基于高层建筑空调水系统竖向分区的相关问题研究

摘要： 在高层建筑设计中，对于建筑施工中的相应配套设施的设计和使用功能都有严格的要求，在实际的施工设计中需要结合建筑自身的施工特点和施工工艺的选择进行详细的优化调整。高层建筑空调水系统在保证空调正常运行的前提下，还要考虑到空调使用过程的噪声污染问题以及生态环境效益。本文就高层建筑空调水系统竖向分区的相关问题及高层建筑空调水系统控制方案的细节优化设计等进行研究。

关键词：高层建筑；空调水系统；竖向分区；优化设计

中图分类号：TU97文献标识码： A

1概述

高层建筑的竖向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。建筑高度越高，空调水系统的承压也就越大。一般情况下，空调冷水机组的蒸发器和冷凝器的工作压力位1.0MPa.加强型机组为1.6MPa。如有需要还可以提高其承压能力，空调末端设置的工作压力位1.6MPa.管道及其附件的承压能力，可根据需要进行选择。众所周知，提高设备和管道的承压等级，会相应增加工程投资，除此之外，增加水系统的工作压力，对施工会提出更高的要求。

2空调水系统的水压分布

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 Pm1。表示如下:

Pm1=h+H一P1

图2为冷水机组吸出式系统，冷水机组入口的工作压力Pm2表示如下:

Pm2=H十P0+P2

式中:H―水泵扬程:

P0-一冷水机组阻力(m);

P1―水泵出口至冷水机组入口管段水力损失(m);

P2―冷水机组出口至膨胀水箱 水管接口管段水力损失(m).

为降低冷水机组的承压，还可将膨胀(水箱)水管接入点移至冷水机组前，见图3，冷水

机组入口点工作压力为Pm3

Pm3=h

还可将膨胀水箱置于回水主管上部，见图4，则冷水机组入口点工作压力Pm4，

Pm4=h-Pm3

式中，Pm3---膨胀水箱0点至冷水机组水力损失。

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，

Pm=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、水系统竖向分区的分析

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。

1)竖向不分区的系统

冷水机组蒸发器的承压能力分为1.0MPa,1.6Mpa （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1.6Mpa(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，但也可定制，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1.0Mpa.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需特殊定制。进口水泵工作压力1.6Mpa较1.0Mpa增加造价30%以上。

目前国产阀门的工作压力1.0M pa和l .6Mpa造价基本无差别，工作压力2.5Mp。较l .0Mpa增加造价30%左右。普通无缝钢管工作压力为≤1.6Mpa，普通镀锌钢管蕊≤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40mH20 )，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。

2)设置中间换热器

在水系统中设置中间换热器，降水系统分成高、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I .5℃左右，即高区的供水温度比低区的供水温度夏季高15℃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)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2.0Mp。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。

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。

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。对于水系统高度很高，如超过300m的高层建筑，采用此种形式是十分必要的，因为前面所介绍的分区形式难以满足要求或不合理。

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，噪音又撇内用房有一定影响;

(3)机房不集中，不便于操作。

4. 高层建筑空调水系统控制方案的细节优化设计

4.1 空调水系统变水量设计方案的优化分析

对于空调水系统冷却水系统的变水量设计方案的优化主要是考虑到空调系统的节能和高效两方面的内容。在节能优化处理方面可以采用两种设计方案，其中一个就是对空调水系统内的管网和管路进行优化调整，使管路保持畅通，减少死角和直角弯造成管路损害的问题；另外的方案就是对空调系统的水泵系统进行调节优化。结合超高层建筑的特点，通常采用对空调系统的水泵系统进行调节优化的方案，可以采用相应的调整和设置使水泵的流量适应空调系统中末端的冷负荷变化，以保证空调系统供热和制冷的稳定性。

4.2 空调水系统阀门调节流量设计方案的优化

高层建筑中的管路相对比较复杂且对于水流量的要求很高，采用节流阀设计方案增加管路中的阻力以实现减少流量的目标的设计方案的经济性能较低，而人工的施加阻力则会增加管路的损耗，流量减少的同时，功率的下降却不明显；在阀门的控制中，我们提倡采用三通自动控制阀门的控制方案，不仅可以减少人工操作的问题，也提高了自动控制情况下，空调系统调节的精度。

4.3 空调水系统中水泵台数控制方案的优化设计

空调水系统中水泵系统的设计和优化是保证空调水系统内部压力的关键。具体的优化设计可以在水泵系统中采用二次泵设计，二次泵台数对于采用供回水管控制压差的设计具有很好的效果，安装压差控制器之后，控制器会根据空调系统中用户负荷的变化而对相应的水泵进行调整，以此实现对于压差的控制。水泵系统的优化不仅可以通过调整压差来提高空调水系统的工作的精度，同时，也可以控制流量以保证整个空调系统的正常运行以及超高层建筑的性能要求。

4、4输配系统方案优化设计结果

本文对空调水系统的一些重点问题进行了研究。对于本工程来说，空调水系统采用竖向分成两区的设计还是比较稳妥。发现该系统应用于本工程后，每年能节约电费约为n.2万元，静态投资回收期不到2年。无论从节能还是经济性角度来看，都非常值得采用。对各方案的输配系统运行能耗计算后发现，结果恰恰与冷、热源运行能耗相反，输配系统的运行能耗由大到小排列为水冷机组+锅炉方案>风冷热泵方案>多联机方案。这也表明对各方案进行经济性比较很有必要。

结束语

以上高层建筑水系统竖向分区的基本形式及应用范围，在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。

参考文献:

[1 ]晋欣桥，李晓锋，惠广海，杜志敏.中央空调水系统控制的优化分析田;系统仿真学报，2003, 15 (8):9798.

[2]高金龙.高层建筑中央空调水系统优化控制[R ];科学技创新导报，2010 (9):37.