獨墅湖體育館主賽場場館空調(diào)系統(tǒng)改造設(shè)計及分析

張 勇， 姜肇鋒， 劉成興， 印偉偉， 湯愛奇

（中衡設(shè)計集團(tuán)股份有限公司，江蘇 蘇州 215021）

0 引言

蘇州獨墅湖體育發(fā)展中心位于蘇州獨墅湖科教創(chuàng)新區(qū)內(nèi)，其作為蘇州市重要的體育場館，自2006年竣工投入使用以來，承辦了國際男籃挑戰(zhàn)賽等各種國際國內(nèi)大型賽事。獨墅湖東主體建筑一層為展廳、商店等用房，二層至四層(標(biāo)高5.50m至標(biāo)高27.0m)為體育館部分。體育館內(nèi)層高21.5m，場館內(nèi)分為比賽區(qū)和觀眾區(qū)，體育館東、西、北三面均設(shè)有移動座椅，南面為主席臺及VIP觀眾席區(qū)。

獨墅湖東主體體育館內(nèi)采用2臺1163kW直燃型溴化鋰機組進(jìn)行制冷和供熱，同時場館內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)采用全空氣系統(tǒng)，分別在二層和三層?xùn)|南角和西北角合計設(shè)置4處空調(diào)機房。二層每個機房內(nèi)布置40000CMH和50000CMH組合式空調(diào)處理箱各一臺；三層每個機房內(nèi)布置50000CMH組合式空調(diào)處理箱各一臺（如圖1所示）。

體育館比賽區(qū)域空調(diào)系統(tǒng)氣流組織為館內(nèi)空氣經(jīng)二層?xùn)|西兩側(cè)標(biāo)高6.5m處低位均勻分散設(shè)置的百葉風(fēng)口分別回風(fēng)至二層兩個空調(diào)機房內(nèi)與新風(fēng)混合經(jīng)空調(diào)箱處理后，送至館內(nèi)標(biāo)高18.2m處東西兩側(cè)高位噴口噴射至比賽場地區(qū)域。體育館觀眾區(qū)域空調(diào)系統(tǒng)氣流組織設(shè)計為館內(nèi)空氣經(jīng)二層南北兩側(cè)標(biāo)高6.5m處低位均勻分散設(shè)置的百葉風(fēng)口和東南西北四側(cè)標(biāo)高18.2m處高位均勻分散設(shè)置的百葉風(fēng)口同時從場館高位和低位回風(fēng)至兩處豎向回風(fēng)干管，再同時與二層和三層空調(diào)機房內(nèi)空調(diào)箱回風(fēng)風(fēng)管連接，回風(fēng)與新風(fēng)混合經(jīng)空調(diào)箱處理后送至觀眾區(qū)座椅下部土建腔體(送風(fēng)土建靜壓箱)，再由均勻布置的固定座椅專用旋流風(fēng)口經(jīng)階梯側(cè)面送出。場館內(nèi)標(biāo)高6.5m處的低位回風(fēng)百葉設(shè)置于活動座椅儲藏室內(nèi)(前排固定座椅下方)。

隨著場館使用時間的延續(xù)，用于獨墅湖東主體建筑的2臺1163kW直燃型溴化鋰機組已經(jīng)使用十年左右，機組性能急劇衰減、效率大幅降低，加之原有空調(diào)送回風(fēng)管路損毀、土建送風(fēng)靜壓箱熱惰性等原因，獨墅湖東主體建筑空調(diào)系統(tǒng)已無法滿足正常運行時的空調(diào)需求。

圖1 原設(shè)計空調(diào)送回風(fēng)系統(tǒng)示意圖Fig.1 The original air conditioning distribution system schematic diagram

1 空調(diào)系統(tǒng)改造方案設(shè)計

項目改造方案從更換空調(diào)冷熱源主機、修復(fù)及優(yōu)化送風(fēng)管路兩個方面來進(jìn)行，具體如下：

1.1 空調(diào)冷熱源主機

體育場館空調(diào)部分負(fù)荷工況時常占比較大，結(jié)合場館分區(qū)控制運行的思想，選用直流變頻驅(qū)動技術(shù)、高效換熱器技術(shù)、過冷器技術(shù)、基于工業(yè)微機的智能喘振技術(shù)以及磁懸浮無油運轉(zhuǎn)技術(shù)的先進(jìn)高效節(jié)能的磁懸浮離心機組，其在部分負(fù)荷工況下，可以實現(xiàn)負(fù)荷在5%～100%范圍內(nèi)智能無級調(diào)節(jié)，IPLV值在10.5左右遠(yuǎn)高于等同工況下的常規(guī)離心機組(IPLV為7.5)。同時磁懸浮離心機組無潤滑油系統(tǒng)，運行維護(hù)要求低，智能控制程度高。

結(jié)合場館特點，經(jīng)過空調(diào)負(fù)荷校核計算，改造設(shè)計中選用1臺1500kW磁懸浮離心機組和2臺580kW燃?xì)鉄崴仩t替代原直燃型溴化鋰機組。原有直燃型溴化鋰機組暫時先并入系統(tǒng)作為備用冷熱源。

1.2 優(yōu)化送、回風(fēng)管路

現(xiàn)有空調(diào)送回風(fēng)系統(tǒng)經(jīng)過幾年的運行，經(jīng)過檢查發(fā)現(xiàn)其存在如下問題：1）固定座椅下部土建靜壓箱為混凝土結(jié)構(gòu)，未采取任何保溫措施，將其作為送風(fēng)口，由于靜壓箱的蓄熱導(dǎo)致送風(fēng)溫度偏高；2）部分送風(fēng)管路嚴(yán)重?fù)p壞，影響系統(tǒng)送風(fēng)。

針對以上問題，結(jié)合工程實施難度，特提出如下修復(fù)及優(yōu)化送、回風(fēng)管路方案：

將觀眾區(qū)域原座椅風(fēng)口改用作回風(fēng)，則土建腔體由送風(fēng)靜壓箱功能轉(zhuǎn)變?yōu)榛仫L(fēng)靜壓箱功能。將體育館內(nèi)6.5m標(biāo)高處低位百葉風(fēng)口和18.2m標(biāo)高處高位百葉風(fēng)口由回風(fēng)功能轉(zhuǎn)變?yōu)樗惋L(fēng)功能。場館內(nèi)18.2m標(biāo)高處原東、西兩側(cè)高位球噴送風(fēng)系統(tǒng)保留不變；將南北兩側(cè)原高位回風(fēng)支路改造，原百葉風(fēng)口改為球噴送風(fēng)；6.5m標(biāo)高處原東、西兩側(cè)高位回風(fēng)支路不變，以利用原百葉風(fēng)口實現(xiàn)高位觀眾區(qū)域的空調(diào)送風(fēng)。

將改造前后的氣流組織形式制表對比，見表1。

表1 改造前后氣流組織對比Tab.1 Comparison table of airflow before and after retrofit

1.3 分區(qū)域獨立運行

原系統(tǒng)中通過豎向干管將低位和高位管路系統(tǒng)連接在一起，運行時賽場區(qū)域、低位觀眾席區(qū)域和高位觀眾席區(qū)域都需要打開。在某些小規(guī)?；顒又校瑑H賽場區(qū)域及低區(qū)觀眾席區(qū)域需要空調(diào)，全部打開造成能源浪費。

改造設(shè)計中豎向干管在中間斷開，二層機房空調(diào)處理箱與低位送風(fēng)連接，三層機房空調(diào)處理箱與高位送風(fēng)連接，將低位送風(fēng)和高位送風(fēng)系統(tǒng)分開。實現(xiàn)場館內(nèi)比賽區(qū)域、低位觀眾席區(qū)域和高位觀眾席區(qū)域的空調(diào)系統(tǒng)分區(qū)獨立控制運行,具體改造后系統(tǒng)流程如圖2所示。

通過以上改造，實現(xiàn)體育館分區(qū)域獨立運行的目的，這對于體育館承辦一些小規(guī)?；顒拥葍H使用賽場區(qū)域及低區(qū)觀眾席區(qū)域的情況節(jié)能收益較大，實現(xiàn)了節(jié)能運行。

圖2 改造后空調(diào)送回風(fēng)系統(tǒng)示意圖Fig.2 The retrofitted air conditioning distribution system schematic diagram

2 改造方案氣流組織CFD模擬驗證

針對該改造工程，為確保體育館內(nèi)溫度場、速度場滿足舒適度要求和比賽場地的風(fēng)速要求，結(jié)合現(xiàn)有文獻(xiàn)[1-2]，在改造前采用Airpak 3.0軟件對體育館的空調(diào)送風(fēng)氣流組織進(jìn)行CFD模擬。

以體育館為建模主體，根據(jù)設(shè)計和現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)確定送回風(fēng)口風(fēng)速、溫度、風(fēng)量及風(fēng)口擴(kuò)散系數(shù)，場館燈光發(fā)熱量和人員發(fā)熱量以點熱源代替(合理簡化)。對空氣采用boussinesq假設(shè)，計算采用標(biāo)準(zhǔn)K-ε模型、simple計算方法進(jìn)行模擬，并給出了X方向和Y方向的典型平面溫度場和速度場分布：

從圖3和圖4(相對標(biāo)高1.6m高度平面溫度場、速度場分布)中可以看出，場館中心區(qū)域溫度為21～24℃，風(fēng)速為0.5～1.0m/s，出風(fēng)口區(qū)域溫度為20～21℃，風(fēng)速為1.5～4.0m/s，場館周邊區(qū)域溫度為23～25℃，風(fēng)速小于0.8m/s。因此該改造方案在典型X平面內(nèi)基本滿足體育場空調(diào)需求。

圖3 體育館1.6m高度溫度場分布Fig.3 Temperature field distribution at 1.6m height in the gymnasium

圖4 體育館1.6m高度速度場分布Fig.4 Velocity field distribution at 1.6m height in the gymnasium

高位設(shè)置球形噴口(13m/s、17℃)和下送風(fēng)口(4m/s、17℃)，為檢驗改造后座椅回風(fēng)形式的效果，列出Y軸向截平面溫度場分布和速度場分布圖（如圖5、圖6所示）。從圖5和圖6(Y軸截平面溫度場、速度場分布)中可以看出，座椅回風(fēng)區(qū)溫度為23～26℃，風(fēng)速小于0.4m/s，場館中心區(qū)域（高）溫度為20～22℃，風(fēng)速為1.0～2.2m/s，場館中心區(qū)域(低)溫度為21～23℃，風(fēng)速為0.4～1.2m/s。因此該改造方案在典型Y平面內(nèi)基本滿足體育場空調(diào)需求。

圖5 體育館Y軸截平面溫度場分布Fig.5 Temperature field distribution along Y axis cut plan in the gymnasium

圖6 體育館Y軸截平面速度場分布Fig.6 Velocity field distribution along Y axis cut plan in the gymnasium

氣流組織模擬分析結(jié)果表明：改造后的空調(diào)系統(tǒng)能夠基本滿足比賽區(qū)域和觀眾區(qū)域的舒適性需求和場館使用要求。

3 空調(diào)改造實際運行效果

體育館空調(diào)改造工程于2016年5月份開始施工，在近一個月的緊張施工后完成了除鍋爐房部分以外的所有工程，如期趕上了2016年6月舉辦的國際男籃挑戰(zhàn)賽。賽事舉辦期間，蘇州室外氣溫在30～35℃，體育館內(nèi)室溫達(dá)到約22℃，而且比賽區(qū)域和觀眾席區(qū)域溫度都比較均勻，室內(nèi)空調(diào)效果的改善明顯。具體改造前后體育館溫度測點分布見表2。

表2 改造前后體育館溫度測點對比Tab.2 Comparison table of temperature at measure points before and after retrofit ℃

4 總結(jié)

本文針對獨墅湖東主體建筑空調(diào)系統(tǒng)由于使用壽命和空調(diào)風(fēng)管等系統(tǒng)導(dǎo)致的無法正常運行問題進(jìn)行診斷，并結(jié)合相關(guān)使用條件進(jìn)行系統(tǒng)改造，應(yīng)用了磁懸浮變頻離心式空調(diào)機組，經(jīng)綜合評價后，在改造項目或總制冷量較小的項目中，值得應(yīng)用和推廣。提出了分區(qū)控制，獨立運行的系統(tǒng)方案，并進(jìn)行施工設(shè)計，為同類問題的體育場館的空調(diào)改造提供了思路和一定的借鑒意義。

[1]張歡，楊尚一，由世俊，等.體育館空調(diào)氣流組織的CFD模擬研究[J].暖通空調(diào).2008(3):87-90.Zhang Huan,Yang Shangyi,You Shijun，et al.CFD simula?tion for the air distribution in a gymnasium[J].HV&AC,2008(3)：87-90．

[2]陳祖銘，鐘朝安，丁力行.體育館空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計與節(jié)能分析[J].暖通空調(diào).2009(8):36-39.Chen Zuming，Zhong Chaoan，Ding Lixing．Optimizing design and energy efficiency analysis of air conditioning systems in gymnasiums[J]．HV&AC，2009(8)：36-39．