超高层建筑的空气设计

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1、超高层建筑空调设计,1. 超高层建筑自然特性与空调的关系,超高层建筑自然特性 风速随高度的变化 热压和风压引起的空气渗透 高空风环境对进排风口的影响 室外温度与地面温度的差异,随着建筑高度升高，大气透明度、太阳辐射强度亦增大。,（1）太阳辐射强度,建筑高度增加，本身由于热压造成的烟囱效应较大，对空调通风换气效果有影响。,（3）热压,2020/10/3,荆有印 ,（5）风速随高度的变化,在一般地面上的建筑群的高度范围内(20m以下)，风速变化不大，风速受高度影响可以忽略。 对超高层建筑则不可忽视其影响，必须对风速进行修正。 风速大，建筑物的渗透风和表面放热系数的增大，从而增加冷热负荷。,气象台记

2、录的风速一般是指在地面上1015m处测得的风速，如果高度再高，风速就会更大。,2020/10/3,荆有印 ,围护结构的传热系数不仅与表面放热系数有关，还与壁体本身的热阻有关，所以保温性能越差的围护结构，风速对传热的影响越显著。 对窗面积大，装有单层普通玻璃的建筑物，风速增加，负荷增加较大。 在实际工程计算时，可将若干层（如68层）作为一竖向区域，分区对传热系数进行修正。,（6）热压和风压引起的空气渗透,2.1 超高层建筑高承压水路系统,随着建筑高度增高，空调水路系统承受水压就愈大，对于100m高建筑来说静水压力就达到1.0MPa左右。,（1）设备和管件承压能力 1）离心式冷水机组(国外或合资企

3、业生产的) 普通型 PN1.0 MPa 加强型 PN1.7 MPa 特加强型 PN2.1 MPa 2）螺杆式制冷机（国外或合资企业） 蒸发器水侧压力2.45MPa，油分离器的设计压力为2.41MPa，冷媒侧的出口管上配有安全阀，其起跳压力为2.41MPa。,3）板式换热器 工作压力最高达2.5MPa压力，测试压力是1.5倍的工作压力。 有的工作压力可达到2.2MPa（使用时板式换热器是两侧均受压工况）。整体式板式换热器最大工作压力为3.0MPa。 4）末端设备承压 风机盘管：采用高纯度无缝紫铜管与百叶式正弦形铝质散热片，经14MPa水压胀管，使铜管与铝片紧密结合。集水头采用黄铜锻造，水流设计分

4、布均匀，能发挥最高之整体传热效果，承压可达6.4MPa。,另外一种采用无缝铜管，用铝翅片机械胀接，过冷处理，盘管的工作压力设计为3.1MPa。 空调箱的冷热盘管：采用纯铝质缠绕铝翅片，以10MPa以上水压紧密结合于5/8in紫铜管上承压可达6.4MPa。 冷却和加热盘管：采用铜管、铝翅片、翅片用机械加压胀接在铜管上。盘管试验压力3MPa，最大设计工作压力为1.5MPa。,5）VAV空调箱 冷热盘管类似上述空调箱，末端装置设备经过二次试压，耐压能力高，标准水侧压力为2.5MPa。,低压管道 PN2.5MPa 中压管道 PN46.4MPa 低压阀门 PN1.6MPa,（2）管材和管件的公称压力(G

5、Bl04870),能同时在不同地方分别供冷与供热；能在过渡季或冬季提供内区供冷周边供暖，或北向房间供热，南向房间供冷； 适应房间负荷的各种变化，调节灵活，全天候维持室内温湿度为一个定值。 是否具备四管制水系统是衡量星级酒店的标准之一。 四管制水系统对于水质硬度大的地区，起到保护冷盘管寿命作用。 四管制水系统比起两管制水系统管道设备几乎增加一倍，造价增加。 运转费用也有所提高，既要开制冷机又要开启锅炉。,2.2 四管制水系统,2.3 超高层建筑标准层空调,超高层建筑由于楼层高，底盘面积大，无论标准层和裙房均存在着内区和外区。 内区有余热，外区除了有余热还有围护结构的冷热负荷。 为了保证一年四季内

6、外区维持人们工作所需的舒适温湿度，空调设计应是全天候的。无论什么时间内区、外区温湿度均应保证。,（1）全天候空调设计,超高层建筑标准层从内区至外区至少有8m以上距离。建筑设计时并没有分成内区和外区的隔墙。 空调设计时必须要有一条中间假设线，实际使用时这条假设线是会出现的。 当房间装修分割时往往公司的经理部门布置在沿窗口一侧，那么内区便是职员办公的大空间。内区只有冷负荷，外区有围护结构的冷热负荷和人体、设备灯光的余热。 对于上海、北京地区来说，内外分区设计尤为重要，当外区供暖、内区有余热，仍需要供冷。,采用小型水源热泵系统 可以把内区余热用来加热外区，但热泵系统很难使内区和外区热量一直保持平衡，

7、且带有制冷机的热泵噪声，在室内运行会超过允许的噪声值。 北京地区冬季供冷存在冷却塔结冰的问题。 上海地区虽然稍好些，问题还是存在，一般在冷却塔水池内装置电加热器予以解决。,为了满足全天候空调设计要求，同时又要节约能源，因此直接从室外引进新鲜空气供冷，对于有内区的办公楼来说减少四管制运行时间是有利的，对节能、对全天候空调空气质量均是有利的。,（2）上海金茂大厦标准层空调设计,夏季工况 新风空调机组为定风量L6210m3h，一次风空调机组为变风量L26482m3/h。 新风量占总风量19，当室内负荷减少时，一次风总风量变频调速随之减少时，而新风量则保持不变。 对于密闭的超高层建筑，室内空气品质不会

8、降低。比之VAV系统当总风量减少时，新风量随之也减少有其优越性。,标准办公层空调运行特点及其存在问题,过渡季工况 内区有余热，外区开始供暖，内区仍要供冷。 一次风空调机组供冷，对内区是适宜的，对外区既用热水供暖又进入一次风冷量，形成冷热互相抵消状态，运行不经济。 此时新风空调机组最好关闭冷热水阀门，即不供冷也不供暖，直接送室外新风。,冬季工况 当室外温度下降至5或5以下时，内区仍在供冷，一次风空调机组供冷，外区热水盘管供暖，供热量要承担一次风空调机组供冷所需的热量。 此时室外新风空调机组只能供暖运行（冷盘管此时要采取防冻措施）。 一次风空调机组供冷时要承担新风带来热量额外消耗部分冷量。,（3）

9、北京某工程超高层建筑标准层空调方案设计,- 四管制风机盘管：外区； - 冷盘管风机盘管：内区； - 新风空调机组：四管制冷热盘管L6000m3/h，带加湿器 - 新风机：L6000 m3/h。,夏季工况：新风机组：冷盘管供冷，风阀2、3、4开启； 新风机：风阀1关闭； 内区外区：冷盘管开启。 冬季工况：新风机组：热盘管供热，加湿器加湿；,外区，风机盘管的热盘管供热； 内区：风机盘管的冷盘管供冷（新风机组供暖，加热空气至1820送入）； 新风机：关闭。,过渡季工况： 外区：风机盘管供热； 内区：风机盘管供冷； 新风空调机组：关闭； 新风机：开启。,过渡季尽量利用室外新鲜空气免费提供一些冷量，使制

10、冷机推迟甚至不启动，既可节省能量，又可提高室内空气质量。,当室外干球温度低于15时，机械制冷运行模式停止，此时进入冷却塔供冷运行模式。 板式换热器接管上的电动阀打开，由冷却塔来的6.6冷却水（上海冬季冷水温度）进入板式换热器，经换热后以9.8冷却水抽回冷却塔处理； 同时，空调系统中的13.3冷水回水经过板式换热器时被冷却至7.7，随后由冷水泵送往空调器用冷处。,（4）冬季与过渡季节利用冷却塔供冷,上海金茂大厦空调中，其中一组冷却塔在过渡季利用冷却水供冷。,上海和北京地区，冬季与过渡季直接利用冷却塔向室内空调机组供冷可能会带来两个问题。 - 冷却塔仍存在结冻可能 - 空调水路系统复杂化（由原来四

11、管制改为六管制）,超高层建筑中标准层的空调面积约占整幢大楼70左右，如果标准层空调空气处理不合理，尽管在节能方面采用DDC直接数字控制系统，虽然其控制软件很先进，但空调系统硬件部分并不节能，形成整个空调系统并不是一个节能系统。,这对于超高层建筑由多种末端装置组合空调器来说不是很理想的方法。,难怪有人指出“金茂大厦”一天要运行管理费用花100万人民币，这其中可能与空调系统有密切的关系。,美国Edwards (爱德华 )工程公司最近推出一种构造简单的新式空碉器称为帘式空调器（ VALANCE）作为空调系统末端装置。 - 既没有风机盘管的风机，又没有诱导器的喷嘴，仅有一个高效热交换器。 - 既可安装

12、在窗户上部，顶棚下部的墙角上，也可以沿内墙角敷设。 - 其外部装饰像窗帘盒，把换热器藏在其中，底部带有一个滴水盘。 夏季盘管内通过冷水借对流作用达到制冷；冬季热交换器通过热水，依靠辐射作用提高室温。,5.1 VALANCE空调系统,帘式空调器最大优点：由于没有机械传动气流装置，完全靠自然对流，运转时安静。 适用于有噪声控制要求的建筑，特别是高级旅馆客房、广播电视演播室、医院病房等使用效果更好。 由于没有气流传动装置，可以节省风机能量。据统计，大约3年节省下来的运转费就可以补偿帘式空调器本身造价。 此外由于没有机械传动部件与过滤设备，用不着像风机盘管的风机轴承每年需加润滑油和更换过滤器，因此维护

13、管理就比较简单。,没有吹风感，在进行冷却循环时室内空气通过串片盘管，翅片上便形成凝结水，凝结水集中在滴水盘上排走。因为空气通过冷却器流动缓慢，所以得到充分除湿。 空气的缓慢流动，管子上的凝结水起到过滤作用，在空气中悬浮的颗粒物质与翅片接触后，就附着在上面，这些颗粒就随着凝结水被冲到排水管中去，起着洁净过滤空气的作用。 房间温度由恒温器控制电动阀来调节冷、热水流量。 需独立新风空调系统来补充室内新鲜空气。 金属耗量大，如果装饰不雅，显得有些庞大，仅适用于冷负荷不是很大的房间。,5.2 水源热泵空调系统,将众多小型水冷式空调机集中起来，由中央冷却塔和水泵集中提供循环冷却水，冬、夏共用系统，称之为水

14、源热泵中央空调系统。,超层层建筑的裙房、出租商店，由于使用时间与计费关系均可以采用水源热泵中央空调系统。 上海金茂大厦部分商店采用此系统。,(1)系统形式,1）高效节能,（2）系统特点,螺杆式制冷机组 离心式制冷机组 吸收式制冷机组,4.1 冷源,（1）水冷式制冷机,制冷剂：HCFC-22、HFC-134a 单机制冷量：3507000kW 空调工况COP：4.15.4 最低供冷温度：-7-12,1）螺杆式制冷机组,螺杆式冷水机组：满液式蒸发器和干式蒸发器。 满液式蒸发器：管内走的是水，制冷剂在管簇外面蒸发，传热面基本上都与液体制冷剂接触。 特点： - 制冷系统蒸发温度低于0时，管内水易冻结，破

15、坏蒸发器。 - 制冷刑充灌量大。 - 受制冷剂柱高度影响，简体底部的蒸发温度偏高，会减少传热温差。 - 结构紧凑，操作管理方便，传热系数较高。,非满掖式蒸发器：制冷剂在管内流动，水在管簇外流动，有几个流程。 由于制冷剂液体的逐渐气化，通程趋向上，其流程管数越多。为了增加水侧换热，在筒体传热管的外侧设有若干个折流板，使水多次横掠管簇流动。 优点： - T0在0附近时，水不会冻结。 缺点： - 水侧存在泄漏问题，由于折流板外缘与壳体间一般有13mm间隙，与传热管之间有2mm左右的间隙，因而会引起水的泄漏。由于泄漏引起水侧换热系数降低2030，总的传热系数降低515。,制冷剂：HCFC-123（低压

16、） HCFC-22（中压） HFC-134a（中压） 单机制冷量：3508500kW 空调工况COP：5.05.9 最低供冷温度：单级为0，三级压缩低压及中压为-6,2）离心式制冷机组,优点： - 转速高 - 单机制冷容量大 - 重量轻、体积小 - 易损件少、运转乎稳、振动小 - 通常可在30%100%负荷范围内无级调节，易 于实现自动化操作,近年来在国内外集中式空调工程中，离心式制冷机组的应用约占总制冷量的60。,制冷剂：H2O/LiBr双效 单机制冷量：2307000kW 空调工况COP：为1.01.3 最低供冷温度：6,3）吸收式制冷机,综上所述:,活塞式和涡旋式：由于单机制冷量较小，不

17、宜在超高层空调上应用。 吸收式直燃机：由于最低供冷温度仅为6，对于采用板换梯级供热供冷系统要提供温度低于6冷水，这种制冷机，超高层建筑也是不宜采用，但对于低层裙房空调仍可使用。 超高层建筑只有螺杆式制冷机组和离心式压缩制冷机组可供使用（容量大，供水温度4左右，其他制冷机均达不到此目的）。,水冷制冷机以湿球温度为基准，对于湿球温度变化不大，而且较低的地区较为适用。 风冷制冷机以干球温度为基准，对于在一天之内干球温度变化大的地区，使用较为有利。当干球温度稍降时，制冷效果会更好。,（2）风冷制冷机,超高层建筑空调设计，最为棘手的问题应是冷却塔。 对于一幢30万m2建筑，制冷量约为2400万kW，冷凝

18、负荷2880万kW，排除这么大的冷凝热，需要10台288万kW的冷却塔。 每台水量要570m3/h，占用2000m2露天面积。对于尖顶建筑，上部没有地方摆放。 如果裙房建筑位置不够那更成问题，由于冷却塔外形不能与建筑协调，景观不美. 冷却塔噪声、飘水均是人们投诉对象，有的城市冷却塔、烟囱一样列入城市环境的公害，大大地影响城市环境的美观。,（3）冷却塔,4.2 板式换热器,无论是冷水或是热水，为了提升至100m以上建筑供冷、供暖，均需要采用板式换热器进行梯级换热。 特别对于超高层建筑有二次梯级换热，要求冷水温度要低至4，大温差（T9）、板与板换热温差又小，如4/13，6/15，8/17，仅2。

19、要求换热器换热效率高，设备承压能力大，甚至达到3.0MPa。,4/13,6/15,8/17,板式水-水换热器的设计选型： 已知板式换热器的热工特性和水力特性 先选板型，并拟定板间流速 计算设计条件下，热流体和冷流体的表面换热系数h和c以及传热系数K 通过试算得到所需的板片数、流程组合及阻力损失,4.3 热、电、冷三联供,当超高层建筑面积达30万40万m2时，冷、热、电负荷可以达到一个小城镇容量，为了能源综合有效利用，提高能源利用效率与环境保护的需要，应采取热、电、冷三联供方式。,通过热网将集中热源厂生产的热水、蒸汽、冷水等热能供给各种类型的建筑物。热源一般是热电机组或吸收式制冷机，也有同时使用

20、两种类型的情况。,（1）热、电、冷三联供方式,节省能源，减少CO2的排放量 大型发电厂的发电效率为35%55，扣除厂用电和线路损失之后，冷热电联供终端利用效率可达到90%，而且没有输电损耗。美国能源部在一份冷热电联供的报告中说，如果按照他们的计划实施冷热电联供技术，到2020年可使CO2的排放量减少1930。 提高热电厂的设备利用率及经济效益 目前我国热电厂大都热负荷偏低，全年热负荷极不均衡，冬季热负荷高，夏季热负荷低，夏季热电厂的利用率极低。若发展夏季以热制冷，就可以提高热电厂的设备利用率及热电厂的经济效益。,热、电、冷联供的优越性：,产生节电和增电效益，缓和夏季电力供需矛盾 用溴化锂替代氟

21、里昂，有利于环境保护。,我国东部地区由于受降温负荷的影响，夏季电力负荷已大大高于冬季，夏季负荷中有些大城市的空调负荷几乎占总用电负荷的1/4。因此降低空调负荷对于缓解夏季电力供需矛盾具有十分重要的意义。 利用已建热电厂发展热电冷三联供，一方面替代电力空调，节约大量电力；另一方面增加热电厂的热负荷，同时增加热电厂的发电量，提高热电厂的发电效率，降低煤耗，增加发电厂的负荷率和发电设备利用小时数，从而提高电力系统的经济效益。,（2）燃气蒸汽联合循环,将具有较高平均吸热温度的燃气轮机循环（布雷顿循环）与具有较低平均放热温度的蒸汽轮机循环（朗肯循环）结合起来，使燃气轮机的废热成为汽轮机循环的加热热源，达

22、到扬长避短，相互弥补的目的，使整个联合循环的热能利用水平提高，其发电效率高达4558。 具有高效低耗、启动快、可用率高、投资省、建设期短、环境污染少、省水及占地少等优点。 目前就世界范围而言，燃机发电在世界上已进入高度发展时代，技术日趋完善。单机功率250300MW已投入商业运行。,主要有四种工艺方式：,1）燃气轮机-蒸汽轮机联合循环热电联产,CCHP系统：以燃气为能源在建筑物内就地进行热、电、冷合产的供能系统。CCHP技术包括以下领域：,（3）CCHP热、电、冷三联供技术,燃气祸轮机 微型涡轮机 内燃发动机 燃料电池 吸收式制冷机及热泵 干燥及能源回收系统 引擎及电动驱动系统 热能的储存、传输 控制及系统集成技术 。,CCHP系统又称微型热电冷联产系统,这种系统不仅有较高的能量利用效率，而在使用上有很大的灵活性，能够因地制宜，对动力和热量有效地组合应用。 能源综合效率在80以上，采用热泵时可超过100。 除此之外，在建筑上推广该系统后，还将明显地减少CO2的排放量，为用户提供可靠、健康、安全、高效和好适的环境。,CCHP应用（1）,CCHP应用（2）,CCHP能量平衡,