高层建筑暖通空调设计方法浅探

高层建筑暖通空调设计方法浅探

吴 林

中建三局一公司建筑设计院 湖北 430000

摘 要：在当前我国高层建筑业发展过程中，随着环保意识的增强，对高层建筑节能环保属性、暖通空调系统运行质量提出了更高的要求。因此，本文注意就高层建筑暖通空调设计原则及其方法展开探讨。

关键词：高层建筑; 暖通空调; 设计原则; 方法

1 高层建筑暖通空调设计原则

1.1 循环利用

在高层建筑暖通空调设计环节，为控制施工成本、减少材料消耗量，必须遵循循环利用原则，在保证施工质量达标、满足技术标准的前提下，尽可能使用各类由废弃材料二次加工形成的，或具备回收利用价值的绿色材料。因此，在开展返工作业，或材料破损时，可以将所产生的废料进行二次加工，从根源上减少高层建筑废弃物产生总量、控制施工材料的实际用量。

1.2 经济适用

设计人员必须遵循经济适用原则，在制订高层建筑暖通空调设计方案时，应以降低系统施工成本、运行能耗，减少材料消耗量为主要目的，采取合理的设计措施。例如，可选择在高层建筑墙体结构中额外铺设一层新型保温材料，这虽然会提高高层建筑工程的前期建设成本，但是可以改善高层建筑热工性能，从而在客观层面上降低高层建筑暖通空调系统的运行负荷、能耗，进而起到降低高层建筑总体使用成本的设计效果。

1.3 节约原则

在制订高层建筑暖通空调设计方案时，应遵循节约原则，在保证暖通空调系统质量达标、稳定运行的同时，尽量减少各类施工材料、设备配件的使用量，以及降低系统的实际运行负荷、电能消耗量。为实现这一目标，需要设计人员综合分析已知工程信息，从暖通空调系统中的制冷子系统、水泵、风机等角度着手。但是，节省设计原则并非指节省个别部件、材料，而是要求设计人员从全局统筹角度出发，对高层建筑暖通空调系统进行整体优化设计。

2 高层建筑暖通空调设计方法

2.1 可再生能源利用设计

(1）地源热泵技术。这项技术的主要原理为将高层建筑周边地层中所分布的地热资源作为主要供热、制冷能源。在高层建筑暖通空调系统运行过程中，仅需输入一定的高品位电力能源，系统即可将热泵所采集地热资源转换为高温热源，从而起到高层建筑暖通供热效果。即使是在炎热的夏季，系统也可以持续提取高层建筑室内空间所释放的热量，完成冷系统、余热系统之间的功能性转换操作，将多余热量向高层建筑周边地层中释放，起到控制地层温度均衡的作用。根据地源热能采集方式，可以将地源热泵系统细分为地埋管地源热泵、地下水地源热泵、地表水地源热泵。此外，在采取地源热泵技术时，设计人员可选择构建配套的温度调节系统，根据用户需求控制所转换高温热源的具体温度，确保可以满足用户个性化使用需求。同时，采取防漏保护措施可以避免地源热泵系统在长期运行过程中出现泄露安全事故。在我国北方区域，由于气温温度较低，地源热泵系统很难从地层中采集到充足的地热资源，因此应额外设置辅助供热设备。

(2）太阳能发电技术。这项技术的原理是在高层建筑屋顶等区域放置若干数量的太阳能发电板，当发电板吸收太阳光时，由于半导体或金属材料存在温差，因此可以持续将太阳能转换为热能，再转换为电能，进而向高层建筑暖通空调系统供电。与其他发电技术相比，太阳能发电技术具有可以储备多余电能、使用成本低廉、适用范围广、节能环保、能源蕴藏丰富等优势。设计人员利用太阳能发电技术时，需要考虑以下问题：(1)光伏发电系统运行稳定性较差，受到气候条件影响，电压时常出现剧烈波动现象，故对运维管理水平提出了较高的要求；(2)受到制造工艺限制，当前常用的单晶硅太阳能电池板的使用寿命较短，且废弃电池板会对生态环境造成污染破坏，故太阳能发电系统的前期建设成本高；(3)部分地区的年发电时数较低、总体发电量较小，并不适宜采取这项技术。

2.2 自然通风设计

(1）风压通风。在采取风压通风方式时，综合分析高层建筑结构，如高层建筑物朝向、各功能区域分布格局、高层建筑周边区域气候条件等，采取各项设计措施，减小自然风吹入高层建筑室内空间时所承受的空气阻力。例如，适当增加高层建筑门窗构件的开口面积，尽量将门窗保持在统一水平线上，安装百叶窗等具有空气加速效果的窗体。

(2）热压通风。热压通风方式是根据高层建筑室内、室外环境温度差与压力差，起到引导空气流动、持续交换冷空气与室内浊气的作用。因此，为取得理想的自然通风效果，在高层建筑结构设计环节，应尽量采取竖向空腔设计方式，保证室内浊气可以通过高层建筑顶部向外排放，并在高层建筑底部持续流入室外冷空气。同时，在高层建筑顶部区域设置开口，起到调节通风效果、控制进风量的作用。

2.3 冰蓄冷系统优化设计

与传统冷系统相比，冰蓄冷系统具有运行能耗低、可以在低能耗运行状态下低温送风、蓄冷量大等优势。例如，在冰蓄冷系统运行过程中，由于蓄冷池容积较小，在客观层面上起到了减小热损失的作用。当所储存冷水温度保持在2～3℃时，也可开展低温送风操作，在满足高层建筑暖通空调系统运行需求的同时，降低风机运行能耗。

2.4 提高绿色材料及技术应用力度

在传统高层建筑施工模式中，一些施工材料的性能较差，具有有害性特征，不但会对周边生态环境造成污染破坏，在暖通空调系统出现运行故障问题后，还会泄露有毒气体，对业主身体健康造成严重威胁，例如氯氟烃制冷剂。因此，在制订高层建筑暖通空调设计方案时，设计人员应适当提高各类绿色施工材料的使用比例，逐渐取代具有有毒性与污染性特征的传统施工材料。

2.5 改善高层建筑热工性能

现阶段，在部分高层建筑工程中，由于高层建筑结构的热工性能较差，在暖通空调系统运行过程中，高层建筑室内空间的部分热量持续泄露至室外环境中，很难营造恒温室内环境，客观层面上加大了高层建筑暖通空调系统的运行负荷、增加了运行总时长。例如，高层建筑室内环境中的热量持续通过高层建筑围护结构、门窗构件与墙体间隙、管道出入口向外传递。因此，设计人员在制订高层建筑暖通空调设计方案时，应重点对高层建筑热工性能加以改善，通过强化高层建筑保温性能来降低暖通空调系统的运行能耗、缩短运行时长。为实现这一目的，首先，可以提高绿色施工材料的使用比例。例如，可选择在高层建筑墙体结构中铺设一层新型墙体保温材料，以此强化高层建筑墙体保温隔热性能。其次，对门窗构件与高层建筑墙体结构的间隙进行密封处理，如在间隙内填充发泡胶。再次，优先安装具有良好保温、气密性能的窗体，如双层真空玻璃，在玻璃中间设置一处没有空气的空间，起到保温隔热作用。最后，对管道出入口进行密封处理。例如，在管道与套管间隔区域填充密封材料。

2.6 采用变频调速技术

在传统高层建筑暖通空调系统中，采取的调速方式比较落后，系统运行能耗较高，需要持续消耗大量电能完成调速操作，且水泵、风柜等设备之间不匹配，系统在长期运行过程中容易发生故障。因此，设计人员可选择采取变频调速技术，在高层建筑暖通空调系统中安装变频调速电机。如此，在系统运行过程中，无需设定固定不变的运行负荷，变频调速机可以根据系统实时运行情况、用户使用需求来调节风机、水泵等设备的运行转速，从而起到调控暖通空调运行负荷、控制送风量以及水泵循环流量的作用。最终，可以将高层建筑暖通空调系统的实际运行能耗控制在较低程度。

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