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摘要：本文从暖通空调设计的角度，论述了超高层建筑设计考虑的主要因素、系统方案和主要设备选择等，供暖通空调设计人员参考和应用，有利于拓展暖通工程师专业视野，跳出专业局限，站在更高角度更好完成设计。
关键词：超高层建筑 烟囱效应 水系统 设备选择
一、前言
近年来随着我国经济的发展和城市化步伐的加快，越来越多的超高层建筑拔地而起，为人类扩展城市生活空间发挥了巨大作用，然而，超高层建筑的特点及其带来的一系列诸如安全、环境和内部机电设备问题也日益突出，本文从暖通空调设计的角度，论述了超高层建筑的主要设计考虑因素，有利于拓展暖通工程师专业视野，更好完成设计。
二、超高层建筑需考虑的因素
2.1 建设方考虑的因素
任何一座超高层建筑的设计都是由建设方（业主）、建筑师、结构工程师、设备工程师、电气工程师、其它专业和顾问共同协商的结果，建筑的设计和施工必须充分考虑建设方的需求，建设方的考虑因素包括所有权以及建筑物用途问题；超高层建筑的规模和功能必须满足业主和租户的使用需求，这一点尤为重要。
2.2建筑设计师考虑的因素
建筑核心区的设计和楼层高度的确定是重点问题，核心区的布局应尽可能紧凑，保证楼层面积的高效利用。楼层高度的微小差异会引起建筑外表面积的增加，外表面积的增加会影响造价（约5000元/㎡），以及垂直构件长度的增加，影响造价；一般来说，超高层办公的净高为2.6-2.8米比较合适，核心区走道净高为2.4米左右比较合适。
2.3暖通设计师考虑的因素
暖通空调工程师作为设计团队的一个重要组成部分，在完成设计时，除了本专业外，还需要考虑工程的成本、建筑的运行费用、建筑物现在和将来的所有使用需求以及节能和环保问题。
三、超高层建筑暖通系统设计
（一）烟囱效应
3.1.1烟囱效应分析
当室外温度明显低于室内温度时，室外温度低、密度大的空气与室内温度高、密度小的空气形成密度差，空气从建筑底层进入，流经建筑物，从顶层流出，产生烟囱效应；烟囱效应的压差大小直接正比于建筑物的高度和室内外冷热空气的温差，寒冷地区的超高层建筑烟囱效应尤其明显。
3.1.2烟囱效应的影响
（1）会影响电梯门的关闭：门内外侧的压差不同造成门被约束在导轨上，使得这些门的关闭机械不能提供足够的力来克服阻力；（2）建筑物低区的供暖问题：大量的冷空气通过外门和建筑外墙进入室内，影响供暖效果。
3.1.3减弱烟囱效应的方法
（1）确保外墙严密，所有竖井以及所有渗风通道应密封，大厅设置前室或门厅，进出门采用密闭门。（2）寒冷地区超高层建筑入口应该采用旋转门。（3）在大厅设置双门前室，总有一个门关闭着，并在两个门之间提供充足的热量。在大量员工进出的前厅采用双门前室比较困难时，可采用旋转门。（4）电梯应设置前室，楼梯间应采用密闭比较好的门，减少竖向气流的流动。（5）暖通设计应考虑空调和通风系统，对整个建筑进行全空气平衡计算，提供大于排风量的新风，室外空气将至少比外泄和排出的气体量多5%以上，确保正压。大厅设计独立的空调系统，在冬季最冷时这个系统能够100%全新风运行，为建筑大厅增压，减少烟囱效应。
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（二）暖通系统选择
3.2.1 系统选择需要考虑的因素
在一个功能完备的高层建筑中，设备和电气系统的总造价可能会高达建筑总投资的35%，通常情况下都会超过25%，所占管井和设备用房面积占建筑总面积的7%-10%，暖通空调系统和相关设备的确定应考虑一下因素：
1、总投资；2、目前和未来的使用者需求；3、建筑和结构的限制和要求；4、内部和外部的环境要求；5、使用空间的声学要求；6、抗震要求；7、能源的消耗；8、运行和维护费用；9、消防防排烟系统。
3.2.2空调末端系统
一般来说，超过层建筑空调系统主要有全空气变风量系统，低温送风变风量系统，水-空气系统（风机盘管），地板送风系统等，以上系统主要分为两类：第一类是设备集中布置在空调机房内的中央空调送风系统，其担负多个楼层的空调，第二类是局部空调系统，通常只担负设备所在层的空调。设计方案的选择需结合业主需求、建筑特点、其它专业要求等综合确定。
（三）集中供热和供冷设备
在确定制冷机房和热源的类型和位置时，需考虑以下几个因素：
1、重量、空间需求和对结构系统的影响；2、对施工进度的影响；3、针对设备放置处的楼板施工要求；4、噪声影响；5、运行和维护的易操作性和费用；6、可用的能源条件；7、每个可选方案的年运行费用和生命周期投资回收期；8、如果采用锅炉，还需考虑烟囱所占的空间和造价。
（四）空调水系统
3.4.1减小空调冷冻水系统压力
超高层建筑制冷设备、管道、附件及阀门的投资随设备和管道工作压力的增大而增加，超高层建筑空调水系统设计要特别关注由于建筑高度产生的水静压对于管道系统产生的影响，应将空调水系统工作压力控制在合理范围内，以减少设备承压，进而降低投资。
减小空调设备工作压力的一种方法是将制冷设备放置在地下室以上的楼层，但此时底层冷冻水管位置处的设备、管道、附件和阀门依然可能承受较大压力；另一种方法是使用板式换热器减小制冷设备和管道的工作压力，它的原理是将全部楼层分组，变成各自独立的静压区；使用板式换热器可以使一次侧和二次侧供水温度相差1℃，这样二次侧水系统更加合理；使用换热器后，由于存在温度损失，相应的冷冻水供水温度提高，二次侧系统的水流量必然有所增加，因此使用板式换热器虽有利于减小工作压力，但也要对系统利弊进行综合考虑；通常只使用一个板式换热器的情况比较普遍，既可以在一定程度上将冷冻水工作压力降低，降低设备、管道和阀门的投资；又能避免主机和末端空调供水温度相差过大，保证运行能效。
3.4.2空调水管设计要点
管道设计还要考虑其它因素，包括管道收缩、膨胀以及动静荷载、管道固定支架、滑动支架；管道穿楼板、墙和隔断处需设置套管，并在管道和套管之间填充防火材料；另外混凝土框架结构还存在收缩或蠕变现象，每个楼层随时间变化可缩短约3mm，虽然每层变化量很小，但对于超高层建筑，这种变化不应忽略，例如对于一幢70层的建筑则会有210mm的偏移量，上述情况就要求设计时注意在管道固定支架的上、下以及支架中间提供足够的灵活空间，允许管道随结构变化产生一定的偏移。为了更好的设计，暖通设计师应该向结构工程师咨询以确定管道系统准确的偏移量。
3.4.3空调水温差对经济性的影响
在大型项目中管道、阀门及附件的投资节省不容忽视，采用较大的水温差可以减少水流量进而减小管道尺寸，虽然增加了制冷主机一定的运行费用，但管道、阀门及附件的投资费用却可以大幅度减少。超高层建筑制冷主机的蒸发器和冷凝器采用多大的供回水温差需进行经济性评价分析。
（五）电梯垂直运输系统的空调通风
1、电梯机房的冷却：应设置空调系统，以使电梯机房的室温控制在15-30℃之间。
2、电梯升降竖井的通风：为减小电梯运行时产生的活塞风对电梯可能造成的影响，每个电梯井顶部需要设置通风口，取电梯竖井面积的3.5%或者0.27平米的大值，并用风管将电梯通风口与室外大气相连；当设计极高建筑时，电梯运行速度一般超过7m/s，根据电梯和自动扶梯安全规范的要求，还需在电梯竖井底部设置通风口，以利于电梯轿厢向下高速运行时空气迅速排出。
（六）消防设计
在超高层建筑内，由于高度问题，存在如下消防问题：1、建筑高度超出了现有消防云梯的可及范围；2、潜在的烟囱效应作用效果加强；3、需要超长的疏散时间。基于以上因素，超高层设计时应严格遵循消防设计相关要求，并结合实际情况采取更加严格的防火措施，必要时组织专题研究和论证。
四、总结
本文论述了超高层建筑的空调通风系统设计的特点和需要注意的关键点，有利于拓展暖通工程师专业视野，跳出专业局限，站在更高角度更好完成设计，对超高层的建筑设计具有一定的指导意义。
论文作者:黄亮
论文发表刊物:《建筑细部》2018年第27期
论文发表时间:2019/7/31
标签：高层建筑论文; 系统论文; 管道论文; 烟囱论文; 电梯论文; 建筑论文; 设备论文; 《建筑细部》2018年第27期论文;