对高层建筑工程暖通空调系统设计的探讨

对高层建筑工程暖通空调系统设计的探讨

 王实

摘要：根据民用建筑空调设计的成功经验和失败教训,深感空调系统的正确选择是做好空调设计的前提。除了教科书和常用手册资料的介绍外,选用合适的暖通空调系统和设备,使设计能做到量体裁衣,恰到好处。本文结合工程设计实例和设计经验对建筑暖通空调冷热源设计和水系统以及一些特殊区域的空调通风方案进行了探讨。

关键词：高层建筑；暖通设计；冷热源设计；变风量空调：四管制

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1工程概况
某大厦建筑功能为高档写字楼及部分商业用房,建筑面积15万m2,地上30层,地下4层,由两座主楼及连接两主楼的裙房组成,建筑高度地上125 m。首层至5层为大堂、商业用房、餐厅等,6～9层为办公用房,15层局部为避难区,30层为电梯机房、风机房及水箱间,地下1层为快餐厅及商业用房,地下2层为制冷机房、换热机房、水泵房、变配电室、备用发电机房等,地下3层和地下4层为汽车库。
2　冷热源设计
夏季空调设计总冷负荷为19596kW,冬季供暖、空调设计总热负荷为14231kW。空调冷源由设在地下2层制冷机房内的6台3516kW(1000rt)的离心式冷水机组提供,冷水供回水温度为5℃/10℃,冷却水进出水温度为32℃/37℃,冷却塔设在两个主楼的屋顶,空调冷源系统示意图（略）。调热源为市政热网提供的高温热水,经设在地下2层换热机房内的板式换热器交换出80℃/60℃的二次水供供暖、空调系统使用。
3 空调及供暖系统设计
3.1　首层～5层的大堂、商业用房、餐厅等采用全空气定风量空调系统。地下1层快餐厅、商业用房及标准办公层采用全空气变风量空调系统。各空调系统设回风/排风机,过渡季均可全新风运行。地上层每层空调机房靠外墙设置,新风引入口、排风口可直通室外,以满足进风、排风百叶风口面积要求。设计中需注意新风引入口与排风口的间距要求。
3.2　全空气变风量空调系统采用单风道定静压控制,送、回风机均可变频运行。
3.3　标准办公层进深较大,人员、灯光及办公设备发热量较大,存在内区。冬季内区需要供冷,而外区需要供热,所以变风量空调系统按内、外区分别设置。将外窗墙线至进深4.6m的范围划为外区,超过这个进深划为内区。
内区采用VAV变风量末端装置,全年供冷;外区采用风机动力型变风量末端装置与散热器组合的方式,在外窗处设冬季供暖用铜制串片散热器。冬季变风量空调系统的送风温度按内区要求设置,外区通过控制散热器的加热量使室内温度满足设计要求。
与外区设变风量末端装置内置热水盘管冬季送热风的方式相比,外区设散热器供暖更舒适,无吹热风感;冬季还可用于夜间值班供暖,避免出现早晨上班后室温过低的情况,也减少了风机的运行能耗。散热器供暖具有舒适、节省运行费用的特点,符合实用、节能的原则,在设计中可作为外区供暖的优选方案。
3.4　在空调机房、风机房等冬季有供热要求的域设热水暖风机。在消防控制室、自动交换机房、电梯机房等部分季节需要24h供冷或需要独立冷的房间设水冷整体式空调机组。
4 空调冷水、供暖及空调热水系统设计
4.1　空调水系统为四管制,分空调冷水系统和供暖与空调热水合用的热水系统两种。各空调机组的冷却盘管、加热盘管分别设置。
空调冷水系统全楼竖向不分区,冷水机组承压2.0MPa。系统形式为一次泵系统,在机房冷水供回水总管之间设压差控制的电动旁通调节阀。闭式膨胀水箱设在30层的机房内。
4.3　热水系统为全楼的空调机组加热盘管、暖风机加热盘管及散热器提供热水。热水系统竖向分高区、低区、裙房区三个区,板式换热器承压2.1MPa。各区热水循环泵变频运行,闭式膨胀水箱分别设置在30,15,5层机房内。
4.4　热水系统接各层空调机组加热盘管、暖风机加热盘管及散热器的水管为双管水平横串式布置。
4.5　每台空调机组的冷却盘管、加热盘管的回水支管设平衡阀及电动控制调节阀,暖风机加热盘管的热水回水支管设电动控制调节阀,散热器回水支管设温控调节阀及定流量阀。
5　冷却水系统设计
5.1　冷却水系统包括大厦空调冷却水系统和租户冷却水系统。由于许多进驻办公楼的公司设有专用设备机房,机房内发热设备多,设备运行时对环境温度有一定要求,而且是全天24h运行、全年四季运行,所以设备机房需要设专用空调机组,全年供冷。考虑到大厦未来出租的需求,设置了为水冷整体式专用空调机组服务的租户冷却水系统,也可兼为大厦特殊用冷部位,如消防控制室、自动交换机房、电梯机房等服务。
5.2　空调冷却水系统和租户冷却水系统合用冷却塔,分别设置冷却水泵。冷却塔采用开式冷却塔,为提高租户冷却水系统水质,在地下2层的制冷机房内设置了两组板式换热器,将租户冷却水系统分为冷却塔一次水系统及租户二次水系统。租户二
次水供回水设计温度为33℃/38℃,能满足水冷专用空调机组的运行要求。
5.3　因设计阶段很难预计租户设置水冷专用空调机组的需求量,租户冷却水系统的冷却水量便成为一种预留量,不同设计项目有不同的考虑。该大厦冷却塔容量按空调冷却水系统容量加大25%选取,加大的余量即是为专用设备机房和租户设备机房的水冷整体式空调机组预留。冷却水泵两用一备,单台泵流量370t/h。
5.4　租户二次水系统竖向不分区,板式换热器承压2.0MPa,闭式膨胀水箱设在30层的机房内。租户二次水循环泵定速运行,为适应系统流量变化,在机房内供回水总管之间设压差控制的电动旁通调节阀。
5.5　为控制冷却水供水温度不致过低,冷却塔供回水总管之间设温度控制的电动旁通调节阀。
6通风系统设计
6.1　制冷机房、换热机房、电梯机房、水泵房、变配电室及备用发电机房等各类机房的通风系统分为送风系统和排风系统。
6.2　厨房、汽车库的排风系统兼作排烟系统用,送风系统兼作排烟补风系统用。厨房送风用新风机组的冬季送风温度可控制在13℃,汽车库新风机组的冬季送风温度可控制在10℃。汽车库排风系统的排风口按上部排风1/3、下部排风2/3布置,下部排风支风道设电动阀,火灾排烟时电动阀关闭。汽车库还设有一氧化碳监测系统,每7.6 m半径范围内设一个探头。
6.3　卫生间、配电小室各设独立的排风系统,竖向分两个区,14层以下为一个区,16～29层为一个区,排风机分别设在15,30层。为使排风均匀,卫生间各区竖向又分设两条风道,一条接分区下部、另一条接分区上部楼层排风口。
6.4　大厦主楼还设了一般的排风系统,竖向分15层以下、16～9层两个区,排风机均设在30层。各区的各楼层设支风道,根据楼层办公用房或租户的需要(如设置复印室、自备茶水间等)接支风道、安装排风口。
6.5　各通风系统的送风机、排风机为双速控制。
7防排烟系统设计
7.1　大厦主楼防烟楼梯间及合用前室分别设正压送风系统,全楼竖向分三个系统设置,分别为地下层系统、首层至15层系统、16～30层系统,正压送风机分别设在首层、15层、30层。防烟楼梯间正压送风系统每隔一层设常开风口,风口处配风量调节阀。合用前室正压送风系统每层设常闭电动风口,加压送风时打开着火层及其上下层。15层避难区设加压送风系统。
7.2　排烟系统大多与通风或空调系统共用。大厦外窗为不可开启窗,地上各层有外窗的房间也需设消防排烟系统。
7.3　标准办公层空调系统回风道与排烟风道共用,回风/排烟风道按防烟分区设电动风阀,平时全部打开,火灾时着火区域电动风阀打开,其他防烟分区电动风阀关闭。通过设在空调机房内的排烟总竖风道将烟气排至30层,经排烟风机排至室外。
排烟总竖风道在每层支风道处设防火排烟阀,火灾时着火楼层的防火排烟阀打开。空调机房回风总风道设工况转换用电动阀,火灾时关闭,且着火层空调机组送风机及回/排风机停止运行。与着火层相邻的上下楼层回/排风机停止运行,送风机全新风运行作为排烟补风用。
8经验教训
8.1　冷水机组与冷水泵及冷却水泵的连接方式可采用一对一连接或共用集管连接,前者控制简单,后者控制较复杂,需要在冷水机组的冷水接管及冷却水接管处设电动阀,与水泵联锁启闭。该工程冷水泵及冷却水泵各设有一台备用泵,采用了共用集管的连接方式,冷水机组的冷水接管及冷却水接管共装有12个电动阀。
从目前运行情况看,即使全楼空调系统都投入使用,也几乎不会有6台冷水机组全部投入运行的时段,这表明配置的冷水机组、冷水泵及冷却水泵有余量。根据大量工程回访调查的运行情况看,设计选用3台以上冷水机组时,几乎没有冷水机组全部投入运行的时段,水泵完全可以不设备用。
因此冷水机组与泵的连接就应该优先选用一对一连接方式,以节省电动阀的投资、安装及运行管理费用,也节省了制造电动阀的资源及能量的消耗。有的设计项目在电动阀前后还安装关断阀及设旁通管并安装旁通关断阀,如果改用一对一连接方式,节省的阀门费用就更多。
工程设计中选用2台或3台冷水机组的情况较多,也宜采用冷水机组与水泵一对一连接方式,在水泵出水管之间设连通管,连通管上安装手动转换阀,使水泵可互为备用;或设一台备用泵,通过连通管对其他泵起备用作用。这种一对一连接方式也是文献[1]提出的宜采用的做法。
8.2　租户冷却水系统管道在大厦每层预留接口,但各层租户的需求量有很大不同,有的楼层没有用户,有的楼层需求量远大于设计平均楼层供应量。
实际操作中当新申请用户所在楼层冷却水用量已超过设计平均楼层供应量后,就为新申请用户从上一层或下一层接管。因此,建议在设计租户冷却水系统时,各层水平支干管的管径按几倍设计平均楼层供应量确定,以解决冷却水用户的不确定性、不
均匀性带来的问题。
8.3　正压送风系统、排烟系统施工完成后达不到设计要求的情况时有发生,该工程也同样出现了这种情况。因吊顶内管道交错难以避让,使得施工过程中每层排烟支风道与排烟总竖风道连接处风道断面急剧减小,并有几个来回弯头,导致排烟系统阻力大大增加,实际测得的排烟量小于设计要求的排烟量。
一般遇此类问题后会考虑更换风机,该工程试着换了高风压的排烟风机后,排烟量还是达不到要求。原因是排烟系统风速很大,弯头处断面缩小后风速更大,弯头的局部阻力非常大,并且风机风压增大后系统漏风量也随之增大,所以换了高风压的风机也没有从根本上改变所测排烟口排烟量不足的状况。最后还是在风道连接上想办法,所有风道断面急剧减小的地方进行拆改,最终保证了排烟量要求。
曾有另一工程,正压送风系统的送风量达不到设计要求,查看系统时发现风机进风口处拐了几个死弯且断面很小,经风道改造后送风量大大增加。因此,合理的风道系统设计及施工安装才能保证设计及使用要求。设计中还需注意风道、风口的漏风量,选择风机时应乘以附加系数。
8.4　由于没有足够的机房面积,裙房层、地下层空调系统的回/排风机选用了轴流风机,空调运行中轴流风机的噪声较大。投入使用后对噪声超标的部位进行了改造,将轴流风机改为离心风机,或将轴流风机移位、增设消声器。
9结语
层高低、机房面积小给暖通空调设计带来了困难,要与建筑师很好地沟通,让建筑师了解暖通空调专业,了解设计条件不足将会给施工、运行管理带来的困难,甚至是无法改变的不良后果。同时,暖通空调设计人员也要努力争取得到合理的建筑层高、机房面积及管井面积等。

参考文献:
[1]中国建筑标准设计研究院.全国民用建筑工程设计技术措施节能专篇暧通空调•动力[S].北京:中国计划出版社,2007

作者简介：
王实 男（1971-）河北 保定 1994年毕业于西北建筑工程学院环境工程系
现任中铁工程设计院有限公司上海分公司暧通专业负责人 高级工程师