超高层建筑空调水系统的分区探析

[摘 要]超高层建筑空调水系统的设计,影响到设备承压、设备投资、施工难度、运行维护等诸多方面,需要设计者严谨细致地进行方案比较,从而确定合理的设计方案.本文对超高层建筑空调水系统的分区进行了分析探讨,并用实例加以说明.

[关 键 词]超高层建筑；空调水系统；分区

中图分类号：TU831.3文献标识码：A文章编号：1009-914X（2014）18-0124-02

建筑高度大于等于100m的民用建筑为超高层建筑.超高层建筑的水系统分区设计关系着空调系统的技术经济指标及安全运行等问题.一般情况下,空调冷水机组的蒸发器和冷凝器的工作压力为1.0MPa,加强型机组为l.6MPa.如有需要还可以提高其承压能力,空调末端设置工作压力为1.6MPa,管道及其附件的承压力,可根据需要进行选择.

1.空调水系统的水压分布

超高层建筑的水系统设计,首先要尽量降低冷水机组的工作压力,水系统的水压分布与水泵的设置位置密切相关.图1和图2是水泵和冷水机组相对位置不同的配置方式,图1为冷水机组压入式系统,冷水机组入口的工作压力△表示如下：

吸出式系统中,冷水机组的工作压力接近静水压,与压入式系统比较,工作压力低于相当于水泵的扬程,因此当水系统竖向高差大于60m左右时,应采用吸出式系统,另外还可看出,水系统的最高工作压力位置位于水泵的出口端,系统瞬时启动,但动压尚未形成时,水泵出口压力是静压和水泵全压之和.

△P等于h+H

吸出式系统中,位于低层的末端设备可能处于高工作压力区,对水泵出口端管道及附件的施工也提出更高的要求.

3.水系统分区的分析

水系统竖向分区应结合建筑物的高度、布置特点及使用功能,通过技术经济分析后确定.

3.1不分区的系统

冷水机组蒸发器的承压能力分为1.0Mpa、l.6Mpa（2.0Mpa）、2.5Mpa（个别厂家为1.0MPa、2.0Mpa、2.5Mpa）.前者为普通型,后两者为加强型.冷水机组蒸发器工作压力l.6MPa（2.0MPa）较1.0MPa增加造价7%左右,蒸发器工作压力为2.5Mpa的机组应用很少,但也可写作,增加造价相对较多,据了解约增加15%～20%.

水泵按工作压力分为1.0Mp、2.0Mpa、2.5MPa,目前大多数国产水泵一般按出口承压1.6Mpa设计,承压2.5MPa需特殊写作.进口水泵工作压力1.6MPa较l.0MPa增加造价30%以上.

目前国产阀门的工作压力1.0MPa和l.6Mpa造价基本无差别,工作压2.5MPa较1.0MPa增加造价30%左右.普通无缝钢管工作压力为6Mpa,普通镀锌钢管1.0Mpa.加厚镀锌钢管为1.6Mpa.其他管件承压可按阀门等同选择,管道连接及法兰垫片按管材承压等同设置.

按水泵出口承压1.6MPa考虑,空调水系统高度小于120m时竖向可不进行分区（水泵扬程一般情况都小于40mH2O）,当采用二级水泵系统时,空调水系统高度小于130m时竖向可不进行分区（一级泵扬程一般为10多m,二级泵扬程为20多m）.此时,冷水机组、阀门、管道及末端设备工作压力均小于1.6Mpa.除了冷水机组蒸发器需要加强外,与一般高层建筑设计差别不大,具有较好的经济性和节能性.需要注意的是应分析底层管道承压,选择镀锌管时可能应选加厚镀锌钢管.

3.2设置中间换热器

在水系统中设置中间换热器,将水系统分成高、低区独立的系统见图5.换热器高、低区水的换热温差保持为1.5℃左右,即高区的供水温度比低区的供水温度夏季高1.5℃左右,冬季可低3℃左右.

设置中间换热器是不得已而为之的办法.它的缺点是：①高区比低区供水温度高1.5℃,相当于直供8.5℃冷水,而冷水机组实际供给7℃冷水,查冷水机组资料可知,冷水机组多耗能5%左右.②高、低区分别设置水泵,增加了水泵能耗.③增加投资较多.热交换器换热温差小,换热面积要求较大,因此中间换热器投资较大,另需增加水泵、阀门、管道、管件等投资；供水温度提高,末端设备可能还要加大一级.

设计时应尽量扩大冷水机组直接供冷的范围,减少二次换热供冷的范围.

3.3冷热源集中布置分区设置

将水系统分为高低区,高区和低区分别设置冷水机组,冷水机组集中设在一个机房内,如图6.低区系统冷水机组I可选用工作压力1.0Mpa设备,高区系统冷水机组Ⅱ可选用工作压力1.6MPa（2.0MPa）设备.建筑工程底部几层设有裙房,低区一般面积较大,该种形式避免了一泵到顶,大面积设备均承受较高工作压力的缺点.

为尽量加高高区高度,我们可将高区水泵设置在中间层,一般设置在避难层.如图7,将水泵移至避难层,底部机房高区部分只剩下冷水机组及其相应管道,相对来说,大大减少了底部机房的管道、阀门承压数量.只要将冷水机组及阀门工作压力提至2.0Mpa以上,该方式可用于高度200m的系统.当然可结合建筑高度、建筑面积、避难层位置、冷水机组设置数量等多方面因素,设置高、中、低区系统.高、中区的水泵均可置于避难层.

需要引起注意的是,避难层设置水泵的隔振问题.笔者亲历过两个超高层建筑,高区水泵设置在避难层,水泵投入运行后,振动引起的噪声对上下楼层影响较大,两个工程均进行了隔振改造.改造的办法只能是多级减振.在初次设计时,更好的办法是将水泵设置在“浮筑”隔振地面上,“浮筑”隔振地面是将机房地面用弹性材料与基层地面和四周墙体完全隔离.“浮筑”的弹性隔振材料,多数是采用无机纤维材料,如玻璃棉.

超高层空调水系统不安全性取决于承受压力大小及系统容量大小,因此,为减少容量大小的影响在主管底部设快速泄水阀,在机房集合管底部设快速泄水阀.（图7）3.4分区设置冷热源站

对水系统的高低区分别设置冷热源设备,高区冷水机组可设置在中间设备层和屋顶,冷水机组可选水冷型或风冷型,见图8.

分区设置冷热源的分区方式存在以下问题：

（1）设备吊装相对困难；

（2）设备振动,噪音对楼内用房有一定影响；

（3）机房不集中,不便于操作

以上是超高层建筑水系统竖向分区的基本形式及应用范围,实际工程设计中应根据建筑物的高度,设备层（避难层）位置,负荷分布情况等进行综合分析比较后确定,也可以将上述分区方式结合起来联合应用.

二、实例分析

某超高层建筑高度约290m,总建筑面积为14.8万m2,地下3层,地上62层,建筑高度约300m,属于超高层建筑.在超高层建筑中,空调水系统分区需要综合考虑设备承压、设备投资、冷源供冷效率等几个方面.

2.冷冻水系统分区及承压

方案1：将各区换热系统均设于8层,各区均采用一次换热方式,换热后冷水供回水温度为7～14（见图9）.此方案中高区换热系统二次侧工作压力1.7MPa；高区换热系统二次侧工作压力2.6Mpa.为避免高区循环水泵承压过高,将循环水泵设于42层该方案的优点是高区仅采用了一次换热,减少了换热损失,提高了换热效率,但由于换热系统设于8层,换热系统中的换热器、阀门、配件等所有承压设备处于高承压状态,增加了设备造价,同时还会给施工增添许多难度,对施工质量造成隐患.

方案2：对高区系统进行二次换热,换热后冷水供回水温度为9～16,中低区、中高区及高区一次换热系统均设置在8层,高区二次换热系统设置于42层（见图10）.采用此方案,中高区及高区一次换热系统二次侧工作压力为1.8MPa,高区二次换热系统二次侧工作压力为1.2MPa,各区换热系统承压较方案1减小了许多,避免了因高承压带来的设备及安装等许多难题,系统安全可靠,不足之处是高区冷水温度较高,使空调系统的除湿能力降低,但可以通过增加表冷器排数来解决此问题.

两个方案经过比较,方案2从设计、运行到施工,均为安全、合理,因此,确定冷水系统分区方式采用方案2.（图10）

三、结束语

总之,空调水系统的分区始终围绕着管道和设备的承压而确定,随着科技进步,制造业的发展,新产品的出现,空调水系统的分区技术也会不断调整、发展.