方案：在裙楼一圈女儿墙内侧1 m左右新增一圈女儿墙，平板集热器镶嵌在2个女儿墙顶部的中间，剩余的集热器设置电梯厅上部。热媒循环管路设置在集热器下部，被两侧的女儿墙完全隐蔽。这种化整为零式的太阳能集热器设置方法最大程度地避免集热板集于一处设置，而显得过于突兀和醒目。同时由于集热器为黑色，设在2道女儿墙间，沿建筑周边布置一圈，做到了太阳能集热板与建筑一体化。本工程共采用了156片尺寸为2050 mm×1050 mm的平板集热器。为避免单个循环系统规模过大，以及保持系统安全，太阳能集热器分成2个独立的循环系统至热水储罐，循环系统采用同程布置。

4 雨水收集回用系统

4.1 雨水收集回用系统总体方案

根据绿建要求，本工程应设置雨水回用系统，主要用于地下室车库冲洗、室外绿化浇灌道路冲洗及水景补水。根据回用功能的不同，本工程雨水收集回用系统分为2个独立的系统：第1套雨水收集回用系统收集塔楼屋面雨水，经过室外弃流井弃流后，进入地下3层雨水处理机房，处理合格后，加压回用于地下车库冲洗、室外绿化浇灌道路冲洗和作为水景补水的备用水源；第2套雨水收集回用系统把水景和雨水收集回用系统进行了结合。

4.2 水景化雨水收集回用系统构成

本系统主要由以下5个部分组成：裙楼屋顶花园（雨水湿地花园）、内院跌落式水景、1层镜面水池、地下雨水蓄水池及雨水机房。水从雨水机房加压提升至裙楼屋面水景墙出水，然后在屋面流经湿地植栽区域和水域开放区，最后流至内院垂直净化跌水墙，垂直净化跌水墙由多级种植水生植物的金属种植槽组成，水流经种植槽，也得以净化。同时通过跌水也提高了水中的溶解氧浓度。跌水墙的最后一级为水瀑墙，落下的水流经中庭与室外的1层镜面水池连通。镜面池水溢流回至地下室蓄水池，周而反复，水在整个循环系统中闭环。整个水循环系统通过植物过滤、跌水充氧形成了一个生态的水净化工程系统。屋顶花园、内院跌落式水景、1层镜面池，共计3873 m2，这些区域作为景观设施的组成部分的同时，还直接收集降水，发挥了雨水收集和回用功能。水景化雨水收集回用系统原理如图5所示。

4.3 系统运行参数选取

本工程地下室雨水蓄水池主要为了保证地上水景放空时水的临时存储，以及能一定程度上调节不同月份的降雨和蒸发量差值给系统带来的冲击，保证系统一般无需经常补水正常运行。因此蓄水池容积主要由2部分构成，地上各水景设施的储水量1025 t，当地极端干旱天气3个月降雨量和最不利月份的蒸发消耗水量总计542 t，需储水容积共计1567 t。本工程实际设置了1700 t雨水蓄水池。此外，此雨水收集回用系统年可收集利用的雨水量约为4152 t，系统年蒸发量约3331 t，所以整个系统能够保证初次注水启动后无需另外补水长年运行，系统能维持一个闭环运行。为了保证内院跌落水景效果，工程设置循环流量80 m3/h。