建筑实践2023年8期

高层建筑暖通空调设计要点研究

李上宇

中免（海南）投资发展有限公司   

 摘要：在我国进入快速发展的新时期，经济在迅猛发展，社会在不断进步，我国人民的生活质量有着非常明显的改善，在此背景下，人们对生活环境设施提出了更高的要求，而作为高层建筑中非常重要的组成部分，对暖通空调的要求标准也越来越高。针对暖通空调所进行的设计，将会对高层建筑的整体性能带来直接影响，完善的暖通空调设计将会在一定程度上改善人们的生活与工作环境。基于此，针对高层建筑中的暖通空调设计要点进行研究。

关键词：高层建筑；暖通空调；设计要点

引言：

随着生活水平的不断提高，人们追求的房屋不在是简单的遮风挡雨的地方，对房屋的舒适、健康有了更高的要求。对于高层建筑，暖通空调系统发挥着不可或缺的作用。科学、合理的设计暖通空调系统，使其既能满足人们对舒适性的高要求，又高效节能，应在设计过程中要遵循必要原则。

1高层建筑暖通空调系统设计原则

1.1 健康舒适原则。

在高层建筑中应用暖通空调系统主要目的是能起到调节室内温湿度的作用，室内温湿度适宜对于人的舒适度和健康都会有很大帮助。暖通空调在设计过程中要遵循健康舒适的基本原则，根据不同业态、不同功能分区要求，并要考虑到相同时间不同人群的差别化需求，选择最适宜的空调系统，精准控温。在选择风口形式时，也要考虑到空调效果和人体感受。空气质量已成为是人们在日常生活中最为关注的问题之一，PM2.5是对人体健康的影响的重要因素，在新风系统设计中，应考虑处理方式，并在室内设置室内空气质量检测装置。

1.2 绿色节能低碳原则

习近平主席提出中国碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。国家陆续颁布了绿色建筑发展规划，绿色低碳建筑转型成为建筑行业发展的主要目标。暖通空调做为建筑的“用能大户”，在供暖、制冷和通风过程中消耗能源的碳排放量可占建筑运维碳排放量50%以上。所以在设计之初，从源头减少耗能，以减少运营阶段碳排放，就显得尤为重要。利用可再生能源如地源热泵、空气源热泵、太阳能等；使用变频设备，使设备一直处于高效运行状态；采用楼宇自动化系统与冷站设备联动控制，确保制冷设备尽可能处于节能运行模式，降低空调系统运行能耗；尽量采用被动式技术：自然通风，利用热压、风压等自然手段促使空气流动的通风换气方式等低碳策略均能有效减少碳排放。在设计时，需结合项目具体实际情况，运用采用不同的低碳技术。

1.3 经济性原则

在超高层建筑当中要对暖通空调进行设计时要遵循经济性原则，才能更加符合业主和运营方的需求。所谓经济性即投资回收期短，在实现暖通空调使用过程中满足环保、节能、稳定的同时减少出投资，降低运行费用。在对暖通空调系统进行设计的过程中要从综合的角度出发，从设计、施工、运营的建筑生活全周期进行考量。在设计时，要对冷源配置进行多方案对比分析，从冷源设备的制冷、制热性能可靠性、控制系统的复杂性、设备机房占地面积、初投资等方面进行分析，并对各方案冷负荷全年运行情况进行模拟，对运行费用进行估算，对冷站综合COP进行对比，综合不同角度，最终选出最优方案。

2高层建筑暖通空调设计要点分析

2.1 空调水系统

高层建筑空调冷冻水系统是高层暖通空调设计方案比选的必选项之一，需要结合建筑和功能的实际情况进行多方案对比。每个项目的建筑特点、使用功能不尽相同，其比选结果不同。

以三亚某品牌酒店为例，本项目塔楼地上高度为156.5m，地下高度为10m。12层（55.9m）为避难层，以12层为界上下分属与两个不同品牌酒店。酒店冷源采用区域供冷系统。初步拟定以酒店品牌为界，将空调水系统分为高、低两个分区。空调冷冻水系统主要有以下两个方案：

方案一：低区空调冷冻水由一次换冷机房（B1）直供；高区二次换冷机房设置在避难层，冷冻水由一次换冷机房供出后，经避难层二次换冷机房换热后供给到高区各功能空间内。

方案二：高区和低区的空调冷冻水均由一次换冷机房（B1）直供；一次换冷机房内为高、低区分别设置板换，塔楼无需再额外设置二次换冷机房换热。

1)系统承压

方案一：低区末端、板换、水泵以及管路承压均为1.6MPa；高区末端、板换、水泵以及管路承压均为1.6MPa；低区冷冻水供、回水温度为7/12℃；高取冷冻水供、回水温度8.5/13.5℃。

方案二：低区末端、板换、水泵以及管路承压均为1.0MPa；高区板换、水泵以及低楼层管路承压为2.0MPa；高区末端及高楼层管路承压为1.6MPa；•高、低区冷冻水供、回水温度均为7/12℃。

2）初投资

根据承压管线进行初步估算，方案一初投资高于方案二的初投资。

3）机房面积

机房占用面积，也是方案比选中考量的一个方面。方案一：在地下室和避难层均需设置换冷机房；而方案二仅在地下室设置换冷机房，方案一机房占地面积大于方案二机房占地面积。

4）噪声和振动的影响

方案一：一次换热机房位于地下室，周围为车库，上层为公共区（餐厅等），对噪音和振动的敏感性较低。二次换热机房位于避难层，上层为重要使用区域功能（酒店客房等），其中使用功能层对于噪音和振动敏感性较高，二次换热机房需考虑必要的隔声、减振措施。

方案二：换热机房位于地下室，周围为车库，上层为公共区（如餐厅等），对噪音和振动的敏感性较低。

5）综述

方案一由于增加了一次换热，可以使系统承压维持在1.6MPa；但是增加了换热会增加机房面积也会有更多的设备需求，增加初投资及运行费用；另外由于增加了换热，高区空调冷冻水供、回水温度也会升高，会影响末端设备的选型；并且由于方案一的二次换热机房邻近酒店客房，对隔声减振的要求也较高。而方案二的高区板换、水泵和部分立管承压会提高至2.0MPa，但是其在初投资，运行费用，空调供、回水温度，机房面积需求以及隔声减振要求等方面均有一定优势。

综合以上分析，建议采用方案二：以避难层为界分为高、低两个分区，换冷机房均设置在地下室，中间楼层不再额外设置换。

2.2节能低碳设计

1）高效机房

对于大型公共建筑而言，中央空调系统能耗占建筑总能耗的45%～60%，而对于中央空调系统，冷站能耗约占80%，末端能耗约占20%，因此，高效机房的建设是降低高层建筑能耗的重要手段。随着社会的发展，人们对室内环境的舒适性要求越来越高，暖通空调系统的能耗占比也越来越高。在空调季，中央空调系统的运行会加剧电力消耗，给电网造成高峰负荷压力，因此在“双碳”目标的大背景下，高效的中央空调系统建设具有重要的意义，可以降低建筑能耗，进而可以降低建筑碳排放，同时缓解电网压力。

在高效机房方案设计阶段，首先要有全工况设计思维，对建筑全年负荷模拟及全年运行能效模拟、系统选型、设备优化、机房设计优化、水力核算、经济比选。在施工图阶段，对机房进行设计深化、BIM三维制图，并落实主要设备性能,技术细节的管控和复核计算。在后期设备采购阶段，严格管控订购的设备，确保主要设备性能满足设计要求，达到高效运行的技术要求。在系统联动调试阶段，高效群控系统调试，并对自控系统的二次编程,优化运行控制策略。

影响高效机房设计的关键因素，在做设计时需特别注意：1）考虑各种不同业态的供冷需求 2）选用高效设备，关注水温、温差、未端、变频等参数冷机选型的全工况设计，考虑针对低负荷率的方案 3）对水力平衡做针对性设计4）在进行机房设计时，应对冷机选型进行详细分析。

高效冷站并非单纯拼设备性能，而是需要对制冷机房的能耗分布合理性、机房自动控制技术应用情况、机房运维管理情况以及新技术应用情况综合分析，对制冷机房进行多维度评判，同时经过一个完整制冷季的运行及综合调试，才可以完成高效冷站的建设。根据经验分析，对于大型公共建筑而言，高效冷站的建设可以在运行期间降低建筑整体碳排放的5%-10%。

2)自然通风

室内空气长时间不流通对人体是有害的，通过自然通风的方式可以让空气自然地进行流动，室内室外空气进行流通转换能提升空气质量，室内的舒适度也会有所提升。通过自然通风的方式不会消耗任何能量，同时还能对人的身心健康有很大帮助，所以合理的运用自然通风技术能帮助人们提高生活环境质量。

合理的自然通风在降低建筑运行能耗和提高建筑内空气品质方面，起到了至关重要的作用。尤其是高层公共建筑室内热源较大，全年有相当长的时期需要供冷，而室外温度仍然处于相对较低的温度范围内，此时若引入室外的空气带走室内热量，将有效缩短空调设备运行时间，降低空调能耗。同时，公共建筑一般室内人员密度比较大，建筑室内空气流动，特别是自然、新鲜空气的流动，是保证建筑室内空气质量符合国家有关标准的关键。无论在北方地区还是在南方地区，在过渡季和冬夏季的某些时段普遍有开窗加强房间通风的习惯，这也是节能和提高室内热舒适性的重要手段。

2.3 设计BIM的应用

随着建筑的迭代升级，建筑对使用空间和建筑美学的要求也越来越高。暖通做为建筑中的一个重要专业，在满足自身的使用功能的前提下，对建筑本身尽量配合。暖通的管道在设备专业中算的上是大体量，建筑的吊顶高度，除梁外就是设备管线空间，吊顶高度也直接影响了建筑净高。净高控制在设计中，尤其是精装二次机电设计时就显得尤其重要。

在暖通专业CAD设计绘图中，设计人员往往是基于建筑平面进行设计，并需要叠加各专业图纸，避让结构梁及其他机电管线，这就要求设计人员有足够的工作经验，并且充分掌握跨专业知识，否则容易管道相互冲突、与结构梁打架，出现不满足建筑净高的情况。BIM在设计中的使用，可直观的看到建筑及其内部结构情况，通过BIM查找碰撞功能，直接显示出碰撞位置，迅速与其他专业进行沟通协调，在设计阶段就解决好不同专业的空间冲突问题，为项目施工顺利进行提供了有利的保障。

在做完暖通施工图后，开始进行BIM深化设计前，应进行初步的机电管线综合叠图，确认管线基本排布无重叠后，开始进行设计BIM，设计BIM基本原则为小管道需避让大的管道，压力流管道需避让重力流管道。BIM设计时，一般将风管放在最上层,下层布置空调水管和强弱电桥架、排水管等，消防和喷淋管为有压管，可根据排布实际情况灵活设置，当净高要求非常高时，可考虑此管线穿梁。BIM设计还需充分考虑到管道的保温和支吊架、抗震支架的空间，确保最终净高能实施落地。

设计BIM除了验证净高，还可配合建筑验证美观问题。高层公共建筑大中庭一般会采用玻璃幕墙屋顶，使中庭显得更加通透，但往往暖通管道也根据功能药求，设置在屋顶玻璃幕周边。站在次顶层的中庭连廊上，人们是否透过玻璃幕墙会看到暖通管道，这个问题如果仅从暖通施工图上，确实很难判断。通过设计BIM，从次顶层人视角度进行模拟，就能很直观的显示出来。如确实能看到暖通管道，就需要与建筑协调，调整管线位置或由建筑做遮挡。设计BIM帮助暖通从三维的角度使设计更加完善。

结语

    在高层建筑暖通空调设计中，要以健康舒适、节能低碳、高效经济为原则，结合业态、建筑造型、项目现场实际情况，充分把握暖通空调的设计要点进行精细化的设计，使建筑的整体性能得到更好的发挥，给予人们更优质的体验。

参考文献：

［１］赵奕瑄，陶寒冰，任邦华，等.高层建筑暖通空调系统设计探讨［Ｊ］．科技资讯，２０２２，２０（１２）：８３－８５.

[2]高建华.装配式建筑对暖通空调设计及施工的影响[J].黑龙江科学,2022(08).

[3]陈众举.关于建筑工程暖通空调设计的探讨[J].居业,2022(05).

[4]董云霞.建筑暖通空调设计中的节能减排技术研究[J].工业建筑,2022(04).