某超高层综合大楼空调系统设计
黎喜
[摘要]介绍综合性超高层冷热源的选择，其空调系统的划分以及节能措施，并提出设计中的疑难问题以及设计体会。
[关键词]超高层;冷热源;分体多联空调系统;泳池除湿一体机;绿色建筑;热补偿
文章编号：2095-4085（2019）06-0066-04
1引言
随着经济的不断发展，集办公，酒店等于一体的综合性超高层建筑近几年来增长颇剧。综合性建筑承担了诸多的建筑功能，秉承服务于人的宗旨，对于空调专业来说，加大了系统划分以及合理布局的设计难度。同时，此类建筑空调专业作为用电大户，在考虑投资并满足舒适性要求的基础上合理选取空调系统以及节能产品，满足绿色建筑设计要求，对于节能减排作出应有的贡献。
2工程概况
本工程地下3层，地上塔楼44层，地上裙房6层，7，17，27，40层为避难层，总建筑面积近18.4万m2，总建筑高度180m。由集团办公，酒店，银行三个独立业主共同使用，其中集团办公包括1-3层局部办公，8-20层办公（除17层），21-26层公寓式酒店和42-44层会所，建筑面积近6.3万m2，酒店包括1-6层裙房北部分，28-41层客房（除40层），建筑面积近7万m2，银行包括1-6层裙房南部分，建筑面积近5万m2。地下三层建筑面积近4.5万m2，其中地下一，二，三层为汽车停车库，冷冻机房，变配电间等设备用房及酒店后场用房，地下二，三层局部设置六级人防。
3设计参数
室内设计参数需满足现行规范《公共建筑节能设计标准》和《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》，其中相对湿度为非保证值，具体参数详见表1。
4空调冷热源
本工程考虑三个业主空调系统使用的独立性及空调系统划分的合理性，故与业主商榷设置三套独立的空调冷热源以滿足其使用要求。
4.1冷热负荷指标
银行经计算夏季空调计算最大逐时冷负荷为4120kW，冷负荷指标为143 W/m2（建筑面积）;冬季空调计算热负荷为2026kW，热负荷指标为70.3W/m2（建筑面积）。
经计算酒店夏季空调计算最大逐时冷负荷为7244kW，冷负荷指标为117W/m2（建筑面积）。冬季空调计算热负荷为4285kW，热负荷指标为70.0W/m2（建筑面积）。
经计算夏季空调计算最大逐时冷负荷为5088kW，冷负荷指标为103 W/m2（建筑面积），冬季空调计算热负荷为2530kW，热负荷指标为51.1W/m2（建筑面积）。21层至26层公寓式酒店夏季空调计算最大逐时冷负荷为815kW，冷负荷指标107W/m2（建筑面积），冬季空调计算热负荷为440kW，热负荷指标为57W/m2（建筑面积）。42层至44层会所夏季空调计算最大逐时冷负荷为1230kW，冷负荷指标为192W/m2（建筑面积），冬季空调计算热负荷为515kW，热负荷指标为81W/m2（建筑面积）。
4.2空调冷热源
本项目三个功能区域分别设置冷热源。根据各区域冷负荷的计算结果，采用离心式和螺杆式冷水机组的组合方式，并通过对比两种机组额定制冷量的运行能耗，达到合理的配置方式和台数目标。《锅炉房设计规范》中明确锅炉房和其他建筑相连或设置在其内部时，应设置在首层或地下室一层靠建筑物的外墙部位。但考虑到三个锅炉房若均设置在地下一层，锅炉房的位置难以满足泄爆，直通室外出口和避开人员密集场所等规范要求，且找到合适的锅炉烟的排放位置非常困难。故征询当地消防部门及相关部门，同意把真空锅炉房设置在裙房屋面，但酒店的锅炉房内设有蒸汽锅炉，为杜绝安全隐患，该区域的锅炉房只能设置在地下一层。具体选型结果如下所述。
4.2.1银行夏季选用三台390RT螺杆式冷水机组作为冷源，为节省能源输送耗电及管道材料，冷水采用大温差供回水6/12℃，冷却水供回水温度32/37℃。冷水机组及其相关设备设于地下二层机房内，冷却塔位于裙房屋顶。冬季选用二台1.05MW的真空热水锅炉作为热源，空调热水供回水温度60/50℃，真空锅炉及其相关设备设置于裙房屋顶锅炉房内。
4.2.2酒店夏季选用二台700RT离心式冷水机组和一台350RT螺杆式冷水机组作为冷源，以满足部分负荷状态下的使用，为节省锅炉燃气消耗和运行费用，螺杆式冷水机组设计60%冷凝热回收方式用以预热客房生活用水。冷水采用大温差供回水6/12℃，冷却水供回水温度32/37℃。冷水机组及其相关设备设于地下二层机房内，冷却塔位于裙房屋顶。而热源考虑到洗衣房，厨房等场所需蒸汽（由酒店管理公司提供），因此选用二台1.5t/h的蒸汽锅炉及二台2.8MW的承压热水锅炉作为洗衣房，厨房蒸汽用量及空调，生活用水的热源。一次热水供回水温度90/70℃，二次空调热水供回水温度60/50℃，空调热水通过板式热交换器制取。锅炉及其相关设备设于地下一层机房内。
4.2.3集团办公为方便空调设备管理，分区和费用计量以及运行时间等因素，根据业主要求集团办公三个功能区域采用如下冷热源方式。
1-3层局部办公，8- 20层办公夏季选用一台700RT离心式冷水机组和二台350RT螺杆式冷水机组作为冷源，冷水采用大温差供回水6/12℃，冷却水供回水温度32/37℃。冷水机组及其相关设备设于地下二层机房内，冷却塔位于裙房屋顶。冬季选用二台1.4MW的真空热水锅炉作为热源，空调热水供回水温度60/500℃。真空锅炉及其相关设备设置于裙房屋顶锅炉房内。
21层至26层公寓式酒店采用多联分体式空调，按层分别设置多联空调系统，室外机设置于27层避难层内。
42层至44层会所采用多联分体式空调，按层分别设置多联空调系统，室外机设置于屋顶层。
5空调水系统（图1，2）
5.1空调水系统设计
为了减少投资及减少对建筑本身的影响，空调系统通常以1.6MPa作为工作压力划分的界限[1] ，同时考虑使用特性和固有特性[2] ，空调水系统作如下分区。
银行空调水系统采用一次泵变流量闭式二管制机械循环同程系统，分别由地下室冷冻机房及7层裙房屋面真空锅炉房为冷热水系统提供冷热源。
酒店按五星级酒店标准设计，空调水系统采用一次泵变流量闭式四管制机械循环同程系统，并按客房和裙房功能要求不同分别设置分区和系统，便于控制及分户计量。裙房空调冷水供回水温度为6/12℃，空调热水供回水温度为60/50℃。客房空调冷，热水通过设置于17F避难层内板式热交换器制取。空调冷水供回水温度为7/13℃，空调热水供回水温度为59/49℃。具体系统设置如图1，2所示。
集团办公空调水系统采用一次泵变流量闭式二管制机械循环同程系统，按裙房，办公功能要求不同分别设置系统，便于分户计量。
从节能角度出发，过渡季节应尽量利用天然冷源。本工程设置冷却塔直接热交换提供空调冷水，不用开启制冷主机，实现过渡季免费供冷。
5.2空调水管热补偿设计
在空调水系统的设计过程中，空调水管因温差引起的热胀冷缩，特别是空调立管的热补偿设计往往容易被忽视。本项目在设计的过程中，对空调水管的热补偿计算和补偿器，支架的设置都进行了详细设计。空调水管的热伸长量计算公式如下。
1）计算管道热伸长量[1]
△X=0.012（t1-t2）L。
（1）△X-管道的热伸长量，mm。Tt1——热媒温度，℃。t2——管道安装时的温度，℃，一般按-5℃计算。L——计算管道长度，m。0.012——钢材料线膨胀系数，mm/m·℃。
本项目空调热水按t1= 60℃;简化得下式。
△X =0.78L。
（2）
2）判断是否满足自然补偿，根据计算设置固定支架及补偿器热媒温度为60℃时，允许不装补偿器的直管段最大长度民用建筑为55m，工业建筑为65m[5]。（管道伸长量分别约为40mm和50mm）。
常采用的自然补偿有L型和Z型两种形式。当转弯角不大于150度时，管道臂长不宜超过20-25m。[4] 在自然补偿两臂顶端设置固定支架。本工程尽量采用自然补偿方式，长度超过50m的空调水管采用安装补偿器的方式进行热补偿。其中集团办公的空调水立管服务高度最高，经计算80m长的直管段热伸长量62.4mm，具体设置补偿器如图3所示。
6空调风系统
根据各房间的特点及使用要求，为满足人体的舒适性，因地制宜地选择空调风系统。
1）酒店大堂，宴会厅和餐厅等大空间采用一次回风式全空气低速空调系统。气流组织为上送上回，上送下回，侧送下回等形式，风口形式则根据空间特点及层高选择喷口，旋流风口或散流器等形式。为节省能源，过渡季节采用全新风运行，除塔楼外所有全空气空调系统新风量按最大新风比不低于50%设计，酒店按最大新风比不低于100%設计。空调箱分别设置于各楼层空调机房内。
2）会议室和办公室等小空间采用风机盘管加新风系统。新风空调箱分别设置于各楼层空调机房内。
3）客房采用风机盘管加新风系统，按垂直系统设置。为节省能耗，新风采用全热交换器处理后送入室内并采用变频控制措施，方便日后运营管理。
4）公寓式酒店及会所为了满足便于管理，灵活使用以及水系统承压分区等原因，选用制冷剂直接蒸发式多联空调机组作为冷热源。室外机分别设置于避难层及屋顶层，室内机根据需要灵活放置，方便控制用。会所采用全热回收装置，回收排风系统的余冷（热），预冷（热）新风，达到节能减排的目的。公寓式酒店采用室内机加全新风处理室内机系统，全新风处理室内机分别设置于各楼层空调机房内。
5）全年使用空调的特殊房间如计算机房，消防控制室，电梯机房等采用分体式空调。
笔者在设计的过程中，有几个特殊场所的空调设计需要特点注意。（1）银行的保管库房出于防盗要求，所有穿越该区域的风管断面不能超过200mm。（2）银行的文档库房数量和面积都比较大，需提前预留恒温恒湿空调室外机位置。（3）银行计算机房和UPS机房为非常重要的场所，为防止空调水泄露以及考虑气流组织的合理性，该区域采用全空气空调系统并采用地板送风方式。（4）酒店各类餐厅种类繁多，且厨房的补风需进行冷热处理，在设计中需提前预留足够的管井和空调机房位置。（5）酒店游泳池采用无边界设计，采用全空气系统，并设置独立的排风系统。采用的空调机组具有除湿，冬季热收回及泳池加热功能，尽量节约能源的使用。
7结论
（1）本项目的冷热源三个功能区域分开设置。制冷机配比时需考虑冷机的性能参数，以达到合理配置，本次设计时集团办公采用了一台离心机组和二台螺杆式机组的灵活配比方式，既满足使用要求，又节省能耗。锅炉房的位置必须满足规范要求，本次设计采用真空锅炉，其中两个锅炉房设置于裙房屋面，解决了锅炉房泄爆及直通室外出口等难题。
（2）根据三个功能区域使用要求等特点，酒店空调水系统采用四管制，集团办公和银行均采用两管制。并且采用大温差的供水方式，节省输送费用和管道造价，并为节约吊顶空间作出贡献。
（3）会所和公寓式酒店考虑其便于管理，使用时间以及系统分区等因素，采用制冷剂直接蒸发式多联空调机组作为冷热源。
（4）银行区域和酒店的功能比较繁杂，设计需考虑特殊场所采用不同的空调方式以及空调机房，管井和空调室外机的位置。
（5）管道热补偿计算及补偿器的具体设置在工程设计时应充分考虑，以降低管道及阀门和支架运行所产生的作用力，确保安全运行。
参考文献：
[1]潘云钢.高层民用建筑空调设计[M].北京：中国建筑工业出版社，1999.
[2]公共建筑节能设计标准[M].北京：中国建筑工业出版社，2015.
[3]民用建筑供暖通风与空气调节设计规范[M].北京：中国建筑工业出版社，2012.
[4]陆耀庆，实用供热空调设计手册[M].北京：中国建筑工业出版社，2008.
[5]陆耀庆.暖通空调设计指南[M].北京：中国建筑工业出版社，1996.
