杭州某高大空間游泳館的空調設計

周 磊，劉 輝

(1.浙江省建筑設計研究院，杭州 310006;2.浙江東南建筑設計有限公司，湖州 313000)

杭州某高大空間游泳館的空調設計

周 磊，劉 輝

(1.浙江省建筑設計研究院，杭州 310006;2.浙江東南建筑設計有限公司，湖州 313000)

文中介紹了杭州某高大空間游泳館的空調設計，重點分析了冷熱源、空調采暖系統(tǒng)、防結露和防滲透的設計計算。為減少泳池能耗，采用三集一體風冷熱泵的節(jié)能措施來平衡室內的溫濕度要求。最后進行節(jié)能措施總結，希望為以后同類型的空調設計提供參考。

高大空間;游泳館;低溫熱水地板輻射采暖系統(tǒng);熱回收;防結露和防滲透;節(jié)能

0 引 言

該游泳館項目位于杭州市臨安，建筑為坡屋頂，最高點高度為15.3 m。游泳館主要包括泳池、更衣室和淋浴室。室內泳池面積為250 m2，池水深度1.5 m。本設計的重點在于：高大空間泳池在冬季使用條件下，不僅滿足室內干球溫度28 ℃ 和相對濕度65%的要求，還要滿足防結露的要求。池水不斷蒸發(fā)，吸收池水熱量，以及為改善泳池內空氣質量進行的通風除濕都會造成大量能耗，因此，本設計還考慮了采用三集一體風冷熱泵的節(jié)能措施來平衡室內的溫濕度要求。

1 設計參數

1.1 室外設計參數

冬 季夏 季空調室外計算干球溫度-4℃空調室外計算干球溫度35．7℃空調室外計算相對濕度77%空調室外計算濕球溫度28．5℃采暖室外計算干球溫度-2℃空調室外計算相對濕度80%通風干球溫度4℃通風干球溫度33℃冬季大氣壓102090Pa夏季大氣壓100050Pa

1.2 室內設計參數

房間名稱室內溫度/℃室內相對濕度/%夏季冬季夏季冬季新風量(m3/hp)噪聲評價曲線/NR泳池302875652040泳池更衣室262065302040

冬季泳池室內在干球溫度28 ℃和相對濕度65%的設計參數下，對應的其他相關參數為：露點溫度20.81 ℃,水蒸氣分壓力2 487 Pa,濕球溫度22.84 ℃,含濕量15.47 g/kg,比焓67.60 kJ/(kg·干空氣)，密度1.16 kg/m3，飽和水蒸氣分壓力3 826 Pa。

2 冷熱源的選擇計算

夏季，僅游泳池區(qū)、更衣室及淋浴室考慮空調制冷負荷。過渡季考慮全新風運行系統(tǒng)。

冬季，游泳池區(qū)要求為恒溫26 ℃,相比一般的公共建筑熱負荷的計算要復雜，包括：泳池初次加熱耗熱量計算、泳池恒溫耗熱量計算(水面蒸發(fā)損失的熱量、管道和設備的傳導熱損失和補充水加熱負荷)和空調供暖熱負荷。

本項目對游泳館進行了逐項逐時的冷熱負荷計算，夏季空調冷負荷為60 kW；冬季空調采暖熱負荷100 kW。參考相關公式計算得到：泳池最大除濕量為70.5 kg/h，初次加熱量為210 kW(48 h), 維持加熱量為60 kW，淋浴用熱220 kW。

泳池的冷熱源選擇：冷熱源為三集一體多功能風冷熱泵(池水加熱、除濕及空氣調節(jié))，熱源為燃氣熱水器三臺(99 kW×3)。三集一體多功能風冷熱泵的工作原理：將空氣冷凝除濕的熱量首先通過熱交換器用來維持加熱池水，余熱經空氣冷凝器加熱除濕后的室內空氣和新風，不足的熱量由燃氣熱水器來輔助加熱。

3 空調采暖系統(tǒng)

由于該室內泳池凈高達11 m，屬于高大空間，所以采用旋流風口頂送頂回的全空氣空調和地板輻射采暖結合的方式。有的項目采用分層空調的形式，鑒于室內泳池的能耗主要在冬季：冬季送熱風，熱風密度小，會上浮到上部非空調區(qū)域，導致能源浪費，以及考慮到泳池防結露的特殊性，可見冬季采用分層空調并不節(jié)能[1]，氣流組織也不合理。更衣室和淋浴室采用變流量多聯機VRV系統(tǒng)，通風方式采用獨立排風和新風補風。

3.1 低溫熱水地板輻射采暖系統(tǒng)

低溫熱水地板輻射采暖系統(tǒng)的溫度分布比較均勻，熱量多集中在下部，溫度梯度小，給人以“腳暖頭涼”的舒適感，并且地板采暖50%以上的熱量是通過輻射傳送出去的，能以較小的耗熱量來達到相同的舒適條件。當然地板輻射采暖的缺點就是沒有新風和排風，特別是泳池的空氣中含氯，影響人體健康，無法滿足空氣品質需求，這就需要與全空氣空調系統(tǒng)相結合。

本項目只在泳池四周區(qū)域做地板輻射采暖系統(tǒng)，地板輻射采暖面積為 400 m2，確定地面散熱量時，應校核地表面平均溫度(公式如下)，確保其不高于《地面輻射供暖技術規(guī)程》規(guī)定的最高限值32 ℃(人短期停留區(qū))。

(1)

式中：tpj為地表面平均溫度(℃)；tn為室內計算溫度(℃)；qx為單位地面面積所需散熱量(W/m2)。

地面裝飾層均按瓷磚考慮，經過計算校核和散熱損失附加，地面設計溫度為30 ℃，采暖負荷為 32 kW。該采暖系統(tǒng)供回水溫度為55/45 ℃，設計排管間距為 25 cm。為減少盤管回路損失，使供回水溫差不致過大，連接在同一分水器、集水器上的同一管徑的各環(huán)路的長度宜接近，并不宜超過120 m；本系統(tǒng)共設2組分集水器，16個環(huán)路。地板輻射采暖管采用PB管材，規(guī)格為φ16×2.0 mm。絕熱材料采用聚苯乙烯保溫板，厚度為30 mm，密度為25 kg/m3；地板輻射采暖設計流速不小于0.25 m/s；地板輻射采暖系統(tǒng)工作壓力不大于0.8 MPa。

3.2 一次回風的全空氣空調系統(tǒng)

根據以上計算,需要空調系統(tǒng)承擔的熱負荷約為100 kW-32 kW=68 kW。由于泳池屬于濕熱的空氣環(huán)境，冬季采用全新風直流系統(tǒng)會比較浪費，就采用一次回風的全空氣空調系統(tǒng)，冷熱源為三集一體多功能風冷熱泵(池水加熱、除濕及空氣調節(jié))。

3.2.1 新風量的計算

泳池的處理過程會使池水含有大量的氯，并通過蒸發(fā)散濕到空氣中。因此，新風量不小于人員所需新風量和室內空氣中的氯氣濃度在衛(wèi)生要求范圍內所需風量(即補償排風和保持室內正壓所需的新風量)兩項中的較大值。

(1)人員所需新風量=人數×每人所需最小新風量[2]=40人×20 m3/(人·h)=800 m3/h

(2)室內空氣中的氯氣濃度在衛(wèi)生要求范圍內所需風量=游泳館體積×換氣次數=7 150 m2×0.5次/h=3 575 m3/h，考慮10%的漏風系數，排風量取4 000 m3/h。

注：娛樂性的游泳館按1 h-1的換氣次數可以滿足此要求[3]。但此處為高大空間，換氣次數取0.5 h-1。由上述計算得出，最大新風量為4 000 m3/h。

空氣處理過程為：新風由狀態(tài)點W預熱到W’，與室內空氣混合至狀態(tài)點C，再等焓加濕到機器露點L，再熱到送風狀態(tài)點O，沿熱濕比線處理到室內狀態(tài)點N。

圖1 空氣處理過程的焓濕圖

4 防結露和防滲透計算

結露和氯腐蝕是室內游泳館普遍存在的問題。結露主要發(fā)生在冬季或梅雨季節(jié)。結露可以產生在圍護結構內表面(結露), 也可以產生在圍護結構內部(滲透)，所以應校核圍護結構的傳熱系數是否滿足不結露的要求，否則應采取必要的防護措施。

4.1 圍護結構內表面結露驗算

結露的判定條件是：圍護結構的內表面溫度低于室內濕空氣的露點溫度時，空氣中的水蒸汽就凝結成水珠附著在圍護結構內表面上。熱工計算時，需要保證圍護結構內表面的溫度高于館內空氣露點溫度1～2 ℃。

根據熱量守恒方程，室內外溫差的傳熱量等于圍護結構內表面與室內空氣間的傳熱量，即：

K(tn-tw)=αn(tn-tl)

(2)

可見，防結露就是要計算圍護結構所需的最小熱阻或最大傳熱系數K。

圍護結構的最小熱阻：

(3)

式中：Ro·min為圍護結構最小傳熱阻,m2·℃/W;a為圍護結構溫差修正系數,外墻、外窗、屋面的修正系數均為1;tn為冬季室內計算溫度,℃;tw為冬季圍護結構室外計算溫度,℃;αn為圍護結構內表面換熱系數，W/( m2·℃),平整的墻、窗、屋面按8.7 W/( m2·℃)取值；Rn為圍護結構內表面換熱阻,m2·℃/W,平整的墻、窗、屋面按0.115 m2·℃/W取值;Δty為冬季室內計算溫度與保證圍護結構內表面不結露的最低溫度(按圍護結構內表面溫度高于露點溫度2 ℃計算)的差值,℃。

由上式計算得出：當tn=28 ℃，Φ=65%時，Ro·min=0.71 m2·℃/W。

當tn=28 ℃，Φ=70%時，Ro·min=0.92 m2·℃/W。

當tn=28 ℃，Φ=75%時，Ro·min=1.32 m2·℃/W。

設計建筑的熱工參數見表1。

表1 設計建筑的熱工參數

通過對相對濕度為65%、70%、75%時所需的Ro·min計算，以及建筑提供的Rn相比較，可見，(1)外窗(包括透明幕墻)的Rn不滿足要求，需要對其表面做防結露的處理，如采用雙層玻璃窗，另設旋流風口吹熱風，提高窗表面溫度[4]。(2)當tn=28 ℃，Φ=70%時，屋面和外墻也可以滿足防結露的要求，還可以節(jié)省能耗。

4.2 圍護結構內部冷凝受潮驗算

對于外側有卷材或其他密閉防水層的平屋頂結構，以及保溫層外側有密實保護層的多層墻體結構，當內側結構層為加氣混凝土和粘土磚等多孔材料時，由于采暖期間存在著由室內向室外的水蒸氣分壓力差，在圍護結構內部可能出現冷凝受潮，故應進行防潮驗算[5]。

圍護結構內部冷凝的判別條件：圍護結構內部某處的水蒸氣分壓力大于該處飽和水蒸氣分壓力，則出現水蒸氣冷凝。

游泳館外墻的熱工參數見表2。

表2 外墻傳熱系數計算(頁巖多孔磚，內保溫)

冷凝判別計算方法如下[6]：

(1)求出冷凝計算界面溫度，得出冷凝計算界面的飽和水蒸氣分壓力；

冷凝計算界面應按下式計算：

注：冷凝計算界面的位置，應取保溫層與外側密實材料層的交界處。

經過計算得出，冷凝計算界面溫度θc=9.14 ℃， 冷凝計算界面的飽和水蒸氣分壓力為1 171 Pa。

(2)求出冷凝計算界面的實際水蒸氣分壓力；

式中：Pi、Pe為內表面和外表面水蒸氣分壓力, 取室內和室外空氣的水蒸氣分壓力，Pa；H1、H2、Hm-1為各層的水蒸氣滲透阻，m2·h·Pa/g；H0為結構的總水蒸氣滲透阻，m2·h·Pa/g。

計算得出該界面的實際水蒸氣分壓力為2 360 Pa >1 171 Pa，可見圍護結構內部會出現冷凝，必須設置隔汽層，并嚴格控制保溫層的施工濕度。(Pi=2 487 Pa,Pe=324 Pa)

5 結束語

(1)空調系統(tǒng)的冷熱源采用三集一體多功能風冷熱泵(池水加熱、除濕及空氣調節(jié))，實現回收熱量和除濕的功能。

(2)冬季空調采暖形式，高大空間泳池采用低溫地板輻射采暖系統(tǒng)和一次回風的全空氣空調系統(tǒng)相結合的方式，不僅優(yōu)化氣流組織環(huán)境，還可降低室內設計溫度1～2 ℃，減少能耗。

(3)在給定室外計算溫度和室內設計溫度的前提下，通過防結露計算，選擇合適的相對濕度，避免保守的相對濕度設計，降低能耗。

[1] 中華人民共和國建設部.公共建筑節(jié)能設計標準GB50189-2005[M]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2005.

[2] 北京市建筑設計研究院.JGJ31—2003體育建筑設計規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2003.

[3] 夏旭輝.塔里木油田生活基地游泳館暖通空調設計[J]．暖通空調， 2009，39( 6):91-94，128.

[4] 魏文宇, 劉 飛, 何海亮, 等. 大型游泳館空調設計應注意的幾個問題[J]. 暖通空調, 2001, 31(3):54-55.

[5] 中華人民共和國建設部.民用建筑熱工設計規(guī)范(GB50176-93)[S].北京:中國計劃出版社,1993.

[6] 夏中亮,等．社區(qū)休閑游泳館冬季防結露設計分析[J]．河南建材，2011(3):43-44，46.

The HVAC Design of the Swimming Pool for the Large Space Building in Hangzhou

ZHOU Lei, LIU Hui

(1. Zhejiang Province Institute of Architectural Design and Research, Hangzhou 310006, China;2. Zhejiang Southeast Architectural Design Co., Ltd, Huzhou 313000, Zhejiang Province, China)

This paper introduces the HVAC design of the swimming pool for the large space building in Hangzhou, analyses emphatically the designing calculation of hot and cold source selection, air-conditioning&heating systems, anti-condensation and anti-infiltration. In order to reduce the energy of the swimming pool, the energy-saving measure of three-in-one air-source heat pump was used to meet the requirements of indoor emperature & humidity. Finally，sums up the energy-saving measure to provide a reference for the same design.

The large space building;The swimming pool; Floor heating system of low-temperature radiation; Heat recovery; Anti-condensation and anti-infiltration; Energy-saving

2015-05-11

2015-05-25

周磊(1981-)，男，同濟大學工學碩士，暖通工程師。

10.3969/j.issn.1009-3230.2015.06.008

TU831.3.5

B

1009-3230(2015)06-0036-05