武汉保利文化广场暖通空调设计
中南建筑设计院股份有限公司 韦明
摘要：该项目为一栋超高层综合性建筑，规模大，结构形式复杂，装修标准高，建筑外立面对通风百叶的布置要求苛刻。本文详细介绍了工程概况、冷热源、空调、通风与防排烟、节能设计的特点，并总结了工程中的一些体会。空调水系统按大温差设计，夏季空调供回水温差8℃，冬季空调供回水温差15℃。以主楼22层为分界线划分高低区系统，高低区采用板式换热器分隔。针对大楼全玻璃幕墙的特点，增加遮阳措施，合理布置外墙风口，增加排风系统，实现大楼进排风总量的平衡。 关键词：超高层 空调 大温差系统 节能
1 工程概况
武汉保利文化广场位于洪山广场与中南路交汇处西南侧，系武昌区的地标性建筑。该大楼为一栋建筑高度不超过250米的超高层综合性建筑。地面以上由46层主楼（办公）、20层副楼（办公）及8层裙房（商业、餐饮及影院）组成；地面以下有四层，包含商业（地下一层）、车库、后勤及设备用房等。总建筑面积143000平方米，其中地上建筑面积108000平方米。主楼建筑高度221米，副楼建筑高度100米。主楼避难层设置在9层、21层、34层。该工程设计完成于2008年，2012年底竣工。目前写字楼已经交付使用，空调效果达到设计要求。裙房空调系统已安装调试到位，将配合招商和二次装修要求对末端风口进行微调。裙房8层影院空调系统因故暂未实施。
2 设计参数及空调负荷 2.1 室外计算参数：
采用中国气象局与清华大学合著的《中国建筑热环境分析专用气象数据集》附录1和附录2中的武汉市气象参数。
2.2 室内设计参数：
2.3 本工程空调逐时冷热负荷综合最大值：
夏季空调总冷负荷16746kw，冬季空调总热负荷10021kw。
3 空调冷热源
3.1 冷热源方案选择：
本工程地处寸土寸金的城市中心，并受相邻地铁规划限制，没有条件采用地源热泵等可再生能源为空调冷热源。设计方提出两个冷源方式供建设方决策，方案A为“分量蓄冷的冰蓄冷系统”，方案B为“电力驱动的水冷冷水机组系统”。
因本工程主要功能为写字楼，空调主要为白天使用，夜间基本没有空调需求，从空调负荷特性来看适合采用冰蓄冷系统，在运行费用上冰蓄冷系统也占有一定的优势。但建设方考虑到方案A的初投资较高，分时电价政策力度不够大，最后决定采用方案B，同时采用大温差冷冻水系统，热源采用燃气型蒸汽锅炉加换热器。
图1：空调冷热源水系统原理图
3.2 空调冷源：
选用四台水冷离心式冷水机组，三大一小；大机制冷量3868kw，小机制冷量1934kw，共计制冷量13538kw，配机系数0.808；机组供/回水温度5℃/13℃，冷却水进出水温度32℃/38℃；夏季设计工况和规定条件下其性能系数（COP）不低于5.23。
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选用五台冷水循环泵（卧式离心泵），三大二小，小泵中含一台备用泵，大泵参数为流量420m/h，扬
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程33mH2O；小泵参数为流量210m/h，扬程33mH2O；循环泵采用变频控制。
与冷水机组相对应，冷却塔选用三大一小方型横流式超低噪声冷却塔，其进出水温度为38℃/ 32℃；配
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套循环水泵为三大二小，小泵中含一台备用泵，大泵参数为流量740m/h，扬程29mH2O；小泵参数为流量
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370m/h，扬程29mH2O。
冷却塔设在副楼20层屋面上，其它设备均设在地下四层冷冻机房内。 3.3 空调热源：
由本大楼地下一层锅炉房供给0.6MPa（表压）蒸汽；选用二台汽-水板式换热器；换热机组单台换热量4250kw，二台共计换热量8500kw，配机系数0.848，机组供/回水温度65℃/50℃；选用三台热水循环泵（卧
式离心泵），其中一台备用；循环泵采用变频控制；水泵参数为流量250m/h，扬程28mH2O。所有设备均设在地下一层锅炉房内。
3.4 信息机房、消控中心、地下变配电房、电梯机房等设置分体空调。
4 空调水系统 4.1 系统分区：
本大楼空调水系统垂直高度约230米，考虑设备及附件承压能力，宜分为高低区两套水系统。系统分区不按功能划分，按区域划分更为合理，决定以主楼22层为分界线。 4.2 低区空调水系统，22层及以下区域：
空调水系统采用两管制一次泵变流量系统，供回水总管间设超压旁通控制，高位膨胀水箱设在23层新风机房内；冷水机组布置采用吸入式系统，有利于减小制冷机蒸发器及冷凝器承受的压力；夏季空调供回水温度为5℃/13℃，冬季空调供回水温度为65℃/50℃，大温差冷水系统；共七个空调供回水环路，高区空调水系统一次水环路，主楼9至22层（含主副楼连接体16至20层）环路，副楼9至20层环路，8层影院环路，地下一层至7层的三个竖向环路。 4.3 高区空调水系统，23层及以上区域：
空调水系统采用两管制一次泵变流量系统，压出式系统，高位膨胀水箱设在主楼屋顶；高区空调水系统夏季空调供回水温度为6.5℃/14℃，冬季空调供回水温度为60℃/45℃，大温差冷水系统，一个空调供回水环路。
4.4 高区空调水系统与低区空调水系统采用板式热交换器隔开，选用水-水板式热交换器二台，夏季空调换热量共4850kw（一次水供回水温度为5℃/13℃，空调水供回水温度为6.5℃/ 14℃）；空调水循环泵（卧式
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离心泵）三台（二用一备），循环泵采用变频控制，水泵参数为流量280m/h，扬程30mH2O，夏季两台同时运行，冬季一台运行。
4.5 写字楼的空调水系统均采用同程式设计。
5 空调风系统
5.1 城市大客厅、商场、餐饮等大空间采用全空气空调系统，夏季送风温度13℃，风机采用变频控制。1#观众厅采用座椅送风，空调机组采用二次回风，夏季送风温度20℃。
5.2 办公室均采用风机盘管加新风系统，新风机组为立式或吊装式新风处理机组，机组表冷器出风温度约16℃，风机盘管近似于干工况运行。
5.3 全空气空调系统过渡季采用全新风运行，地下商场、员工餐厅等过渡季开启机械通风系统通风，城市大客厅过渡季采用自然通风或机械通风。
6 锅炉房与热力管道系统 6.1 热负荷：
本项目冬季空调计算最大热负荷10021kw，配机热负荷8500kw，卫生热水热负荷1400kw，总计热负荷9900kw。
6.2 锅炉房设计：
根据建设方的要求采用蒸汽锅炉。根据现场情况并考虑同时使用系数，本大楼选用三台燃气蒸汽锅炉，出口蒸汽压力（表压）0.6MPa，单台蒸发量4t/h，共计蒸发量12t/h，总供热量8400kw。燃料为天然气。
配套设置锅炉给水泵，每台锅炉两台，一用一备。设全自动钠离子交换器一套，给水(凝结水)箱二个，分汽缸一个。锅炉间内设降温排污池一个；锅炉间顶部对室外设泄压口，面积不小于锅炉间面积的10%。 6.3 热力管道系统：
蒸汽由分汽缸分配至各用汽点。地下四层冷冻机房设凝结水回收装置，凝结水经加压后送至地下一层锅炉房软化水箱，主楼22层热交换间的凝结水直接回至地下一层锅炉房软化水箱。
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图2：蒸汽、蒸汽凝结水系统原理图
7 燃气系统设计
7.1 天然气由城市中压管网接入，由中南路接入白玫瑰大酒店集中设置调压箱，总管管径d250。
7.2 锅炉房、厨房用气各设置调压箱一个，地上设置，调压箱出口压力：锅炉房20KPa、厨房2.4KPa。 7.3 锅炉房调压箱出口d200中压天然气管道接至一层计量间，再由计量间接至地下一层锅炉房用气点；厨房调压箱出口d200低压天然气管道接至大楼餐厅厨房，灶具额定压力为2KPa（工作压力范围1.6~2.8KPa）。
8 通风与防排烟系统 8.1 平时通风系统：
地下车库、地下设备房、地下消防控制中心、主楼电梯机房的通风量按换气6次/h计算，地下一层商场、后勤过渡季排风量按换气5次/h计算，地下二层员工餐厅过渡季排风量按换气10次/h计算，主楼22层设备用房通风量按配电房12次/h、其它5次/h换气计算，八层放映厅排风量按换气10次/h计算，需排风的空调房间空调时排风量按新风量的90%计算。地下通风系统与消防排烟系统及排烟补风系统兼用。地下二层员工餐厅厨房通风换气量平时为6次/h，事故时为12次/h；地下层锅炉房通风换气量平时为8次/h，事故时为12次/h。放映机房单独设排风系统，由影院公司负责设计施工。 8.2 防排烟系统：
根据《高层民用建筑设计防火规范》的相关规定，对防烟楼梯间、消防电梯前室、合用前室、避难层及避难间分别设置机械加压送风系统；对各层不满足自然排烟条件的内走道、面积超过100m2且经常有人停留或可燃物较多的地上房间、中庭、地下车库、地下商场等分别设置机械排烟系统。
8.2.1 由于本工程为超高层建筑，主楼范围内的加压送风系统均分段设计，上下段以22层为分界线，分别在21层（或20层、22层）和屋顶层设置加压送风机。
8.2.2 城市大客厅中庭高度50米，设置2套排烟系统和4套排风兼排烟系统，风机均安装在裙房屋面。空调季节可根据需要开启1-2台排风机，维持城市客厅与裙房商场的室内微正压；过渡季节开启4台排风机，
配合空调全新风运行；火灾时开启全部6台风机，对中庭排烟。
8.2.3 配电房、信息机房、消控中心等采用气体消防系统。进入房间的风管上设置电动风阀，着火时电动关闭，气体灭火后开启阀门进行事后通风。
9 空调系统控制特点
9.1 本大楼所有空调系统及通风系统均纳入楼宇自动化系统。
9.2 空调冷热源系统采用群控的控制方式，实现能量集算、温度控制、出水温度的再设定、机组及配套组的自动投入或退出、机组的均衡运行，实现空调冷热源系统智能化运行，达到可靠、经济运行的目的。 9.3 高低区空调水系统均根据系统压差变化，控制循环水泵变频运行，保证系统的压力稳定，实现经济运行。9.4 板式换热器空调侧（高区二次侧）出水管上温度传感器传输信号，经现场控制器控制板式换热器蒸汽管（高区一次侧回水管）上的电动调节阀的开度，实现空调出水温度的控制。高区系统冬夏工况自动转换。
10 节能设计特点
10.1 空调水系统大温差设计：夏季空调供回水温差8℃，冬季空调供回水温差15℃，节省空调水输送功耗；冬季空调水泵与夏季空调水泵分别设置，水泵采用变频控制；空调水系统采取合理的变流量控制，采取有效的平衡控制措施，做到按需供水。
10.2 城市大客厅是本工程建筑设计的亮点，却是通风空调设计的难点。高大空间夏季空调采用喷口侧送风方式，分层空调，仅满足人员活动下部空间对温度的要求，上部空间不作要求，减少空调负荷。
10.3 将空调风（水）系统、通风系统设计成多种组合方式，便于在不同季节、不同使用条件下灵活选择运行方式；风系统空调机房均靠近空调房间，减小系统阻力；空调风机采用变频控制。
10.4 过渡季节，地上商场及餐饮采用自然通风或空调系统全新风运行，地下一层商场及后勤采用机械通风，减少空调冷热源系统运行时间。
11设计经验总结
11.1 作为一栋5A甲级写字楼，配电房的设备及管道较普通办公楼更为密集，发热量更大，因此除了加大机械通风量，还必须设置分体空调或多联机空调，高温季节用于降温。强弱电管道井应设置排风设施，个别发热量较大的管道井应设置空调。
11.2 本工程系一栋全玻璃幕墙的现代化建筑，早晨面对中南路一侧（东向）和下午面对民主路一侧（西向）的日照非常强烈，即使采取了遮阳措施，日照房间的冷负荷仍然明显大于内区房间。设计时对外区的风机盘管考虑了放大系数。针对西侧用户下午室温较高的情况，采取了加强遮阳、调整送风口形式、减少回风阻力的措施。
11.3 建筑专业要求面对洪山广场和中南路的外立面上不能有百叶风口，所有外墙风口应布置在建筑背面。暖通专业应开动脑筋，在设备机房、竖井、外墙百叶的布置上尽可能实现竖向对齐，外观上整齐美观。但是百叶竖向对齐会引起另一个问题：由于加压送风和排烟系统分段设计，低区的排烟风机如果位于高区加压送风机的正下方，将影响高区加压送风系统的安全运行。因此必要时百叶风口应水平移位，不能为了美观而违反消防规范的基本规定。
11.4 裙房商业餐饮有大量热湿气体产生，且绝大部分幕墙无法开启通风，因此必须加强排风措施。排风量与空调新风量相匹配，既能满足空调季节的人员新风量要求，又能满足过渡季节的全新风运行要求。与各层空间相通的中庭顶部设置了4台排风机和2台排烟风机，可以根据不同要求开启不同数量的排风机，达到裙房进排风总量的平衡。
11.5 本工程结构形式复杂，写字楼普遍采用钢管混凝土柱加钢梁（钢桁架）构成框架。为了满足建设方的净高要求，所有空调管道必须安装在钢桁架内部。空调新风管均设计为圆形风管，精确穿过三角形的钢桁架。空调风管与水管穿梁处需预留孔洞，考虑到二次装修时可能出现管道位置修改，在施工图设计中要求结构专业在条件允许的情况下尽量多预留穿梁孔洞，从而为二次修改设计提供了便利。