高层建筑暖通空调设计要点分析

王龑 陈彩

中国联合工程有限公司 浙江 杭州 310056

引言

城市化是我国经济和社会快速发展的重要表现，随之而来的是高层建筑的大量涌现。高层建筑不仅为人们提供了多样化的文娱、商务和居住空间，也为暖通空调的设计和应用带来了新的挑战和机遇。暖通空调系统是高层建筑的重要组成部分，它直接影响着建筑的舒适性、安全性和节能性。因此，暖通空调系统的设计必须要综合考虑系统的选型、功能、性能和设计要点，以达到最佳的运行效果。在当前的可持续发展理念下，暖通空调系统的设计更要注重节能和高效，以满足人们对高品质生活的需求，同时更好的保护环境和资源[1]。

1 高层建筑暖通空调设计中存在的主要问题

1.1 风系统静压损失大，风机选型困难

超高层建筑由于建筑高度的增加，风系统管道长度变长，弯头、零件等数量增加，这些都会导致系统静压损失增大。静压损失的增加会导致风机选型困难，需要选用较高扬程、较大功率的风机，投资和运行成本增加。因此，风系统设计应尽可能降低管道阻力，提高风机效率，减少能耗。风系统的设计参数应根据建筑的实际需求和环境条件进行合理确定，避免过大或过小的设计，造成系统性能下降或浪费[1]。

1.2 给水系统水压损失及管网设置难度大

与普通高层建筑相比，超高层建筑供水系统管网垂直高度大大增加，水头损失远超过普通建筑。另外，超高层建筑平面面积也很大，如果采用末端供水，管径将很大，管材费用昂贵。管道转弯处和阀门元件也会产生较大阻力，进一步增加水压损失。因此，给水系统设计应采用分区供水的方式，将超高层建筑划分为若干个水压平衡的区域，每个区域设置一个水泵站，分级提压，保证各区域的供水压力和水量。同时，应优化管道的布置和规格，减少管道的长度和弯头数量，降低管道的水压损失。

1.3 排水系统设计复杂，管道阻力损失较大

超高层建筑垂直排水管道长度巨大，排水管道阻力损失必然很大。大楼内多个区块并联排水也增加了管道接口和弯头。污水流量及排水立管接口也增加了系统复杂度。管网系统需要采用大口径排水管道，且需要增设水泵提升站。因此，排水系统设计应采用分区排水的方式，将超高层建筑划分为若干个排水区，每个区域设置一个排水管道，并在底层汇总。排水管道应尽可能增大管径，以减少管道的阻力损失和噪声。排水管道应设置适当的坡度和通气管，以保证排水的顺畅和气压的平衡。在底层排水汇总处，应设置排水水泵，将污水提升至市政排水管网，克服管网的总阻力[2]。

1.4 高层输配电系统电压降与装置容量选择困难

超高层建筑供配电系统垂直距离长，线路电阻损失必然增大，电压降加大；大功率电机启动可能导致瞬时电压过低；系统容量选择困难。因此，供配电系统设计应合理选型电机及优化供配电系统，最大限度降低电压降。电机应选用高效率的变频电机，根据负载的变化调节电机的转速和功率，减少电机的启动电流和运行电流，降低线路的电压降。供配电系统应采用分段供电的方式，将超高层建筑划分为若干个电压平衡的区域，每个区域设置一个变压器站，分级降压，保证各区域的供电电压和电量。同时，应优化电缆的布置和规格，减少电缆的长度和接头数量，降低电缆的电阻损失。电缆应选用低电阻的铜芯电缆，并增大电缆的截面积，以减少电缆的电压降。

1.5 新风系统设置困难，系统效率较低

超高层建筑新风系统管道阻力损失大，风机选型和设置困难；同时风机耗电量大，系统效率较低。超高层建筑新风系统的设计不仅要满足室内空气质量的要求，还要考虑新风的温度、湿度、风速等对人体舒适度的影响。因此，超高层建筑新风系统的设计需要合理确定新风量和新风口的位置、数量和形式，以提高新风的分布均匀性和利用效率。同时，应采用节能型的新风处理设备，如热回收器、变频风机等，以降低新风系统的能耗和运行成本。

2 主要解决措施

2.1 优化风道设计，选用高效风机，多级利用风系统静压

优化风道弯头设置，尽可能减少管道转弯。选用高效EC风机，提高风系统效率，降低能耗。同时，通过设置顶层回风口，多级利用建筑本身形成的静压提升风机效率这样可以有效降低风系统的静压损失，减小风机的选型难度，提高风系统的运行稳定性和节能性。此外，还可以根据室内空气质量和温湿度的变化，采用变频控制风机的转速，实现风系统的智能调节，进一步提高风系统的舒适性和经济性。

2.2 分区供水，设置水泵提压，优化管道规格选择

将超高层建筑分为多个供水区，每区设置水泵，分步提压，减小单一水泵扬程，节省耗电量。同时，根据各区实际供水量和压力要求，选用恰当的管道规格，以减少管道水压损失。这样可以有效降低供水系统的水头损失，减小管道的规格和费用，提高供水系统的可靠性和安全性。此外，还可以根据水质的要求，在各区设置水质处理设备，如软化器、过滤器、消毒器等，保证供水的卫生和品质，满足不同用水的需求。

2.3 分区设置排水管道，增大管径，适当设置排水水泵

根据建筑分区特点，分区设置排水管道。由于排水量大，故尽可能增大排水管道口径。相邻排水区设置串联接口，并在底层排水汇总处设置加压水泵，克服管网总阻力，保证畅通排水。这样可以有效降低排水系统的管道阻力损失，减小排水管道的规格和费用，提高排水系统的可靠性和安全性。此外，还可以根据排水的特性，在各区设置排水处理设备，如沉淀池、油水分离器、生化处理器等，减少排水的污染物，保护环境和水资源[3]。

2.4 合理选型电机及优化供配电系统，最大限度降低电压降

针对超高层建筑供电系统，选用高效率电机和变频器，合理匹配系统负载，减少系统峰谷差，节省系统负载以提高运行效率。优化高楼区段供电方式，减少级数，增大电缆截面积，使用低电阻材质，最大限度降低电压降损失。这样可以有效降低供配电系统的电压降和电能损耗，提高供配电系统的稳定性和效率。此外，还可以根据电气设备的特性，在各区设置电气保护装置，如断路器、稳压器、避雷器等，保证电气设备的正常工作，防止电气事故的发生。

2.5 增大新风系统面积，设置总热回收装置，提高系统效率

超高层建筑新风系统应采用分散式侧墙新风口，增大系统进风面积，减小单一新风口风速，降低新风系统风阻，减少风机动力。同时在回风主干道设置总热回收设备，对新老风流量进行全热交换，回收能量，提高系统热效率。这样可以有效降低新风系统的静压损失，减小风机的选型难度，提高风系统的运行稳定性和节能性。此外，还可以根据室内空气质量和温湿度的变化，采用变频控制风机的转速，实现风系统的智能调节，进一步提高风系统的舒适性和经济性。

3 高层建筑暖通空调的一些具体设计要点

3.1 暖通系统设计要点

（1）采用低参数散热器。对于高层住宅来说，由于建筑高度的增加，供回水系统的水头压力损失增大。为了降低水泵的耗电量以及系统管网压力损失，采用低参数散热器系统就变得尤为重要。低参数散热器包括采用管径更大的铜制散热器或更低水流阻力的薄壁铝质散热器。它所需要的水流量较低，供回水压力损失也减少，间接降低水泵消耗的电能，还可减少系统管道的管径规格。在高层住宅中采用低参数散热器系统，是优化节能设计的重要手段。

（2）确保循环水流量和压力损失计算。在高层住宅暖通系统设计中，必须详细计算和确定各主分支以及分分支的流量和压力损失，以及各水泵的供水压力和水头。考虑从最顶层的房间，逐层计算分支和强制循环系统的压力损失和流量。设计一般采用计算机辅助软件，在不同情况对设计条件进行模拟计算和分析，可以确保不同工况的压力损失均满足运行要求。这对系统的稳定运行至关重要。

（3）加强水系统防腐处理。高层建筑开水和采暖系统长期存在腐蚀风险。设计需要采用先进技术加强水系统的防锈和防腐蚀措施。常用的技术有在水系统加入阴极保护、抑垢剂等，同时考虑采用耐蚀管路材料如CE级硬铜管路或聚乙烯等塑料管路。加强水质处理也是保证系统长期可靠运行的前提[4]。

3.2 空调系统设计要点

（1）机房布置要合理，便于运行维护。高层建筑空调机房的布置位置、通风等设计直接关系到空调机组系统的正常和稳定运行[5]。特别是对于采用可燃制冷剂如R32的机组，机房设计更为严格。机房应采用独立防火区，确保制冷剂泄漏时不会影响周围空间，并要考虑可燃气体的扩散影响。机房内的维修空间、吊装设备也要充分预留，确保在后期运行维护遇到问题时，技术人员和维修设备可以轻松进出。这对长期运行至关重要。

（2）空调机组要选型精确。高层建筑对空调制冷量和送风量的要求往往超过普通建筑。如在密度较高的塔楼，对空调舒适度要求也高于普通居民楼。这就需要设计人员在选型空调机组时，要充分考虑建筑负荷密度，根据不同楼层和房间功能的制冷量需求，采用合理的冗余和可变设置，确保空调制冷能力和送风量完全满足建筑物整个生命周期的需求。这可以避免空调系统在高温天气不能满足供冷要求的问题。

（3）新风系统空调要选用节能技术。高层建筑新风量较大，如果单纯采用常规制冷处理新风则会造成很大的能源损失。因此，供新风的空调系统要优先考虑采用节能技术。常用技术包括全热回收新风机组、新风与返回空气能量轮流体换热、制冷与预热热泵复合技术等。这些技术都可以在一定程度上降低建筑空调新风处理的能耗。合理采用这些技术是高层建筑空调节能的重要途径[6]。

4 结束语

综上所述，高层建筑暖通空调系统的设计有其自身的复杂性和挑战。在总体设计理念上，要充分考虑建筑功能和使用特点，采用合理的系统集成和分区控制，并尽可能选用各种高效节能技术。在暖通设计上，要重点关注水系统压力平衡、流量控制和防腐处理等问题。空调系统则要考虑机房布置、机组选型精度以及新风处理等多方面问题。这需要暖通空调设计人员，在进行每个细节的计算和方案选择时，都要充分思考高层建筑的特殊性，努力优化设计，以实现建筑能效、经济性和舒适性的最佳平衡。