超高层建筑暖通空调系统的设计原则探究

2023-03-21刁建美

建筑与装饰 2023年3期

刁建美

鸿伟合创（厦门）建筑设计有限公司福建厦门 361001

引言

随着社会经济的迅速发展和科学技术的飞速发展，摩天大楼越来越多。摩天大楼比一般建筑物复杂得多。由于超高层建筑比一般建筑要大得多，能容纳更多的人，发挥更多的功能，因此超高层建筑在设计时需要考虑很多方面。暖通空调系统是摩天大楼功能的重要组成部分，它直接影响着大楼的使用。为了使空调行业与社会、环境、资源和谐发展，相关设计人员必须根据我国的发展需要进行合理的空调系统设计[1]。

1 超高层建筑特征分析

建筑采暖是建筑内部热量的传递过程，使室内环境得到适当的调节，创造出舒适的居住环境。所有现代建筑都需要供暖，这是建筑最基本的功能。现有供暖方式因建筑设计及地区不同而有较大差异。建筑通风是另一项重要要求。通风为建筑内外提供空气交换，带来新鲜空气，取代污染空气，确保建筑内部环境健康。高层建筑的采暖、通风及空调系统设计直接影响到建筑内部的舒适程度，因此必须对高层建筑的空调设计进行改进。近年来，我国建筑设计发展较快，但仍存在噪声、公共空间等问题。室内空气环境较差，噪音较大。高层建筑高度在100m以上，楼层越高，建筑内部容积系数越低，建筑抵抗风速越大。风速会影响室内环境，给使用者带来不适。同时，高层建筑的风速也会使建筑物内产生较高的噪声，严重影响人们的生活、休闲，影响人们的生活质量。研究发现，15～25层高的建筑内部环境相对较差，而这些建筑就是必须针对的对象。高层建筑虽然能有效节约土地、减轻居民负担，但是高层建筑公共空间的减少会降低使用者的舒适度，因此必须保证建筑设计质量。

2 暖通空调系统概述

一般而言，“空调系统”包括制冷供暖、新风系统、排风系统、排烟系统等。因此，从功能上讲，暖通空调是建筑的一部分。就建筑设计而言，它是建筑设计的一部分。它不只是一种“空调”。建筑暖通空调系统可分为中央空调系统和独立空调系统。这取决于建筑的目的以及投资者的意图和实际需要。暖通空调系统的种类很多，但是其基本原理都是一样的。常见的有分散式冷却或加热系统、热泵系统、热回收系统、冷风机系统、空气-水系统、新鲜空气系统和新鲜水系统。空气-水系统通常使用冷冻水来去除空调空间内显热负荷，同时通风，保证空气质量，去除空间潜热负荷。全空气系统，它能满足空调空间的所有要求（如加热、加湿、降温、除湿）。全通风系统，包括风机盘管机组、联合通风机组或重力终端机组。其主要优点是能适应大部分建筑空调系统，并可灵活地应用于空调系统改造[2]。

3 超高层建筑暖通空调设计原则

3.1 安全原则

暖通空调系统设计应遵循安全原则，即设计人员必须了解高层建筑实际情况，根据规划确定防火分区，密切关注消防安全规划，智能规划通风系统，确定风道方向，确保符合消防安全规定，并使下一步施工顺利进行，通过智能规划避免燃气、通信、电力等线路的碰撞。规划时应考虑使用后出现的问题，确保安全隐患得到及时解决。分析与评估应结合暖通空调系统运行状况，找出改善系统运行安全性的可能途径。暖通空调系统的复杂性要求对能源进行有效的管理，科学设置通风与保护系统，对其进行检测与监测，及时消除安全隐患。

3.2 可实施性原则

暖通空调系统设计应遵循可行性原则，即根据建筑暖通空调系统的设计要求，确保系统可行性。为了提高设计的合理性，在实际设计中应采取适当的规范。由于暖通空调系统具有制冷与供暖双重功能，能耗高，对环境影响较大，因此在系统设计中应注重环境保护，落实暖通空调的具体设计要求，保证室内温度、湿度、改善室内空气质量。

3.3 节能与环境保护原则

超高层建筑暖通空调系统设计必须克服以往发展模式的弊端，顺应绿色发展趋势，遵循绿色设计原则，达到绿色设计要求，实现低能耗、循环利用。在正确认识超高层建筑能耗的基础上，空调系统规划应包括新产品、新技术的使用、节能措施的具体分析。太阳能、地热等自然资源具有可再生性，应按照节约能源和环境保护原则，充分利用可再生资源，减少不必要的电力消耗，确保超高层建筑的经济效益，合理控制成本，确保工程效果。

3.4 卫生舒适度原则

暖通空调系统以调节室内温度为主要功能，适宜的温度对优化居住环境起着重要作用。因此，在暖通空调系统设计中，必须以健康、舒适为原则，选用环保型材料，以避免对人体健康造成危害，同时也能极大地改善建筑侧翼的居住环境。超高层建筑暖通空调耗能高峰出现在冬季、夏季，而超高层建筑则存在较大的能耗高峰。因此，通过设计提高空调控制效率非常重要，因为其高度的适应性使其操作更加容易。在运用自动化技术的过程中，必须了解建筑物的基本特性，提高自动化技术的适应性。自动化技术最大的好处就是减少了人力资源的使用。

3.5 经济性原则

在超高层建筑暖通空调系统设计中，为了保证设计达到节能要求，必须首先考虑效率问题。设计师应该把两者结合起来。例如，在选择材料时，要充分了解市场，选择成熟的生产厂家，确保材料符合相应的质量标准，保证价格优势，避免盲目选择早期材料。选择设备时，一定要确保设备可靠，工作正常。

3.6 整体性原则

整体性原则应从建筑整体、全局、全专业角度出发，在满足建筑使用需求和人员舒适度的前提下，合理选择暖通空调的设计方案，提高建筑节能减排整体水平。如结合建筑设计、室内外装饰合理选择系统方案、遵循设计规范实现不同建筑温度调节功能、全面、系统地分析和计算运行区域，确定科学的控制管理模式[3]。

4 超高层建筑暖通空调系统存在的主要问题

4.1 暖通空调系统的优化设计缺乏科学性

现代高层建筑在设计、安装阶段应根据实际情况全面了解室内环境，收集各种信息，提高设计合理性。空调系统能否继续稳定运行，主要取决于两个因素：①设计方案是否符合实际情况；②节能优化方案的合理性和可行性；在节能优化方案设计上，相关规划部门应通过合作研究，采取针对性措施。因此，应将新管理理念融入设计中，积极引进新技术，测试新设备，解决设计过程中出现的诸多问题。

4.2 不合理使用暖通空调系统

暖通空调系统是超高层建筑中非常重要的一部分，它已经成为人们生活和工作的重要组成部分。然而，由于暖通空调系统运行时间较长，大多数建筑对暖通空调系统的维护往往忽视，从而导致其维护工作出现困难。因此，空调系统在长时间运行时，不可避免地会影响其稳定性，从而达到节能降耗的目的。另外，部分用户使用模式不规范、随意性较强，给暖通空调系统带来不利影响。目前我国高层建筑暖通空调系统使用情况的研究表明，空调系统设备故障或部分功能不能正常工作，主要是人为因素造成的，严重影响了建筑节能。

4.3 缺乏专业技术人员的操作管理

超高层建筑暖通空调系统设计具有楼层高、结构复杂等特点，需要专业人员对其进行数字化、系统化的设计。然而，在实际操作中，为了节省安装、规划和管理费用，建筑师和营建者往往对技术人员缺乏严格的管理与监督，一些非系统化和非专业人员对暖通空调系统的维护活动造成了资源利用率低、能源浪费等问题。因此，为了保证 HVAC系统正常运行，必须加强技术人员的技术知识。培训应侧重于专业知识和实际工作技能的评估。严格的培训与评估是确保暖通空调系统正常运行的唯一途径[4]。

5 绿色节能在建筑暖通空调系统中的应用

5.1 自然通风法

自然通风是改善室内空气质量和舒适度的原始有效途径；通风不消耗资源，不产生污染，对环境保护有很大的作用，因此在现阶段，如何实现自然通风技术是为了改善人们的生活条件。因此，应加强自然通风技术的科学应用，根据不同地区的实际需求，建立有效的自然通风技术应用机制，促进建筑节能设计与安装。如采用自然通风技术时，应利用风压进行操作，以保证室内空气流通，使居住环境更加绿色环保，提高呼吸舒适度与放松度。在建筑设计时，为了排出室内暖气和自然通风，应在室内上部设置可调节的开口。

5.2 蓄能系统的创新应用

将储能系统应用于建筑工程，能有效地降低整个空调系统的能耗，动态调整室内环境控制因素，达到绿色宜居建筑的目的。建筑空调系统通过节能设计，能更加立体地体现建筑空调系统的功能，直观地分析不同类型能源的实际使用路径。储能系统在节能减排方案上的创新应用，使空气净化效果更加稳定，对环境温度、湿度进行更好的控制，使储能系统真正的效益更加明显。然而，中央控制系统在使用储能系统时，必须准确地输入、输出各种环境指标，保证各空调设备之间的连接稳定。许多储能系统都能准确地输出各种控制信号，对整个空调系统故障进行检测报告，统计分析实际能耗。储能系统的创新应用能够确保稳定性和减少事故发生的可能性。改善门窗的使用价值，大增热回收技术，提供更低碳环保的建筑气候管理方法。

5.3 可再生能源空调的推广应用

近年来，可再生能源主要包括太阳能、水电、风能等。随着现代科技的不断进步，可再生能源的利用也日趋成熟，而可再生能源空调在未来的发展中起着越来越重要的作用。从另一个角度来看，高层建筑采用可再生能源时，首先要合理利用风，利用自然风为空间提供必要的能源，减少能源消耗，达到保护环境的目的。在超高层建筑暖通空调系统中，可再生能源的应用可能非常广泛，需要相关人员不断地研究和创新。在这些方面得到落实后，超高空建筑暖通空调设计质量将得到改善。

5.4 智能空调系统的设计

通过智能空调系统应用于超高层建筑，结合实际建筑特点对智能空调系统进行优化设计，可达到以下目的。

首先，比较几种建筑暖通空调系统的设计方案，选择最佳参数和结构，使能耗降到最低。其次，为了提高系统响应效率，通过减少控制步数，模拟建筑暖通空调系统及其运墙结构、设计等形式的被动节能方式，利用智能空调系统实现节能效果的规划与调整。

5.5 空调机自控系统设计

在现代建筑工程中，超高层建筑一般都会设置智能暖通系统，而智能暖通空调系统的设计更是重中之重。在当今社会，设计人员一般都会采用自动空调模式来实现暖通空调系统的自动控制，其主要应用理念是实时控制风机技术和电动阀门技术，通过这两种技术的结合，降低暖通空调系统的能耗。除此之外，在螺杆式冷水机组区域之外，其他区域也需要设置冷热源系统，在回水管中建立和设计旁路装置，同时还要考虑电动二通阀的设计。另外还有一种情况，那就是暖通空调系统直接服务于多个行业，这就需要在多个管道上安装计量装置和阀门，为空调自控系统的运行提供便利。