暖通设计安装丨高层与超高层建筑的一些暖通空调问题汇总详解
一、高层建筑的划分和分类
依据GB50352-2019《民用建筑设计统一标准》：
3.1民用建筑分类
3.1.1民用建筑按使用功能可分为居住建筑和公共建筑两大类。其中，居住建筑可分为住宅建筑和宿舍建筑。
3.1.2民用建筑按地上建筑高度或层数进行分类应符合下列规定：
1建筑高度不大于27.0m的住宅建筑、建筑高度不大于24.0m的公共建筑及建筑高度大于24.0m的单层公共建筑为低层或多层民用建筑;
2建筑高度大于27.0m的住宅建筑和建筑高度大于24.0m的非单层公共建筑，且高度不大于100.0m的，为高层民用建筑;
3建筑高度大于100.0m为超高层建筑。
按使用功能分类：
(1)住宅
(2)旅馆、酒店、饭店
(3)办公楼(写字楼)
(4)多功能综合楼
二、高层和超高层建筑在暖通空调方面的差别和相同点
1、高层建筑和超高层建筑水系统的压力分区
(1)分区的原因：水系统的工作压力受到设备和阀门承压能力的限制不能太高，阀门和附件工作压力达到2.5MPa以上时其造价成倍上升，设备的工作压力达到2.0MPa以上时造价上升很多。为了控制水系统的工作压力就限制水系统的竖向高差不能太大，通常高度等于100米和低于100米的高层建筑空调水系统不分区，高度等于50米和低于50米的高层建筑采暖水系统不分区，而大于100米的超高层都要对水系统进行压力分区。
(2)分区高度：当空调水系统的工作压力限定为1.6MPa时对应的建筑高度约为100米。因为要加上地下室的高度和水泵的扬程以及定压点的水压波动等因素。系统工作压力会接近1.6MPa。采暖水系统的工作压力限定为0.8MPa以内，对应的分区高度为50米。
近几年由于超高层的高度快速增加、设备和附件的承压能力也不断提高。实际工程中有些水系统的工作压力已经放大到2.0MPa和2.5MPa、分区高度已经达到150米和200多米。
(3)水压分区的措施：
① 利用板式换热器将水系统分开，这是目前常用的做法。这种做法的优点是冷、热源集中于地下层便于管理维护，在设备层中只有板换和循环水泵，相对于冷热源来说减少了设备重量、噪声和振动。缺点是存在换热温差，制冷功耗增加，因为冷机蒸发温度降低1℃多耗电能3%。另外通过板换其水系统阻力增加10-16米，增加了水泵的电能消耗。见图②
② 冷机按分区单独设置，水系统完全分开单独设置。优点是避免了换热和输送能量的损失，比较节能。缺点是冷机分散不便于管理和维护，而且增加了中间设备层的荷载、振动和噪声。见图③
(4)通过空调水系统的压力分区，使超高层的空调水系统变成多个高层水系统的竖向叠加，每个水系统架构基本相同。
2、高层和超高层建筑空调和通风系统
由于空调风系统是按每层或几层设置的，因此高层和超高层在空调风系统设计上没有什么区别，是按照高层建筑的常规做法，见表①
3、高层和超高层建筑防排烟系统的区别和相同点
(1)区别：由于超高层建筑每隔10-15层设置一个避难层，对于封闭的避难层要求加压送风，加压送风量30m³/h m²。封闭的避难间正压(余压)值为25-30Pa。
(2)相同点：除了上述区别之外，超高层防排烟系统的做法与高层建筑基本相同。在设备层设风机，通过竖井或竖向钢板风道进行送风或排烟。如图④所示。
三、超高层建筑实例
1、北京某个超高层综合楼，总建筑面积7.44万m²，建筑总高140米。(2006年施工图审查的图纸)
(1)水系统通过板式换热器分成上、下两区，下区高83米，含地下层，上区高68米。过渡季采用冷却塔供冷，冷却塔一次冷水为9/14℃.经板换供应10℃冷水(回水15℃)，见图5。
2、北京某个正在设计的超高层写字楼
总建筑面积44万m²，地面以上高度528m，地上108层，地下7层，主要功能为办公楼。
(1)空调风系统类型：
①办公室及会议室：外区为风机盘管空调系统，内区为带末端装置的变风量空调系统。
② 多功能厅：变风量系统。
③ 职工餐厅：变风量系统+风机盘管空调系统。
④ 观光厅：变风量系统+风机盘管空调系统。
⑤ 大堂：变风量系统+地面热水辐射供暖系统。
⑥ 厨房：排风+补风(带冷却、加热盘管)。
⑦ 地下物业用房：风机盘管+新风空调系统。
⑧ 电气机房：多联机空调系统+通风。
(2)冷、热源
① 冷源：冷机房在地下7层，内设离心式冷机和冰蓄冷装置。
② 热源：换热站在地下7层，市政热水125/65℃(冬季)，70/40℃(夏季)。
③ 冷却塔：冷却塔在M1设备层，该设备层层高13.5米，通风良好。
(3)防排烟系统
① 大堂等场所采用可开启外窗用自动排烟窗排烟，从可开启外门进行补风。
② 按规范要求设置机械防排烟系统。
(4)该工程水系统的分区
见图⑥。
(5)特点：
① 该楼太高，即便分成三个区，中区的高差还有201.7米。为了降低水系统的工作压力，采用膨胀水箱定压而不是定压补水气压罐。总共设置了6个膨胀水箱，形成6个水系统，在上、中、下三个分区内又各自分成两个水系统。
② 由于采用了冰蓄冷，冷冻水供水温度低，(4.5℃)因此可用低温送风系统节省风道，降低风机电耗。
③ 另外由于地上空调机组和风机盘管的冷冻水串连使用，见图⑦。
供回水温差为10℃(4.5℃/14.5℃)，大大的降低水泵的电耗。风机盘管进水水温大于14℃，风机盘管为干工况运行，避免了因表面潮湿造成的污染。
④ 一次水循环水泵设在冷机出水一侧降低了冷机的工作压力。
四、高层和超高层建筑暖通空调设计中几个相关的问题
1、水系统的工作压力问题：
水系统的竖向高差很大，在不同的高处，在循环水泵运行和不运行时各点的压力是不相同的，系统的工作压力应该是系统运行时
大压力点的压力。对于冷机和循环水泵设在地下层(系统底层)，定压点在水泵的吸入口一侧时，大压力点在水泵出水口处，其压力为定压点的压力加上水泵的扬程。
(1)当利用高位膨胀水箱定压时，系统的工作压力应为膨胀水箱满水位与定压点的几何高差ΔH加水泵扬程;P´工作= P泵+ ΔH;见图⑧。
(2)当利用补水泵和气压罐进行补水定压时，系统的工作压力应为电动阀开启压力P3加水泵扬程H泵
即：P工作= P3 + H泵
因为系统排泄膨胀水是属于系统正常运行状态，并非压力出现不正常的事故状态。不应把H泵+ P1或H泵+ P2作为工作压力。
2、两种定压设备的比较
(1)膨胀水箱的压力比较稳定、压力波动小，水箱水位上、下变化约为0.5-2.0米，恒压点的压力波动为0.0049-0.0196Mpa，而气压罐补水恒压点压力变化很大，可达几十米水柱。
(2)在保证系统高点压力大于大气压力0.5米水柱的条件下，用高位水箱定压比气压罐定压系统工作压力低很多，因此节省补水泵的用电量。因为在同样的补水量的情况下补水泵的扬程降低，水泵电机功率降低。另外，系统中的膨胀水存入高位水箱其压能转为势能，能量损失很少，而气压罐系统膨胀水通过电动阀泄入软水箱，水的压能全部损失，因此不节能。
(3)膨胀水箱的缺点是，需要在比较高的位置(高于系统高点0.5米以上的位置)设水箱，有时位置不好找。找不到放水箱的合适的位置，超高层建筑通常可以放在设备层内，为该设备层下面的系统定压。
补水定压气压罐可以放在地下机房内，不用在机房外另找地方。因为集中在冷机房或换热站内，便于统一维护管理。
(4)二者的参数比较见下表②
气压罐定压补水与高位水箱定压补水方式的比较表(水温t≤60℃)
3、系统中设备实际承受的工作压力：
一般在设计说明中所说的水系统工作压力是指水系统中高压力点的高压力，也即在水泵运行时水泵出口处的高压力(通常恒压点是设在水泵入口前)。设备在实际运行中所承受的水压与设备所处的几何高度、相对于水泵的前后位置，以及水泵的运行状态有关，除非设在水泵出口处的设备一般实际承压都低于水系统的工作压力。为了降低冷机的实际工作压力，可以将冷机设在水泵前端，水流先进冷机再进水泵，这样与水泵前后位置的变动有时可以使冷机的实际承压降低一个压力等级，节省设备投资。要注意设备实际承受的工作压力与设计说明中系统工作压力的区别。
4、高空设备层的进风和排风口的位置
由于高层尤其是超高层的设备层设在高空。应特别注意进、排风口的位置要和主导风向一致，即进风百叶设在迎风面，风压的正压区、排风百叶应设在背风面(负压区)。如果设反了，对进、排风影响很大，甚至倒风不能正常运行。
因为10米/秒—20米/秒的风速的动压为60-241Pa形成的风压非常大。另外还要注意排烟出口和正压送风进风口;排风出口和新风进口之间的高差和距离关系应满足规范要求，不要形成短路。
5、多联机空调系统在办公楼中的应用
由于大型冷水机组空调系统不便计费，不能根据用户的需要随时开启。一些出租用的高层和超高层办公楼采用多联机空调系统，使用灵活方便容易计费，得到业主和地产开发商的认可。大型离心冷机本身的COP虽然较高，但在低负荷运行时，系统的总体COP并不比多联机空调系统高。甚至有时每W冷量收费高于电费。
参考书：
《高层民用建筑空调设计》潘云钢
暖通空调动力"技术措施"