超高层建筑机电系统与节能设计

超高层建筑特点：体型巨大；功能复杂；容纳人员众多；投资十分庞大；运行维护费用大。

超高层建筑机电系统存在的问题：

超高层建筑设计已有十余年经历，至今还是选用高层建筑各类规范，有设计师自行深化并处理超高层建筑的特殊问题。在负荷计算和性能化设计等方面，超高层建筑的因素尚未在设计中做多考虑。

暖通：

暖通系统主要难点：

负荷计算方面：随着建筑高度升高，大气透明度、太阳辐射强度亦增大，室外风速随着建筑高度递增，围护结构外表面放热系数加大；

随着建筑高度增加，空调水路系统设备及管件承压要求提高，须经过梯级板换方式把冷热水送至最高层；

性能化设计方面：随着建筑高度升高、层数增加导致疏散困难，对防排烟措施要求高，且建筑本身由于热压造成的烟囱作用加大，对空调通风、换气、排烟效果有影响。

经济性：不仅要考虑初期投资、运行费用以及设备的使用寿命，还要合理配置空调主机容量，选择合理的冷热源系统和设备管道配置。

合理性：是否符合项目定位，是否便于安装施工，是否利于维护管理。

水系统分区决定因素：

由设备和管道的承压能力决定：

冷冻机的承压：1.0~1.2MPa；板换的承压：1.6~3.0MPa；水泵壳体的承压：1.0~2.5MPa；空调机组承压：1.0~1.6MPa；管道及阀门的承压：1.6~2.5MPa

需结合建筑实际情况经技术经济比较后确定 ，板换级数增加则导致冷源效率降低；板换级数少则设备承压要求提高。

建筑高度＜200m：分两个区。

主机承压不超过1.0MPa为宜，尽量不采用加强型，以到达节省初投资的目的。

低区为一次水系统；高区用板交换热分区，板交应置于合理的设备层。

建筑高度200~300m：

方法一：如建筑上部有独立功能段，可将上部做独立冷热空调系统，如风冷热泵、水环热泵或直接蒸发型机组，如VRV、多联机等。

方法二：采用高、中、低三区。低区尽可能承压符合主机普通性承压。高、中区换热器并联，置于同一技术层。

建筑高度＞300m：可采用多种冷热的分段独立空调系统。

系统工作压力：P=P _xj +P _sj

P _xj — 系统静水压力；

P _sj — 水泵静水压力；

空调水系统需从经济和技术层面去权衡空调水系统的承压问题。

水系统分区不合理：

将导致：

末端设备承压要求过高，导致换热器面板和管壁加厚过多，传热效率下降，同时设备承压能力提高了，造价亦随之提高；

分区过多，从冷源供出的冷水经多级板式换热器后效率将降低，同时末端装置 的换热面积则需要加大20%。

水系统分区空调水温的选用：

板交一、二次水温差宜为冷水1℃~1.2℃，热水2℃~3℃。

方案一：一次水供回水温度为7℃~12℃；二次水供回水温度8℃~13℃。

优点：主机能效不变。

缺点：高区末端、PAU、AHU去湿与常规有异，能效降低，换热面积会加大20%。

方案二：一次水供回水温度为6℃~11℃；二次水供回水温度7℃~12℃。

优点：末端能效不变；

缺点：主机能效降低约20%。

超高层建筑中的内外区空调系统：

房间进深超过≥8m，须将建筑划分成内外区。一般外区进深取≥4m。

外区空调冷（热）负荷是随气象变化的建筑围护冷（热）负荷及相对固定的室内负荷，而且往往是前者为主。所以该区空调是随季节而变的冷暖型空调。但若功能差异很大，部分房间室内散热为主，这样会出现外区不同房间出现同时需供冷、供热的需求。

内区则以室内固定散热为主（新风另论）。空调是全年供冷。

外区冷暖双管加内区单冷型双管。空调末端是常规单盘管，节省投资。

高档酒店之类建筑，客房空调负荷中有个性化需求，所以必须采用标准四管制空调水系统。

当冬季外区供冷，同时内区供热，内区的设定温度宜高于外区，形成良性混流，以此达到节能及节省投资的目的。

烟囱效应：

尽量减少建筑烟囱效应和在地面和建筑下面1/3处的室外空气入侵：

把室外空气直接到送到最高的电梯井道的顶部；

把室外空气直接到最高的电梯井道的顶部的电梯机房。

超过200米高的塔楼的保持正压的电梯机房安装通往室外的电动泄压阀门，冬天为100pa左右，夏天为75Pa左右。

给排水：

给水方式的选择：

宜根据建筑功能和有否集中热水供应确定；通常宾馆类，有淋浴的，采用高位水箱重力供水。

办公类，可采用变频泵供水方式。

变频供水方式：

应采用放置水表倒转措施，≥1.0MPa水泵出口压力须有放置水锤的安全措施。

给水系统的划分：应根据物业管理要求。

例如酒店类，通常需单独管理，设备、管线需相对独立设置。

给水竖向分区：

应考虑卫生洁具承压能力，一般为0.45MPa，最大不超过0.55MPa。

需注意采用减压阀分区时，须考虑减压阀失效引起的最大压力。

Sovent 排水设计—通过使用卫生间的专用配件，可取消大量的通气管，从而卫生间主下水立管不需要通气管。减少了管材的数量，节省了资源和人工成本。每间卫生间大约可节约400元加币的投资成本，而且效果比传统的方式更好。

20 多年来，将近99%的Las Vegas的高层建筑都是用这个系统。

2010 年，San Diego和California已经正式把sovent编制进了当地的规范。

川普大厦：

注意事项：

避难层机房要考虑排水和水箱溢流措施，且设备布置要考虑上、下两层隔音、卫生、防水等要求。

冷却塔设置位置应考虑环保、冷效和建筑立面需求与消防及日常操作管理要求。

排水管材选型和连接方式应考虑抗震、位移问题。

电气：

电气系统难点：

建筑中需要使用的配套设备相应增多，如给排水系统（生活水泵等）、交通系统（电梯设备等），通风和空调系统（送/排设备、制冷/热设备等）、弱电系统（网络设备等）和消防系统（防排烟设备、消火栓等消防水设备、应急照明等消防应急照明设备）等。

超高层建筑一方面由于用电设备多，品种也多，所以供电的可靠性和安全性要求也相应要提高，特别是消防和应急系统中的设备；另一方面，由于用电量大，也对节省能源方面提出了更高要求。节约用电量的设计，应综合考虑技术、安全、和经济等多种因数。

在超高层建筑中，由于在结构上大量采用了大柱距，形成大空间，因而地面和空中的设备通道就会相应增多。

应时刻掌握有关规范的变化情况。如：《火灾自动报警系统设计规范》新版本中就修改了很多内容，有些规定甚至变成了黑体字。同时还出现了许多新内容。如：3.1.6、3.1.7、3.4.1、3.4.6、4.1.1、4.1.3、4.1.4、4.1.6、4.8.1、4.8.4、4.8.5、4.8.12、6.5.2等。其中3.1.7就是针对超高层建筑的

3.1.7 高度超过100m的建筑中，除消防控制室内设置的控制器外，每台控制器直接控制的火灾探测器、手动报警按钮和模块等设备不应跨越避难层。

符合负荷等级要求：

超高层是一类高层建筑的高端建筑。因此，超高层建筑中的消防控制室、火灾自动报警及联动控制装置、火灾应急照明及疏散指示标志、防烟及排烟设施、自动灭火系统、消防水泵、消防电梯及其排水泵、电动的防火卷帘等消防用电和其它部分用电应该作为一级负荷中的特别重要负荷。

超高层建筑负荷密度与建筑功能、面积和环境等多种因素有关。据有关统计资料显示，目前一般考虑在80 ? 120W/m ² 之间选择。

安全的避雷系统：

由于超高层建筑高度较高，所以遭到雷击的概率大，因此，必须切实做好防雷接地设计。避雷系统应考虑预防直击雷，感应雷和高电位入侵。

在屋面设避雷网，将柱内主钢筋作为避雷引下线引入地下，建筑物基础应作为共用接地装置；

特定场所设计安装专业的避雷装置；

对弱电机房、消防控制室等场所设LEB板，并用专用接地线引至共用接地装置；

楼内所有电气设备不带电的外露导电体等均应与PE保护接地线连接；

室外高出屋面的金属栏杆、各层金属窗等都要与防雷接地体连接。从而有效避免自然雷击，以保护整个建筑物的安全。

防雷等级按二类防雷建筑设计。

电子信息系统防雷击电磁脉冲防护等级宜按A级设计。

当屋顶设有直升机停机坪时，应避免避雷针对直升机的影响。

照明和电力系统：

应设置航空障碍灯，并应符合相应规定。

屋顶直升机停机坪（如有）的照明应符合相应规定。

应设置消防应急照明和疏散指示系统。

合理的供配电系统：

超高层建筑的供配电系统设计应整体考虑，其中至少需要两路（组）互相独立的市电电源，另外还需一路（组）由应急柴油发电机组提供的应急电源（备用电源）。必须满足当一路电源故障时，另一个电源不会同时受到破坏的要求。

超高层建筑的市电电源应采用专线，由供电公司区域站放射式引来。电源电压等级一般为10(20)kV、35kV，少数为110kV。

超高层建筑应设应急柴油发电机作为应急电源（备用电源）。设置在超高层建筑内的应急柴油发电机应根据负荷大小、供电半径等因素确定应急柴油发电机的额定输出电压。

应急柴油发电机的负荷率宜为75%，以实现经济运行。

市电与应急柴油发电机转换用的ATSE建议采用PC级、4极、三位式的ATSE，ATSE与其之前的短路保护电器应有可靠的配合。

应急柴油发动机几种电压等级比较

应急柴油发动机几种冷却方式比较

高压供配电系统：

超高层建筑的高压供配电系统宜采用主变配电所—分变配电所结构，主配变电所应采用单母线分段的主接线形式放射式引至分变配电所。

高压系统的配电级数不宜多于两级。

除当地供电部门另有规定，一般将10（20、35）kV电压等级直降到0.4kV。

低压配电系统：

配电方式：低压配电系统宜采用三级配电方式。三级配电相互之间的保护开关动作应具有选择性。

系统类型：单母线分段+应急母线。

超高层建筑中消防设备供电干线及分支干线应采用矿物绝缘耐火电缆。

配电线路布线系统应注意以下几点：

超高层建筑高压宜设置独立的竖井。

可分设普通桥架与应急桥架。应急桥架内设隔板，使双电源的两根电缆分设两侧。

变配电所选址：应满足相应的规范。

应设置在负荷中心，主变配电所宜设在地下一层或首层。

分变配电所设在避难层或顶层，其变压器容量不宜超过1250kVA。

合理布置电缆线路：

通过采用合理选择电缆和导线截面、不反向输送电能等措施以减少线路上的能耗损失。另外，应合理规划线路的走向，使线路的距离能最短，以达到既降低成本又节约电能的目的。

消防系统：

压缩空气供应：

消防员空气供应-911时间之后，纽约消防部门添加一项要求所有130米以上的塔楼空气供应管。其目的是：

消防员不需要携带从救火车向着火层所需要的全部呼吸器具瓶。

允许他们在每5楼可以充加他们空的呼吸器具瓶子。

此管包括 12 到25 毫米不锈钢标准316 管，可在达6,000 psi (大约41MPa) 的工作压力下工作。每个高层火灾报警消防卡车都有6,000 psi 的空气压缩机。空气压缩机连接到立管上，然后打到到位于每5层的充气站。

案列—香格里拉大酒店：

消防给水系统：

超高层建筑消防设计应根据规模、高度、功能和建筑周期等要求，除满足一般高层建筑相关规定，还需考虑如下内容：

建筑总面积>50万平方米（江苏省>40万平方米），应按二次火灾所需消防水量和设备设计。

地下消防水池和泵房应有防淹措施，其消防泵房地面标高距室外地面不宜超过10米。其位置不宜在地下室最底层。

建筑高度>200米，宜采用高位水箱重力系统，其容积需结合结构抗震要求，合理确定，通常不少于200立方米。

采用临高消防系统，七高位水箱容积不少于36立方米，中间转输水箱容积不少于100立方米。

分期开发项目，其消防设备系统应满足建筑单位分阶段投入使用要求。

消防系统竖向分区最大不超过1.2MPa，消防管道承压能力最大不超过2.4MPa。

消防设计水量，一次火灾时，室内消火栓和喷淋系统均不小于40L/s，室外消火栓系统不低于30L/s。

通过转输水箱串联供水时，消火栓和喷淋系统转输泵宜合并，采用三台二用一备方式，转输干管管径为二根DN200。

水泵接合器可借用转输管或消防泵出水管至相应消防系统。

超过200米建筑，宜在消防电梯前室增设泡沫专用管（50米以上楼层，每层设接口），供城市消防车输送泡沫液灭火。

防烟系统：

当发生火灾时，为了保证人员的安全疏散，对疏散楼梯间和消防电梯井以及高度超过100米的电梯井进行机械加压送风，使该部分保持正压防止烟气侵入。并与建筑的避难计划相匹配。

避难区的加压风机与其换气送风机兼用。

建筑排烟应分段计算并分段设置排烟系统。

补风口和排烟口距离大于5米。

消防应急系统：因为消防系统需要充分考虑火灾的预防及处理措施，所以，对整个消防应急系统的供电必须做到安全、可靠和完善。因而，消防应急供电系统首先必须是一个完全独立的系统；其次，高、低压配电系统应能灵活设置，以满足不同区域消防用电的要求。

消防报警系统：高大空间感烟感温探测器无法保护时，可在不同高度分别设置红外光束感烟探测器，满足设置规范要求。

在需要进行火灾早期探测的关键场所，宜采用吸气式烟雾探测火灾报警系统。

消防系统应选择控制中心报警系统。根据超高层建筑的使用功能不同，设置分控中心。报警信号或联动信号在控制中心和分控中心显示。

绿色节能：

区域能源规划(DEU 或DES)—主要用于大型的建筑群，把废热从需制冷的区域转移到需要加热的区域。例如，布伦特伍德镇中心商业几乎总是有冷负荷。废热用于生活热水。

变电所废热利用—通过水—空气热泵置换为生活热水供应系统或建筑供暖系统。

污水余热回收—利用加拿大技术提高改善来自中国的技术，使其成为一个低能耗、低维护成本的成本。

节能措施：

收集雨水、空调冷凝水、较清洁废水，进行处理，用作绿化、景观补水和冲厕。

提高冷却塔效率，减少溧水率，降低补水量。

热水系统确保使用点温度，龙头打开，3~5秒出热水，减少冷水耗量。

选用节水器具和优质管道，确保管道承压能力，防止水箱溢流。

选用节能型水泵，是水泵实行运行效率处于高效段，降低电耗。

利用建筑物高差，重力供给中水。

例如：一幢超高层综合楼，顶层为酒店、公寓，中区为办公，下区为商业。可收集顶区洗涤废水，在避难层进行处理，达标后用于中区及下区冲厕。

热水设备尽量靠近用水点，减少管道热损失，减低能耗。

应采用合理的变配电系统，并通过选用节能的变压器、光源和照明灯具等节能设备，采用无功功率补偿、谐波治理和能源监控系统等先进技术，以减少电能损耗，节约用电。照明光源和灯具选择时应从发光效率高、显色性好、使用寿命长、启动可靠、方便快捷、性能价格比高等方面选择。按不同的工作场所，选择相应的高效光源，以降低电能消耗，节约能源。

对于办公室区域尤其是会议室采用动静探测器。办公区域在非工作时间，在人员离开办公室30分钟后自动关闭照明灯具（因安全因素考虑而保留的灯除外）；会议室在人员离开办公室30分钟后自动关闭照明灯具（因安全因素考虑而保留的灯除外）。同时所有的照明开关设计位置可以看见所有被控制的照明灯具以方便人员进行不同区域的照明控制达到节能的目的。

室外道路照明根据不同季节采用开启时间和光电自动控制以达到节能的目的。

核心筒：

核心筒占标准层总面积的比例，通常情况下为25%，当核心筒占比例达到28%以上时，则表明有效使用面积在降低，其结构是不经济的。

解决的方法主要由以下二方面着手：

电梯系统；疏散系统；

两台消防电梯与疏散楼梯合用一个前室，可减省4.0㎡。

电梯系统：

提高电梯的运行速度，加大载重量；

采用双层桥厢系统，减少井道空间；

采用区中区系统。

双层桥厢系统：

采用双层桥厢电梯，停靠站数省一半，缩短运行进间，与单桥厢相比，在相同时间内多运输75%人，另外可减少井道空间25%。

一般的超高层建筑采用双层电梯在 50 层以内，效力明显。

区中区系统：

超高层建筑超过50层，采用双层桥厢系统，其上下运行的时间会增长，效力会降低。所以对超过50层的楼层，对超过部分采用区中区系统以提高效率。

智能化：

室内环境监测系统：

对于大楼办公室内重要空气质量指标PM2.5进行现场检测、发布，同时可实现与空气处理设备联动，有效改善室内的空气质量，给大家一个洁净的工作环境。

可实现对整个建筑的空气质量信息进行采集管理；作为整个建筑的空气质量管理中心，可实现对各个末端的集中管理。

节能控制：

会议室门前安装RFID读写器，实时感应RFID标签。

在会议开始前5分钟，会议室内的灯光会自动打开。

会议开始时，将会通过安装在门口的RFID天线。

对与会人员的RFID卡识别，确认与会人数来控制空调和灯光，调节温度和灯光亮度。

会议结束时间到，自动关闭电器等设备。关闭前提醒，可续时。

通过采用先进的自控技术对设备进行整体管理，并对耗能进行检测。

通过VFD技术，对设备按其实际使用情况进行调节，以到达能效比最优化。

抗震部分：

设备、管线等的固定，应具有足够的刚度和承载力。

应防止设备的侧翻和移动。

本文来源于互联网，作者不详。暖通南社整理编辑于2019年6月29日。