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２ 暖通空调犎 犞 牔 犃 犆 ２ ０ １ ４年第４ ４卷第５期 超高层建筑空调水系统竖向分区研究 北京市建筑设计研究院有限公司 张铁辉 赵 伟 摘要 设备和管道系统的承压能力是影响空调水系统竖向分区的主要因素。通过对国内 外３ ０余项规范标准及１ ０多个厂商产品参数的调研， 分析了空调系统主要设备、 管道及连接方 式的承压能力； 结合２ ０个工程案例， 对国内外在建和建成的典型超高层建筑空调水系统形式 和竖向分区方法进行了归类总结； 基于理论与工程案例分析， 得出了超高层建筑空调水系统竖 向分区原则和不同高度超高层建筑水系统竖向分区方案。 关键词 超高层建筑 空调水系统 竖向分区 管道承压 设备承压 犚 犲 狊 犲 犪 狉 犮 犺狅 狀狏 犲 狉 狋 犻 犮 犪 犾 狕 狅 狀 犻 狀 犵狅 犳犪 犻 狉犮 狅 狀 犱 犻 狋 犻 狅 狀 犻 狀 犵狑 犪 狋 犲 狉 狊 狔 狊 狋 犲 犿犻 狀狊 狌 狆 犲 狉犺 犻 犵 犺 狉 犻 狊 犲犫 狌 犻 犾 犱 犻 狀 犵 狊 犅 狔 犣 犺 犪 狀 犵 犜 犻 犲 犺 狌 犻 ★犪 狀 犱 犣 犺 犪 狅犠 犲 犻 犃 犫 狊 狋 狉 犪 犮 狋 犜 犺 犲狆狉 犲 狊 狊 狌 狉 犲犫 犲 犪 狉 犻 狀犵犮 犪狆犪 犮 犻 狋狔狅 犳犲狇狌 犻狆犿 犲 狀 狋犪 狀 犱狆犻狆犲 犾 犻 狀 犲狊狔狊 狋 犲 犿犻 狊犪犿 犪 犻 狀犳 犪 犮 狋 狅 狉犪 犳 犳 犲 犮 狋 犻 狀犵 狏 犲 狉 狋 犻 犮 犪 犾 狕 狅 狀 犻 狀犵狅 犳犪 犻 狉犮 狅 狀 犱 犻 狋 犻 狅 狀 犻 狀犵狑 犪 狋 犲 狉狊狔狊 狋 犲 犿． 犅 犪 狊 犲 犱狅 狀狋 犺 犲狉 犲 狊 犲 犪 狉 犮 犺狅 犳犿 狅 狉 犲狋 犺 犪 狀狋 犺 犻 狉 狋狔狊 狋 犪 狀 犱 犪 狉 犱 狊犪 狋 犺 狅 犿 犲犪 狀 犱犪 犫 狉 狅 犪 犱，犪 狊狑 犲 犾 犾 犪 狊狆犪 狉 犪 犿 犲 狋 犲 狉 狊狅 犳狏 犪 狉 犻 狅 狌 狊狆狉 狅 犱 狌 犮 狋 狊 犳 狉 狅 犿 犿 狅 狉 犲狋 犺 犪 狀狋 犲 狀犿 犪 狀 狌 犳 犪 犮 狋 狌 狉 犲 狉 狊，犪 狀 犪 犾狔狊 犲 狊 狋 犺 犲狆狉 犲 狊 狊 狌 狉 犲犫 犲 犪 狉 犻 狀犵犮 犪狆犪 犮 犻 狋狔狅 犳犿 犪犼狅 狉犲狇狌 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狊 犻 犵 狀，犅 犲 犻 犼 犻 狀 犵，犆 犺 犻 狀 犪 ① ０ 引言 截至２ ０ １ ３年底， 全球已建成的超过３ ０ ０ｍ的 超高层建筑约８ ５栋； 超过２ ０ ０ｍ的约８ ７ ０栋； 仅 ２ ０ １ ２年初到２ ０ １ ３年底， 全球建成的超过３ ０ ０ｍ的 超高层建筑约３ ０栋； 超过２ ０ ０ｍ的约１ ８ ０栋［ １］。 ２ ０世纪， 我国的超高层建筑非常少，１ ９ ９ ０年超过 ２ ０ ０ｍ的建筑仅有５栋； 进入２ １世纪， 超高层建筑 在我国得到了蓬勃发展， 到２ ０ １ １年底， 全国已建成 的２ ０ ０ｍ以上的超高层建筑有２ ３ ０栋， 其中２ ０ １ １ 年全年就建成了２ ３栋。目前， 我国在建的２ ０ ０ｍ 以上的超高层建筑达２ ３ ０栋， 远远超过了世界上任 何一个国家［ １］。截至２ ０ １ ２年， 在全球已建成的高 度排名前２ ０名的超高层建筑中， 我国占了５ ０ ％， 到２ ０ ２ ０年， 这 一 比 例 预 计 将 增 加 到６ ０ ％（ 见 图１） ［１］。 超高层建筑的飞速发展， 给勘察设计行业包括 图１ 全球最高２ ０栋建筑的地区分布［ １］ ①张铁辉， 男，１ ９ ６ ４年１ １月生， 大学， 教授级高级工程师， 副总 工程师 １ ０ ０ ０ ４ ５北京市南礼士路６ ２号北京市建筑设计研究院有限 公司 （０ １ ０）８ ８ ０ ４ ３ １ ４ ３ Ｅ ｍ ａ ｉ ｌｚ ｔ ｈ ６ ４ ＠ １ ２ ６ ． ｃ ｏ ｍ 收稿日期２ ０ １ ４ ０ ２ ２ ７ 修回日期２ ０ １ ４ ０ ３ １ ０ ２ ０ １ ４（５） 张铁辉， 等 超高层建筑空调水系统竖向分区研究 ３ 暖通专业在内的各专业都带来了许多新问题， 对这 些问题进行深入研究， 特别是对其中关键技术问题 进行研讨与分析， 具有非常重要的意义。 空调水系统竖向分区是超高层建筑空调设计中 一个非常关键和重要的环节， 空调水系统竖向分区 是否合理， 将会对工程的安全性、 节能性、 经济性和 运行管理等产生重大的影响。目前国内相关规范和 技术措施对空调水系统竖向分区尚无具体规定， 设 计人员对此缺乏清晰的认识。因此， 对空调水系统 竖向分区进行深入研究是非常重要和有意义的。国 外特别是美国和日本在此方面已进行了一定的研 究［ ２３］， 虽然从公开的文献资料中尚未查阅到３ ０ ０ｍ 以上超高层建筑空调水系统竖向分区方法， 但其设 计理念已在工程案例中有所体现。随着我国超高层 建筑的蓬勃发展， 国内此方面的研究工作也有了一 定的进展， 其成果已在文献资料［ ４７］和一些拥有自主 知识产权的工程案例中得到体现。本文在总结前人 工作的基础上， 基于理论与工程案例， 分析研究超高 层建筑空调水系统竖向分区方法。 １ 影响空调水系统竖向分区的主要因素 随着建筑高度的不断增加， 空调水系统工作压 力也逐渐增大， 为解决设备和管道系统高承压问 题， 可采用设置板式换热器竖向分区或选择高承压 设备和管道系统方案。当采用设置板式换热器竖 向分区方案时， 虽然系统工作压力较低， 但由于中 间换热设备和分区循环泵增多， 从冷源供出的冷水 经换热设备梯级换热后温度升高， 能源利用效率降 低， 末端设备换热面积增大， 投资和能耗亦随之增 加， 运行管理复杂。当采用高承压设备和管道系统 方案时， 虽然系统工作压力较高， 设备和管道系统 投资有所增大， 但由于节省了中间换热设备和分区 循环泵， 冷水温度和末端设备换热面积不变， 与竖 向分区方案相比， 投资和能耗降低， 能源利用效率 提高， 运行管理简单， 在安全性、 节能性、 经济性和 运行管理等方面具有综合优势。因此， 设备和管道 系统承压能力的选择和如何充分利用设备和管道 系统承压能力， 尽量减少竖向分区， 便成为影响空 调水系统竖向分区的主要因素。 ２ 设备和管道系统承压 对已建成工程案例所做的调研结果表明， 由于 承压能力选择的依据不同， 不同工程中设备和管道 系统的承压多种多样。因此， 有必要通过对现行国 内外规范标准及产品参数的调研， 分析设备和管道 系统承压能力， 为确定超高层建筑空调水系统竖向 分区原则提供依据。 ２ ． １ 设备（ 含阀门） 的承压 表１中是目前产品标准对冷热源和末端设备 及阀 门 的 承 压 或 压 力 试 验 规 定。除Ｇ Ｂ／Ｔ １ ９ ２ ３ ２２ ０ ０ ３ 风机盘管机组 标准明确规定了承压 要求外， 其余设备标准对设备承压没有明确规定， 仅给出了设计压力下压力试验的相关要求。设备 常用压力系列值见表２。从表２中可知， 风机盘管 机组的最大承压为１ ． ６Ｍ Ｐ ａ， 与标准要求一致； 空 调机组的最大承压为１ ． ６Ｍ Ｐ ａ； 常规冷水机组的最 大承压为２ ． ０Ｍ Ｐ ａ， 经过特殊设计后， 可以达到 ３ ． ０Ｍ Ｐ ａ； 板式换热机组的最大承压和水泵最大工 作压力均为２ ． ５Ｍ Ｐ ａ。阀门的承压规格最多， 设计 时根据系统的工作压力选取即可。 表１ 设备承压或压力试验规定 标准名称承压或压力试验规定 冷热源 Ｇ Ｂ／Ｔ１ ８ ４ ３ ０ ． １２ ０ ０ ７ 蒸气压缩循环冷水（ 热泵） 机组 第１部分 工业或商业用及类似用途的冷水（ 热泵） 机组 机组水侧在１ ． ２ ５倍设计压力（ 液压） 下， 按照Ｊ Ｂ／ Ｔ ４ ７ ５ ０中液压试验方法进行检验 Ｇ Ｂ／Ｔ１ ８ ４ ３ １２ ０ ０ １ 蒸汽和热水型溴化锂吸收式冷水机组 机组水侧在１ ． ２ ５倍设计压力下进行压力试验 Ｇ Ｂ／Ｔ１ ８ ３ ６ ２２ ０ ０ ８ 直燃型溴化锂吸收式冷（ 温） 水机组 机组水侧在１ ． ２ ５倍设计压力下进行压力试验 Ｎ Ｂ／Ｔ４ ７ ０ ０ ４２ ０ ０ ９ 板式热交换器 机组水侧在不小于１ ． ３倍设计压力下进行压力试验 Ｇ Ｂ／Ｔ３ １ ６ ６２ ０ ０ ４ 热水锅炉参数系列 出水压力等级０ ． ４ ～ ２ ． ５Ｍ Ｐ ａ， 共１ １挡 末端设备 Ｇ Ｂ／Ｔ１ ９ ２ ３ ２２ ０ ０ ３ 风机盘管机组 机组水侧在１ ． ６Ｍ Ｐ ａ压力下能正常运行， 且无渗漏 Ｊ Ｂ／Ｔ９ ０ ６ ６１ ９ ９ ９ 柜式风机盘管机组９ ８ ０ｋ Ｐ ａ压力、８ ０℃的热水下能正常工作 ４ ９ ０ｋ Ｐ ａ压力、２ ０ ０℃的蒸汽下能正常工作 Ｇ Ｂ／Ｔ１ ４ ２ ９ ４２ ０ ０ ８ 组合式空调机组 水侧在１ ． ５倍设计压力下进行压力试验 Ｊ Ｂ／Ｔ９ ０ ６ ４１ ９ ９ ９ 盘管 耐压试验与密封性检查 水侧在１ ． ５倍设计压力下进行压力试验 Ｇ Ｂ／Ｔ１ ４ ２ ９ ６２ ０ ０ ８ 空气冷却器与空气加热器 水侧在１ ． ５倍设计压力下进行压力试验 阀门 Ｇ Ｂ／Ｔ８ ４ ６ ４２ ０ ０ ８ 铁制和铜制螺纹连接阀门１ ． ０，１ ． ６，２ ． ０，２ ． ５，４ ． ０Ｍ Ｐ ａ Ｇ Ｂ１ ３ ９ ２ ７１ ９ ９ ２ 通用阀门 压力试验０ ． ２ ５，０ ． ６，１ ． ０，１ ． ６，２ ． ０，２ ． ５，４ ． ０，５ ． ０Ｍ Ｐ ａ及以上 ４ 暖通空调犎 犞 牔 犃 犆 ２ ０ １ ４年第４ ４卷第５期超高层建筑暖通空调设计 表２ 不同厂商产品承压调研结果 调研的厂家数量承压规格 ／Ｍ Ｐ ａ备 注 冷水机组 ４１ ． ０，１ ． ６，２ ． ０，２ ． ５，３ ． ０ 承压２ ． ５Ｍ Ｐ ａ及以上为非标产品 空调机组 ５１ ． ６（１ ． ７ ５） 除一家企业的产品承压为１ ． ７ ５Ｍ Ｐ ａ外， 其余企业产品的承压均为１ ． ６Ｍ Ｐ ａ 风机盘管 ５１ ． ６（１ ． ７ ５） 除一家企业的产品承压为１ ． ７ ５Ｍ Ｐ ａ外， 其余企业产品的承压均为１ ． ６Ｍ Ｐ ａ 空调循环泵 ４１ ． ０，１ ． ６，２ ． ５ 板式换热器 ３１ ． ０，１ ． ６，２ ． ０，２ ． ５ 注 括号内数据为其中一家企业的产品承压值。 ２ ． ２ 管道系统承压 本文中所述管道系统包括管材、 管道连接方式 和附件三部分。国内标准对金属管材和管道连接 的承压规定见表３， ４。 表３ 钢管的承压规定 标准名称承压规定 Ｇ Ｂ／Ｔ３ ０ ９ １２ ０ ０ ８ 低压流体输送用焊接钢管 液压试验最高压力不大于５ ． ０Ｍ Ｐ ａ。狆１＝ ２犛１狋／犇１， 其中狆１为钢管的最 低试验压力，Ｍ Ｐ ａ；犛１为钢管下屈服强度的６ ０ ％，Ｎ／ｍ ｍ２； 狋为钢管的 壁厚，ｍ ｍ；犇１为钢管的外径，ｍ ｍ Ｇ Ｂ／Ｔ１ ２ ７ ７ １２ ０ ０ ８ 流体输送用不锈钢焊接钢管 液压试验最高压力不大于１ ０ ． ０Ｍ Ｐ ａ。狆２＝２犛２犚／犇２， 其中狆２为试验压 力，Ｍ Ｐ ａ；犛２为钢管的公称壁厚，ｍ ｍ；犚为允许应力， 取规定非比例延 伸强度的５ ０ ％，Ｍ Ｐ ａ；犇２为钢管的公称外径，ｍ ｍ Ｇ Ｂ／Ｔ１ ４ ９ ７ ６２ ０ ０ ２ 流体输送用不锈钢无缝钢管 液压试验最高压力不大于２ ０ ． ０Ｍ Ｐ ａ。狆２＝２犛２犚／犇， 其中犚为允许应 力， 取抗拉强度的４ ０ ％，Ｍ Ｐ ａ Ｇ Ｂ／Ｔ８ １ ６ ３２ ０ ０ ８ 输送流体用无缝钢管 液压试验最大试验压力不超过１ ９ ． ０Ｍ Ｐ ａ。狆２＝２犛２犚／犇２， 其中犚为允 许应力， 取规定下屈服强度的６ ０ ％，Ｍ Ｐ ａ Ｃ Ｊ／Ｔ１ ５ １２ ０ ０ １ 薄壁不锈钢水管 最大工作压力１ ． ６Ｍ Ｐ ａ Ｃ Ｅ Ｃ Ｓ１ ５ ３２ ０ ０ ３ 建筑给水薄壁不锈钢管管道工程技术规程 最大工作压力１ ． ６Ｍ Ｐ ａ Ｇ Ｂ／Ｔ１ ９ ２ ２ ８ ． ２２ ０ １ １ 不锈钢卡压式管件组件 第２部分 连接用薄壁不锈钢管 最大工作压力１ ． ６Ｍ Ｐ ａ 表４ 钢管应用于空调水系统时不同连接方式的承压规定 连接方式类型标准名称承压规定 螺纹连接螺纹 Ｇ Ｂ５ ０ ２ ４ ３２ ０ ０ ２ 通风与空调工程施工质量验收规范 最大工作压力１ ． ０Ｍ Ｐ ａ 法兰连接螺纹法兰 Ｇ Ｂ５ ０ ２ ４ ３２ ０ ０ ２ 通风与空调工程施工质量验收规范 ， Ｇ Ｂ／Ｔ９ １ １ ３２ ０ １ ０ 整体钢制管法兰 ０ ． ６，１ ． ０，１ ． ６Ｍ Ｐ ａ 平焊法兰 Ｇ Ｂ５ ０ ２ ４ ３２ ０ ０ ２ 通风与空调工程施工质量验收规范 ， Ｇ Ｂ／Ｔ９ １ １ ３２ ０ １ ０ 整体钢制管法兰 ０ ． ６，１ ． ０，１ ． ６，２ ． ５Ｍ Ｐ ａ 对焊法兰 Ｇ Ｂ５ ０ ２ ４ ３２ ０ ０ ２ 通风与空调工程施工质量验收规范 ， Ｇ Ｂ／Ｔ９ １ １ ３２ ０ １ ０ 整体钢制管法兰 ４ ． ０，６ ． ４，１ ０ ． ０Ｍ Ｐ ａ 焊接连接焊接无特殊要求 沟槽连接螺纹式机械三通 Ｇ Ｂ５ ０ ２ ４ ３２ ０ ０ ２ 通风与空调工程施工质量验收规范 ， Ｃ Ｊ／Ｔ１ ５ ６２ ０ ０ １ 沟槽式管接头 最大工作压力１ ． ６Ｍ Ｐ ａ 挠性接头 Ｇ Ｂ５ ０ ２ ４ ３２ ０ ０ ２ 通风与空调工程施工质量验收规范 ， Ｃ Ｊ／Ｔ１ ５ ６２ ０ ０ １ 沟槽式管接头 最大工作压力２ ． ５Ｍ Ｐ ａ 卡压、 卡套连接卡压、 卡套 Ｇ Ｂ／Ｔ１ ９ ２ ２ ８ ． ２２ ０ １ １ 不锈钢卡压式管件连接用薄壁不锈钢管 最大工作压力１ ． ６Ｍ Ｐ ａ 注Ｇ Ｂ５ ０ ２ ４ ３２ ０ ０ ２ 通风与空调工程施工质量验收规范 规定， 钢塑复合管道螺纹连接适用工作压力不大于１ ． ０Ｍ Ｐ ａ； 钢塑复合管道法兰 与沟槽连接时， 工作压力不大于２ ． ５Ｍ Ｐ ａ。 国外的标准体系与国内基本类似， 管材、 管道 连接方式、 管道配件和阀门的承压均分别规定， 以 美国为例， 一般由美国机械工程师协会（Ａ Ｓ ＭＥ） 制 定。在此基础上， 还给出了系统标准体系， 如美国 供暖制冷与空调工程师协会（Ａ Ｓ ＨＲ Ａ Ｅ） 在遵守这 些标准的基础上， 根据不同系统、 管材、 连接方式和 配件材料给出了系统最大工作压力， 如表５所示。 英国暖通空调设计手册 Ｃ Ｉ Ｂ Ｓ ＥＧ ｕ ｉ ｄ ｅＢ ｏ ｏ ｋ ｓ 也有 类似的规定。 ２ ． ３ 小结 ２ ． ３ ． １ 设备承压 通过调研发现 １）对于普通风机盘管， 除一家企业的产品承 压为１ ． ７ ５Ｍ Ｐ ａ外， 其余企业的产品承压均不超过 １ ． ６Ｍ Ｐ ａ。 ２）对于空调机组盘管， 除一家企业的产品承 压为１ ． ７ ５Ｍ Ｐ ａ外， 其余企业的产品承压均不超过 １ ． ６Ｍ Ｐ ａ。 ３）冷水机组最大承压一般不超过２ ． ０Ｍ Ｐ ａ。 ４）水泵、 板式换热机组最大承压均不超过２ ． ５ Ｍ Ｐ ａ。 ５）阀门的承压可根据系统工作压力选取。 ２ ． ３ ． ２ 管道系统承压 １）薄壁不锈钢管道最大承压不能超过１ ．６Ｍ Ｐ ａ， ２ ０ １ ４（５） 张铁辉， 等 超高层建筑空调水系统竖向分区研究 ５ 表５ Ａ Ｓ Ｈ Ｒ Ａ ＥＨ ａ ｎ ｄ ｂ ｏ ｏ ｋ 给出的系统最大工作压力［ ８］ 系统管材类型连接方式配件最高工作最高工作温度下的 等级材料 温度 ／℃最大工作压力 ／ｋ Ｐ ａ 循环水管（≤Ｄ Ｎ ５ ０）焊接钢管标准螺纹连接 １ ２ ５ 铸铁 １ ２ ０８ ６ ０ 铜管 Ｌ型 钎焊精铜 １ ２ ０１０ ３ ０ 循环水管（≥Ｄ Ｎ ６ ５） Ａ ５ ３ＢＥ ＲＷ钢 标准焊接标准展性钢 １ ２ ０２ ７ ６ ０ 法兰连接 １ ５ ０ 展性钢 １ ２ ０１７ ２ ０ 法兰连接 １ ２ ５ 铸铁 １ ２ ０１２ ０ ０ 法兰连接 ２ ５ ０ 铸铁 １ ２ ０２７ ６ ０ 沟槽连接延性铸铁（ 球墨铸铁） １ １ ０２０ ７ ０ 蒸汽管路（≤Ｄ Ｎ ５ ０）焊接钢管标准螺纹连接 １ ２ ５ 铸铁 ６ ２ ０ 焊接钢管标准螺纹连接 １ ５ ０ 展性铸铁 ６ ２ ０ Ａ ５ ３ＢＥ ＲＷ钢 标准螺纹连接 １ ２ ５ 铸铁 ６ ９ ０ Ａ ５ ３ＢＥ ＲＷ钢 标准螺纹连接 １ ５ ０ 展性铸铁 ８ ６ ０ Ａ ５ ３ＢＥ ＲＷ钢Ｘ Ｓ 螺纹连接 ２ ５ ０ 铸铁 １３ ８ ０ Ａ ５ ３ＢＥ ＲＷ钢Ｘ Ｓ 螺纹连接 ３ ０ ０ 展性铸铁 １７ ２ ０ 蒸汽管路（≥Ｄ Ｎ ６ ５）钢管标准焊接标准展性钢 １７ ２ ０ 钢管标准法兰连接 １ ５ ０ 展性钢 １３ ８ ０ 钢管标准法兰连接 １ ２ ５ 铸铁 ６ ９ ０ Ａ ５ ３ＢＥ ＲＷ钢Ｘ Ｓ 焊接 Ｘ Ｓ 展性钢 ４８ ３ ０ Ａ ５ ３ＢＥ ＲＷ钢Ｘ Ｓ 法兰连接 ３ ０ ０ 展性钢 ３４ ５ ０ Ａ ５ ３ＢＥ ＲＷ钢Ｘ Ｓ 法兰连接 ２ ５ ０ 铸铁 １３ ８ ０ 注Ａ ５ ３Ｂ指Ａ Ｓ ＴＭ（ 美国材料试验协会）Ａ ５ ３标准Ｂ级；Ｅ ＲＷ为电阻焊；Ｘ Ｓ为加厚壁厚。 钢塑复合管、 铜管最大工作压力不超过２ ． ５Ｍ Ｐ ａ。 焊接钢管和无缝钢管的承压与壁厚成正比， 与管径 成反比， 应根据系统工作压力、 温度和管径选择钢 管材质和壁厚； 当系统工作压力≤１ ． ６Ｍ Ｐ ａ时， 可 采用焊接钢管， 当系统工作压力大于１ ． ６Ｍ Ｐ ａ时， 宜采用无缝钢管。 ２）管道系统承压主要取决于连接方式承压。 螺纹连接最大承压不超过１ ． ６Ｍ Ｐ ａ； 卡压、 卡套连 接最大承压不超过１ ． ６Ｍ Ｐ ａ； 沟槽连接采用螺纹式 机械三通时其最大承压为１ ． ６Ｍ Ｐ ａ， 不采用螺纹式 三通时最大承压为２ ． ５Ｍ Ｐ ａ； 螺纹法兰连接最大承 压为１ ． ６Ｍ Ｐ ａ， 普通焊接法兰连接最大承压为２ ． ５ Ｍ Ｐ ａ， 特殊工艺的法兰可以达到４ ． ０Ｍ Ｐ ａ， 甚至更 高的承压要求； 焊接连接承压可以达到管道本身的 承压要求。 ３）管道附件的承压应根据系统工作压力选取。 ３ 案例分析 ３ ． １ 案例概况 笔者调研了２ ０个项目， 其中１ ７个在国内且 已建成（ １ ５个在大陆， 占调研项目总数的７ ５％， 港台２个， 占１ ０％） ， 占调研项目总数的８ ５％， 其余在国外， 占１ ５％； ２ ０ ０ ０年以后建成的项目 １ ６个， 占调研项目总数的８ ０％。图２显示了调 研项目的高度和层数。 ３ ． ２ 空调冷热源分析 图２ 调研项目的高度和层数 所有工程项目的冷源均采用电制冷机组， 部分 工程采用直燃机或蒸汽吸收式制冷机作为辅助和 备用冷源； 热源以锅炉和区域供热为主。冰蓄冷技 术得到了越来越多的应用， ２ ０ ０ ６年以后新建的１ ３ 个项目中， １ ０个项目采用了冰蓄冷； 最高楼层高度 ４ ０ ０ｍ以上的８个项目中，７个项目采用了冰蓄 冷； 国外和中国港台的５个项目中， ４个项目采用 了冰蓄冷。 ３ ． ３ 设备承压分析 表６为与图２对应的各项目设备设计承压情 况。通过分析可以总结出如下结论 １）建筑高度越高， 设计师越倾向于选择高承 压的冷水机组； 一般情况下（ 尤其是３ ０ ０ｍ以下的 建筑） ， 冷水机组的承压在１ ． ６Ｍ Ｐ ａ以下。 ６ 暖通空调犎 犞 牔 犃 犆 ２ ０ １ ４年第４ ４卷第５期超高层建筑暖通空调设计 表６ 设备承压情况 项目编号 １２３４６９１ ２１ ３１ ４１ ５１ ６１ ８１ ９２ ０ 冷水机组最大承压 ／Ｍ Ｐ ａ １ ． ６１ ． ６２ ． ０２ ． １１ ． ６２ ． １１ ． ５１ ． ５１ ． ０１ ． ６１ ． ６１ ． ６１ ． ６１ ． ６ 空调机组最大承压 ／Ｍ Ｐ ａ １ ． ６１ ． ０１ ． ６１ ． ６１ ． ６１ ． ６１ ． ５１ ． ５１ ． ６１ ． ６１ ． ６１ ． ６１ ． ６１ ． ６ 板式换热器和水泵最大承压 ／Ｍ Ｐ ａ ２ ． ５２ ． ６２ ． ５２ ． ５１ ． ６２ ． ８２ ． ５１ ． ６１ ． ６１ ． ６２ ． ５１ ． ６ ２）无论建筑高度如何变化， 空调末端的设计 承压均不超过１ ． ６Ｍ Ｐ ａ。 ３）当冷水机组或板式换热器和水泵需要增大 承压时， 设计师倾向于优先增大板式换热器和水泵 的承压来应对建筑高度的增加， 很多项目选择采用 承压为２ ． ５Ｍ Ｐ ａ的板式换热器和水泵。 ３ ． ４ 空调水系统分区方式分析 在调研的２ ０个项目中主要有３种分区方法， 如图３所示。 １）１ ５个项目采用单能源中心方式， 且能源中 心均设置在地下室， 占调研项目总数的７ ５ ％。 ２）３个项目采用双能源中心方式， 占调研项 目总数的１ ５ ％。 ３）２个项目采用分段设置冷源方式， 占调研 项目总数的１ ０ ％。 图３ 分区方案分类 ３ ． ４ ． １ 单能源中心（ 有些超高层建筑顶部观光层 另设了独立冷源， 也归入此类） ３ ． ４ ． １ ． １ 一次换热方式 单能源中心一次换热方式用于建筑最高楼层 高度低于４ ０ ０ｍ、 系统高度（ 系统高度指空调水系 统最低点至最高点的高度） 低于４ １ ０ｍ的建筑。 如图４所示， 有以下几种设计方案。 １）系统高度低于２ ４ ０ｍ建筑常用分区方案 图４ 一次换热方式不同的分区方案 ①方案１。制冷机设置于地下设备用房内， １ ２ ０ｍ以下区域由制冷机直供， 保证制冷机和此分 区内的空调末端承压小于１ ． ６Ｍ Ｐ ａ； 在中间设备层 设置板式换热器进行一次换热， 向１ ２ ０ｍ以上区 域供冷， 保证此分区内的空调末端承压小于１ ． ６ Ｍ Ｐ ａ。这种方式最大系统高度不超过２ ４ ０ｍ， 是最 普遍的设计方案， １ ６ ＃项目即采用此方案。 ②方案２。制冷机与换热器均设置于地下设备 用房内， １ ２ ０ｍ以下区域通过板式换热器一次换热 供冷， １ ２ ０ｍ以上区域由制冷机直供。这种方式最 大系统高度不超过２ ０ ０ｍ， 保证制冷机的承压小于 ２ ． ０Ｍ Ｐ ａ。通常应用于系统高度２ ４ ０ ～ ４ １ ０ｍ建筑的 低区。２ ０ ＃项目采用了此方案。 ③方案３。制冷机与换热器均设置于地下设 备用房内， 换热器分为两组， 其中一组承压为１ ． ６ Ｍ Ｐ ａ， 供建筑低区； 另一组承压为２ ． ５Ｍ Ｐ ａ， 供建筑 高区。这种方式最大系统高度不超过２ １ ０ｍ， 在日 本的某些建筑中有应用。 ④方案４。不设换热器， 将冷水机组分为两 组， 其中一组承压为１ ． ６Ｍ Ｐ ａ， 供建筑低区； 另一组 承压为２ ． ０Ｍ Ｐ ａ， 供建筑高区。这种方式系统最大 高度不超过２ ０ ０ｍ， 通常应用于系统高度２ ４ ０ ～ ４ １ ０ ｍ建筑的低区。 ２）系统高度２ ４ ０ ～ ４ １ ０ｍ建筑常用分区方案 系统高度２ ４ ０ ～ ４ １ ０ｍ的建筑， 其２ ０ ０ｍ以下 区域可采用方案２和方案４分区方式。通过案例 ２ ０ １ ４（５） 张铁辉， 等 超高层建筑空调水系统竖向分区研究 ７ 汇总分析， 归纳出４种系统高度２ ４ ０ ～４ １ ０ｍ建筑 常用的分区方法。 ①方案１。制冷机设置于地下设备用房内， 在 不超过１ ２ ０ｍ的设备层设置板式换热器进行一次换 热， 换热器分为两组， 其中一组承压为１ ． ６Ｍ Ｐ ａ， 供 １ ２ ０ ～ ２ ４ ０ｍ区域； 另一组承压为２ ． ５Ｍ Ｐ ａ， 供２ ４ ０ｍ 以上区域。这种方式最大系统高度不超过３ ３ ０ｍ， 是应用最普遍的设计方法， １ ５ ＃项目采用了此方案。 ②方案２。制冷机设置于地下设备用房内， 将 冷水机组分为两组， 其中一组承压为１ ． ６Ｍ Ｐ ａ， 供 １ ２ ０ｍ高度以下区域； 另一组承压为２ ． ０Ｍ Ｐ ａ， 供 １ ２ ０ ～ ２ ０ ０ｍ区域（ 也可以全部采用２ ． ０Ｍ Ｐ ａ高承 压制冷机， 通过板式换热器供１ ２ ０ｍ以下区域） 。 在不超过２ ０ ０ｍ设备层设置一次换热器， 供２ ０ ０ｍ 以上区域。这种方式最大系统高度不超过４ １ ０ｍ， ９ ＃项目采用了此方案。 ③方案３。基于方案２， 当采用冰蓄冷方案 后， 由于板式换热器的承压可达２ ． ５Ｍ Ｐ ａ， 使得此 方案的最大系统高度能达到４ ２ ０ｍ， １ １ ＃项目采用 了这种设计方法。 ④方案４。方案２采用高承压的制冷机才能 实现， 如果仍采用１ ． ６Ｍ Ｐ ａ以下低承压制冷机， 那 么当系统高度超过３ ３ ０ｍ时， 也可考虑采用二次 换热方式。但调研的案例中， 均没有采用这种方 式， 也说明设计师均倾向于在满足设备承压要求的 同时， 尽量减少换热次数。 ３ ． ４ ． １ ． ２ 二次（ 多次） 换热方式 单能源中心二次（ 多次） 换热方式用于建筑最 高楼层高度４ ０ ０～６ ０ ０ｍ、 系统高度低于６ ２ ０ｍ的 建筑。如图５所示， 有如下２种方案 图５ 二次（ 多次） 换热方式不同的分区方案 １）方案１。制冷机设置于地下设备用房内， 将 冷水机组分为两组（ 也可以全部采用２ ． ０Ｍ Ｐ ａ高 承压制冷机， 通过板式换热器供１ ２ ０ｍ以下区 域） ， 其中一组承压为１ ． ６Ｍ Ｐ ａ， 供１ ２ ０ｍ高度以下 区域， 另一组承压为２ ． ０Ｍ Ｐ ａ， 供１ ２ ０～２ ０ ０ｍ区 域。在不超过２ ０ ０ｍ高度处设置一次换热机组， 在不超过４ １ ０ｍ高度处设置二次换热机组， 这种 方式最大系统高度不超过６ ２ ０ｍ， ４＃项目即采用 此方案。 ２）方案２。基于方案１， 当采用冰蓄冷方案 后， 由于板式换热机组的承压可达２ ． ５Ｍ Ｐ ａ， 使得 此方案的最大系统高度能达到６ ３ ０ｍ， ２＃，３＃， ６ ＃项目均采用了这种设计方法（ 见图５ ） 。 ３ ． ４ ． ２ 双能源中心 双能源中心用于建筑最高楼层高度超过４ ０ ０ ｍ的建筑， 且不同的能源中心对应服务于建筑中 不同的功能区域。如图６所示， 有如下３种方案 １）方案１。裙房部分设置单独的能源中心， 裙 房以上酒店或者办公区设置另一个能源中心。这 种方式主要是针对裙房和塔楼分属不同的物业， 或 者有截然不同的使用要求， 适用的最大系统高度与 二次换热方式基本一致的建筑。６ ＃项目即采用此 方法。 ２）方案２。当顶部酒店系统高度低于１ ２ ０ｍ 时， 可考虑为其设置独立的电动冷水机组。建筑其 他部分则使用建筑底部的能源中心。这种方案可 实现的最大系统高度为７ ４ ０ｍ。８ ＃项目采用此方 案。 ３）方案３。在单能源中心方案（ 即系统高度 ２ ４ ０ ～ ４ １ ０ｍ建筑分区方案２，３） 的基础上， 在竖向 ８ 暖通空调犎 犞 牔 犃 犆 ２ ０ １ ４年第４ ４卷第５期超高层建筑暖通空调设计 图６ 双能源中心案例及分区方案 再增加一个同样的分区方案。这种方案可实现的 最大系统高度为８ ２ ０ｍ。１ ＃项目采用此方案。当 然如果每个能源中心均考虑二次换热， 其最大系统 高度还可以进一步增加。 ３ ． ４ ． ３ 分段设置冷水机组 分段设置冷水机组理论上可用于任意高度的 建筑， 其优势在于无梯级换热， 可减少损失及梯 级换热对冷源和末端设备的影响； 其缺点也非常明 显， 首先是冷水机组位于百米以上高度的设备机房 内， 冷水机组特别是大型水冷机组运输难度较大， 且当建筑投入使用后， 由于一般货梯的载重量和空 间无法满足整机和大型部件运输要求， 很难实现整 机和大型部件更新； 此外， 噪声、 振动处理也比较复 杂。１ ２ ＃和１ ３ ＃项目均为我国２ ０世纪９ ０年代建 成的超高层建筑， 由于当时国内没有高承压的冷水 机组， 且板式换热器技术也不过关， 因而采用了此 方案（ 见图７） 。实际上这种设计方案在目前来看 仍然有很多可借鉴的地方， 值得进一步深入研究、 探讨其在超高层建筑中应用的合理性。 图７ 分段设置冷水机组案例及分区方案 ３ ． ５ 小结 ３ ． ５ ． １ 冷热源 １）所有项目冷源都采用电制冷， 部分采用直 燃机或蒸汽吸收式冷水机组作为辅助冷源； ２）项目热源一般为市政热力或蒸汽锅炉； ３）冰蓄冷得到了广泛应用，４ ０ ０ｍ以上的８ 个项目中的７个项目， ５个国外、 中国港台项目中 的４个项目采用了冰蓄冷。 ３ ． ５ ． ２ 换热次数 所有项目均采用板式换热器， 换热次数均不超 过两次。 ３ ． ５ ． ３ 设备和管道承压 所有项目末端设备的承压均不超过１ ． ６Ｍ Ｐ ａ， 冷源和板式换热器及其管道的承压则根据项目的 具体情况选择不同的承压要求， 但承压均不超过 ２ ． ５Ｍ Ｐ ａ。 ４ 超高层建筑空调水系统竖向分区原则 依据上述分析并结合现行设计规范和技术措 施的规定， 可总结出空调水系统竖向分区原则 １）空调水系统的竖向分区应根据设备、 管道 及附件的承压能力确定。 ２）末端设备的承压不宜超过１ ． ６Ｍ Ｐ ａ。 ３）冷水机组和板式换热器的承压应根据项目 的具体情况选择不同的承压要求， 冷水机组承压不 宜超过２ ． ０Ｍ Ｐ ａ， 板式换热器承压不宜超过２ ． ５ Ｍ Ｐ ａ。当冷水机组或板式换热机组和水泵需要增 大承压时， 宜优先增大板式换热机组和水泵的承 压。 ４）系统最大工作压力不宜超过２ ． ５Ｍ Ｐ ａ。 ５）系统工作压力不超过１ ． ６Ｍ Ｐ ａ， 管道连接 方式可采用螺纹连接、 沟槽连接、 法兰连接和焊接 连接； 系统工作压力大于１ ． ６Ｍ Ｐ ａ且不超过２ ． ５ ２ ０ １ ４（５） 张铁辉， 等 超高层建筑空调水系统竖向分区研究 ９ Ｍ Ｐ ａ， 管道连接方式可采用焊接法兰连接、 沟槽连 接和焊接连接。 ６）当系统高度低于６ ２ ０ｍ时， 冷水机组可不 上楼； 当建筑高度超过６ ２ ０ｍ， 可考虑冷水机组上 楼。 ７）当系统高度超过４ １ ０ｍ时， 建筑的上段和 下段具有不同的功能区且各区需要独立管理时， 可 考虑冷水机组上楼。 ８）尽量避免采用冷水机组上楼方案。当采用 冷水机组上楼方案时， 应制定安全、 可靠、 合理的技 术方案， 以满足冷水机组和大型部件运输、 安装及 调试和运行维护等要求。 ９）尽量减少换热次数， 一般不超过两次； 两次 换热或者多次换热时， 冷源可考虑采用蓄冰方式。 ５ 不同高度超高层建筑空调水系统竖向分区方案 依据上述超高层建筑空调水系统竖向分区原 则， 可得到不同高度超高层建筑空调水系统竖向分 区方案 １）系统高度１ ２ ０ｍ以下的建筑， 水系统竖向 可不分区， 所有区域冷量由制冷机直供。 ２）系统高度１ ２ ０ ～ ２ ４ ０ｍ的建筑， 推荐采用图 ８ ａ方案。 ３）系统高度２ ４ ０ ～ ３ ３ ０ｍ的建筑， 推荐采用图 ８ ｂ方案。 ４）系统高度３ ３ ０ ～ ４ １ ０ｍ的建筑， 推荐采用图 ８ ｃ方案。 ５）系统高度４ １ ０～６ ２ ０ｍ的建筑， 当建筑功 能单一时， 推荐采用图８ ｄ方案。当建筑在竖向 （ 上段和下段） 具有不同的功能区且各区需要独 立管理时， 推荐采用双能源中心方案， 每个能源 中心供冷区域可按冷水机组直供和图８ ａ， ｂ，ｃ确 定竖向分区方案。 图８ 不同系统高度竖向分区方案 ６）系统高度超过６ ２ ０ｍ的建筑， 推荐采用双 能源中心方案， 每个能源中心供冷区域可按冷水机 组直供和图８确定竖向分区方案。由于图８ ｄ方案 最大系统高度可达６ ２ ０ｍ， 故双能源中心方案最大 组合系统高度可达１２ ４ ０ｍ。 ７）图８ ｃ和８ ｄ方案也可采用一组高承压冷水 机组， 通过板式换热器供１ ２ ０ｍ以下区域。 ８）图８推荐的竖向分区方案均为该方案能够 达到的最大系统高度， 当具体工程情况与推荐方案 不同时， 建议按竖向分区原则并结合工程具体情况 进行相应的调整。 ９）空调热水系统竖向分区方案可参考空调冷 水系统竖向分区原则， 此处不再赘述。 ６ 结语 通过对设备及管道系统承压能力和工程案例 分析， 总结了超高层建筑空调水系统竖向分区方 法， 得出了超高层建筑空调水系统竖向分区原则， 给出了１２ ４ ０ｍ以下不同高度超高层建筑空调水 系统竖向分区方案。 本文所述竖向分区原则和竖向分区方案为原 则性建议， 在具体工程中， 空调水系统竖向分区方 案还需根据工程具体情况， 并结合相关标准、 政策 法规、 施工工艺、 施工水平和运行管理水平， 经技术 经济比较后确定， 以实现安全、 节能、 经济、 合理的 设计目标。 参考文献 ［ １］ Ａ ｎ ｔ ａ ｎ ｙＷ ｏ ｏ ｄ ． Ｂ ｅ ｓ ｔ ｔ ａ ｌ ｌ ｂ ｕ ｉ ｌ ｄ ｉ ｎ ｇ ｓ２ ０ １ ２［Ｍ］． Ｃ ｏ ｕ ｎ ｃ ｉ ｌ ｏ ｎＴ ａ ｌ ｌＢ ｕ ｉ ｌ ｌ ｉ ｎ ｇ ｓａ ｎ ｄＵ ｒ ｂ ａ ｎＨ ａ ｂ ｉ ｔ ａ ｔＣ ｈ ｉ ｃ ａ ｇ ｏ，２ ０ １ ２ １ ３ １ ７ ［ ２］ Ｄ ｏ ｎ ａ ｌ ｄ Ｅ Ｒ ｏ ｓ ｓ ． ＨＶ Ａ Ｃ ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｇ ｕ ｉ
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