人民廣場(chǎng)換乘大廳環(huán)控設(shè)計(jì)及運(yùn)行能耗咨詢

姜秀鵬

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人民廣場(chǎng)換乘大廳環(huán)控設(shè)計(jì)及運(yùn)行能耗咨詢

姜秀鵬

（上海冠豐房地產(chǎn)發(fā)展有限公司 上海 201100）

暖通空調(diào)設(shè)計(jì)的最終目的是滿足人們?nèi)粘Ｉ钍孢m需要，暖通空調(diào)整體設(shè)計(jì)的目標(biāo)就是舒適，通風(fēng)與節(jié)能成為矛盾的兩大因素?？傮w建筑施工過程中，技術(shù)工作人員依靠其他設(shè)備的性能，比如氣流模擬，科學(xué)的對(duì)室內(nèi)通風(fēng)管路體系進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而抵御外界氣候變化，這樣不但可以提高施工效率，而且更好的達(dá)到節(jié)能效果。

暖通空調(diào)；氣流模擬；CFD技術(shù)；設(shè)計(jì)；節(jié)能

0 引言

在本次換乘大廳的氣流組織評(píng)估中，就運(yùn)用了CFD模擬技術(shù)，在氣流組織模擬的基礎(chǔ)上對(duì)室內(nèi)溫度分布和舒適性進(jìn)行分析。希望通過計(jì)算機(jī)模擬預(yù)測(cè)，在工程的初步設(shè)計(jì)階段就發(fā)現(xiàn)今后運(yùn)行中可能出現(xiàn)的問題，并及時(shí)提供改進(jìn)建議，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)造優(yōu)質(zhì)工程的目的。

1 人民廣場(chǎng)換乘大廳項(xiàng)目概況

人民廣場(chǎng)換乘大廳工程位于人民公園內(nèi)北部、西藏中路和九江路路口的西南方。換乘大廳建成后，將能夠?qū)崿F(xiàn)地鐵1號(hào)線、2號(hào)線以及8號(hào)線方便換乘的目的。

對(duì)于人民廣場(chǎng)附近這樣一個(gè)直接體現(xiàn)城市形象的重要交通樞紐，建設(shè)方精心謀劃，努力將人民廣場(chǎng)換乘大廳建成體現(xiàn)“城市讓生活更美好”理念的一個(gè)亮點(diǎn)，確保人民廣場(chǎng)換乘大廳建成一個(gè)“舒適”、“節(jié)能”、“環(huán)保”的優(yōu)質(zhì)工程。

為此，考慮到人民廣場(chǎng)換乘大廳屬于高大空間，建筑面積近8000m2，層高約5～7m，天窗處層高達(dá)10m左右。而且換乘大廳還存在布置送風(fēng)管、送風(fēng)口的位置受限等客觀條件的制約，增加了空調(diào)系統(tǒng)氣流設(shè)計(jì)的難度。同時(shí)高大空間非常容易造成因室內(nèi)冷熱不勻而影響今后日常使用的舒適性問題。

2 換乘大廳及原空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)介紹

設(shè)計(jì)院根據(jù)現(xiàn)有的相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范，在前期已經(jīng)進(jìn)行了大量的設(shè)計(jì)和優(yōu)化工作，如提出在換乘大廳內(nèi)側(cè)（位于換乘大廳東北角）布置2臺(tái)空調(diào)機(jī)組，能明顯改善換乘大廳的空調(diào)效果，是非常值得肯定的。換乘大廳及原空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)情況簡(jiǎn)單介紹如下。

換乘大廳建筑及原空調(diào)系統(tǒng)的初步設(shè)計(jì)如圖1所示。整個(gè)換乘大廳類似一個(gè)三角形，東側(cè)與1號(hào)線和8號(hào)線相鄰，北側(cè)與2號(hào)線相鄰，西南側(cè)面向人民公園。根據(jù)設(shè)計(jì)單位提供的圖紙和信息，整個(gè)換乘大廳建筑面積近8000m2。從自然采光和室內(nèi)美觀的考慮，在換乘大廳中央的頂部設(shè)計(jì)有一個(gè)直徑16米，面積約200m2的天窗。換乘大廳西南側(cè)的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)包括一段總長約130m，高2.5m的可開啟落地玻璃窗。頂部玻璃天窗和西南面落地玻璃窗按雙層中空玻璃窗考慮，設(shè)計(jì)空調(diào)冷負(fù)荷為：換乘大廳人員、燈光、設(shè)備等造成的室內(nèi)負(fù)荷500kW，圍護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷310kW，考慮空調(diào)機(jī)組新風(fēng)和大門進(jìn)入大廳的新風(fēng)負(fù)荷后，整個(gè)換乘大廳空調(diào)設(shè)計(jì)冷負(fù)荷取1431kW?？照{(diào)送風(fēng)溫度19.5℃，送風(fēng)相對(duì)濕度87%，換乘大廳設(shè)計(jì)室內(nèi)溫度28℃，相對(duì)濕度55%。

換乘大廳空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)為低速全空氣系統(tǒng)，在換乘大廳及聯(lián)絡(luò)通道內(nèi)共有7處設(shè)置新風(fēng)井的空調(diào)機(jī)房，每間機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)有一臺(tái)變風(fēng)量空調(diào)箱。這7臺(tái)空調(diào)機(jī)組向整個(gè)大廳的總送風(fēng)量為226142m3/h。在大廳的周邊總共布置有157只噴口（大廳的送風(fēng)管及157個(gè)噴口如圖1上的紅線標(biāo)注），7臺(tái)空調(diào)機(jī)組的送風(fēng)均勻地通過這157個(gè)噴口送入大廳，實(shí)現(xiàn)大廳的空調(diào)效果，每個(gè)噴口送風(fēng)量接近1500m3/h。

根據(jù)設(shè)計(jì)單位提供的室內(nèi)設(shè)備（廣告牌、扶梯、燈光等）發(fā)熱量和室內(nèi)人員情況等相關(guān)信息，經(jīng)分析初步確定空調(diào)系統(tǒng)向整個(gè)換乘大廳送入1431kW的設(shè)計(jì)冷量是足夠的。下面在上述初步設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，通過室內(nèi)氣流組織的模擬，對(duì)換乘大廳人員主要活動(dòng)區(qū)域（以1.5米高度為代表）的溫度分布進(jìn)行分析，希望對(duì)原空調(diào)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化。

圖1 人民廣場(chǎng)換乘大廳空調(diào)風(fēng)口布置圖

3 原設(shè)計(jì)條件下?lián)Q乘大廳的氣流組織分析

3.1 氣流組織模擬技術(shù)簡(jiǎn)單介紹

對(duì)氣流組織進(jìn)行預(yù)測(cè)是一個(gè)較復(fù)雜的過程。通常由兩種方法可以實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)的目的。

第一種方法是進(jìn)行模型實(shí)驗(yàn)。這種方法的好處是結(jié)果可靠、直觀，但其較適合預(yù)測(cè)室外等大區(qū)域內(nèi)高風(fēng)速的情況，而不太適合預(yù)測(cè)室內(nèi)空調(diào)工況，此外還有一個(gè)缺點(diǎn)是工作周期長，價(jià)格昂貴。

第二種方法是利用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）的知識(shí)和軟件，通過在計(jì)算機(jī)上建模，在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行數(shù)值模擬和預(yù)測(cè)。其具有工作周期短，成本低，資料完備，適合對(duì)包括空調(diào)工況在內(nèi)的各種工況進(jìn)行預(yù)測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，但要求的技術(shù)性較強(qiáng)。

圖2 利用CFD技術(shù)對(duì)某小區(qū)的室外風(fēng)環(huán)境的預(yù)測(cè)

近十年來，隨著計(jì)算流體力學(xué)（CFD）技術(shù)的發(fā)展和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，利用CFD模擬進(jìn)行氣流組織分析在工程中得到了非常廣泛的應(yīng)用。在本次換乘大廳的氣流組織評(píng)估中，就運(yùn)用了CFD模擬技術(shù)，在氣流組織模擬的基礎(chǔ)上對(duì)室內(nèi)溫度分布和舒適性進(jìn)行分析。希望通過計(jì)算機(jī)模擬預(yù)測(cè)，在工程的初步設(shè)計(jì)階段就發(fā)現(xiàn)今后運(yùn)行中可能出現(xiàn)的問題，并及時(shí)提供改進(jìn)建議，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)造優(yōu)質(zhì)工程的目的。

3.2 原設(shè)計(jì)條件下?lián)Q乘大廳室內(nèi)溫度的模擬結(jié)果

首先在計(jì)算機(jī)上對(duì)換乘大廳的建筑結(jié)構(gòu)，空調(diào)系統(tǒng)各風(fēng)口等建立模型。模擬的換乘大廳簡(jiǎn)單示意如圖3。

根據(jù)大廳相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)，經(jīng)模擬得到夏季下午17:30客流晚高峰時(shí)換乘大廳內(nèi)1.5m高度的溫度分布如圖4所示。

從圖4可以看出，在下午17:30客流晚高峰時(shí)，在設(shè)計(jì)的送風(fēng)條件下（送風(fēng)溫度19.5℃），整個(gè)大廳的溫度比較均勻，而且冷量是足夠的。這是因?yàn)榇藭r(shí)雖然客流達(dá)到高峰，但太陽透過頂部玻璃窗等造成的圍護(hù)結(jié)構(gòu)空調(diào)負(fù)荷已非常小，而空調(diào)系統(tǒng)最大供冷量是按照最高的客流和中午較大的太陽輻射設(shè)計(jì)。圖上左下角區(qū)域溫度稍稍偏高是受相鄰的2號(hào)線地下1層商場(chǎng)室內(nèi)溫度影響的結(jié)果，因?yàn)榇藚^(qū)域和2號(hào)線地下1層商場(chǎng)有門相連，而2號(hào)線地下1層商場(chǎng)設(shè)計(jì)空調(diào)溫度為28℃。所以在夏季下午17～18點(diǎn)客流高峰時(shí)，室內(nèi)負(fù)荷和空調(diào)系統(tǒng)的矛盾并不突出，不會(huì)出現(xiàn)室內(nèi)舒適性問題。

圖3 換乘大廳計(jì)算機(jī)建模示意圖

圖4 晚高峰時(shí)（17：30）換乘大廳1.5米高度溫度分布

經(jīng)分析，發(fā)現(xiàn)換乘大廳室內(nèi)負(fù)荷和原空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)矛盾比較突出的時(shí)間是在中午。圖5是上海地區(qū)夏季白天不同時(shí)刻的太陽輻射強(qiáng)度。

（注：N：北向，E：東向，S：南向，W：西向，H：水平面）

換乘大廳頂部的玻璃天窗（水平面）和西南面的落地玻璃窗受太陽輻射影響最大，圖6給出了上海夏季白天典型時(shí)刻水平面和西南面太陽輻射強(qiáng)度。

圖6 上海地區(qū)水平面和西南向太陽輻射強(qiáng)度

從圖5和圖6可以看出，在中午，通過換乘大廳中央的天窗的太陽輻射會(huì)非常集中。太陽輻射透過天窗進(jìn)入換乘大廳造成的空調(diào)負(fù)荷將達(dá)到150kW左右。據(jù)此，模擬得到中午12點(diǎn)換乘大廳的溫度分布如圖7所示。

從圖7可以看出，換乘大廳采光天窗周圍的大片區(qū)域的溫度明顯偏高，天窗附近1.5m高度上室溫達(dá)到30℃左右，在天窗影子的中心位置，由于太陽光的直接照射，室溫更高達(dá)35～36℃，其余區(qū)域溫度在27℃左右，室內(nèi)溫度的均勻性不理想，室內(nèi)的舒適性不佳，可能會(huì)對(duì)今后的實(shí)際應(yīng)用造成影響。

圖7 夏季中午12點(diǎn)換乘大廳1.5米高度溫度分布

3.3 原設(shè)計(jì)條件下室內(nèi)舒適性不理想的原因分析

原換乘大廳四周布置的157個(gè)噴口送風(fēng)風(fēng)量相等，接近周邊均勻送風(fēng)的方式，如果換乘大廳室內(nèi)每個(gè)區(qū)域單位面積的空調(diào)負(fù)荷基本接近，那么這樣是能夠達(dá)到較均勻的室內(nèi)溫度分布的。但是，由于換乘大廳中央存在大面積的采光天窗，實(shí)際上各區(qū)域空調(diào)負(fù)荷相差很大。在夏季高溫季節(jié)的中午，太陽透過采光天窗直射到地面上的影子的大小接近天窗的面積，即200平方米，其占整個(gè)大廳面積的比例只有3%左右，但其造成的空調(diào)負(fù)荷卻達(dá)到150kW，達(dá)到整個(gè)大廳空調(diào)負(fù)荷的15%左右。這樣采光天窗的周圍成了空調(diào)負(fù)荷的聚集點(diǎn)，有非常明顯的暖房效應(yīng)。針對(duì)這樣空調(diào)負(fù)荷不均勻的換乘大廳，如果仍然采取周邊均勻送風(fēng)的方式相同對(duì)待，就導(dǎo)致了天窗附近區(qū)域溫度的明顯偏高。

4 改進(jìn)建議及運(yùn)行能耗估算

4.1 改進(jìn)建議

根據(jù)前面對(duì)于原設(shè)計(jì)條件下?lián)Q乘大廳室內(nèi)舒適性差原因的分析結(jié)果，提出換乘大廳157個(gè)噴口非均勻送風(fēng)的改進(jìn)建議。主要思路如圖8所示，將換乘大廳采光天窗附近噴口的送風(fēng)量適當(dāng)增大（也可以考慮噴口送風(fēng)量不變，而適當(dāng)增加送風(fēng)口），以對(duì)應(yīng)采光天窗附近大量的空調(diào)負(fù)荷，其次考慮到原設(shè)計(jì)時(shí)靠近8號(hào)線一側(cè)的送風(fēng)口布置較稀，也適當(dāng)增加其送風(fēng)量，其余送風(fēng)口適當(dāng)減少送風(fēng)量。這樣，在整個(gè)大廳總的送風(fēng)量和送冷量維持不變的情況下，通過各送風(fēng)口風(fēng)量的調(diào)整達(dá)到換乘大廳各區(qū)域送風(fēng)量（送冷量）和各自空調(diào)負(fù)荷相匹配，提高室內(nèi)舒適性的目的。換乘大廳一圈共157個(gè)風(fēng)口，從右下角開始，按照逆時(shí)針方向，依次將送風(fēng)口編號(hào)為1、2、3、……、155、156、157，每個(gè)送風(fēng)口風(fēng)量調(diào)整的具體建議如下。

表1 送風(fēng)口風(fēng)量調(diào)整表格

續(xù)表1 送風(fēng)口風(fēng)量調(diào)整表格

Table 1 Adjustment form for air inlet air volume

對(duì)應(yīng)的送風(fēng)口風(fēng)量建議值風(fēng)量調(diào)整的原因 53～58維持原風(fēng)量不變/ 59～88原風(fēng)量的65%對(duì)應(yīng)區(qū)域空調(diào)負(fù)荷較小 89～111原風(fēng)量的125%對(duì)應(yīng)區(qū)域原來風(fēng)口布置較稀 112～134原風(fēng)量的130%對(duì)應(yīng)區(qū)域空調(diào)負(fù)荷較大 135～140維持原風(fēng)量不變/ 141～157原風(fēng)量的65%對(duì)應(yīng)區(qū)域空調(diào)負(fù)荷較小

圖8 換乘大廳風(fēng)口風(fēng)量調(diào)整主要思路示意圖

4.2 采用改進(jìn)建議后換乘大廳室內(nèi)溫度的模擬結(jié)果

采用改進(jìn)建議后，通過計(jì)算得到換乘大廳夏季中午1.5m高度的溫度分布如圖9。

從圖9可以看出，采用改進(jìn)建議后，換乘大廳主要區(qū)域的溫度比較均勻，接近28℃，相比于改進(jìn)前的圖7，采光天窗周圍室內(nèi)的溫度分布有了明顯的改善。圖13上換乘大廳東側(cè)與8號(hào)線相鄰的區(qū)域溫度稍稍偏高，接近30℃，由于此區(qū)域和8號(hào)線站廳連通，而8號(hào)線站廳的設(shè)計(jì)溫度為30℃，所以是可以接受的。

這樣，采用改進(jìn)建議后，換乘大廳的溫度均勻性比原來有了明顯得改善，達(dá)到了較好的室內(nèi)舒適性。

圖9 采用改進(jìn)建議后夏季中午12點(diǎn)換乘大廳1.5米高度溫度分布

4.3 空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行能耗估算

人民廣場(chǎng)換乘大廳屬于高大空間，非常容易由于氣流組織不合理而導(dǎo)致室內(nèi)舒適性不理想，同時(shí)也容易導(dǎo)致空調(diào)運(yùn)行費(fèi)用增加。

對(duì)于人民廣場(chǎng)換乘大廳這樣的高大空間，全年的空調(diào)運(yùn)行費(fèi)用也較大。根據(jù)設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)值、設(shè)備配置以及我們對(duì)類似高大空間的調(diào)研和測(cè)試結(jié)果，對(duì)人民廣場(chǎng)換乘大廳全年空調(diào)用電量進(jìn)行估算。制冷機(jī)電功率364kW，風(fēng)機(jī)功率84kW，按照夏季空調(diào)天數(shù)150天，每天空調(diào)時(shí)間14小時(shí)，平均冷負(fù)荷率60%，平均電價(jià)0.75元/kW，則采用改進(jìn)建議后，人民廣場(chǎng)換乘大廳每年合理的空調(diào)用電約82萬度，每年空調(diào)電費(fèi)約在61萬元。不合理的氣流組織將使能耗偏大，運(yùn)行費(fèi)用增加。如果要使中庭周圍的溫度相同，原設(shè)計(jì)將比改進(jìn)建議估計(jì)每年空調(diào)運(yùn)行電費(fèi)增加25%，約15萬元。

此外，要保證良好的室內(nèi)氣流組織，達(dá)到舒適、節(jié)能的最終目的，除了設(shè)計(jì)階段嚴(yán)格把關(guān)，建造階段精心施工以外，最后在工程完工以后還需要進(jìn)行系統(tǒng)的調(diào)試、檢測(cè)和確定合理的運(yùn)行管理模式。只有認(rèn)真完成好設(shè)計(jì)、施工、調(diào)試、檢測(cè)、運(yùn)行的各個(gè)環(huán)節(jié)，才能最終實(shí)現(xiàn)一個(gè)舒適、節(jié)能的優(yōu)質(zhì)工程。

5 結(jié)論

（1）人民廣場(chǎng)換乘大廳屬于高大空間，非常容易由于氣流組織不合理而導(dǎo)致的室內(nèi)舒適性問題。同時(shí)，高大空間的空調(diào)運(yùn)行費(fèi)用較大，不合理的氣流組織將使能耗偏大，運(yùn)行費(fèi)用增加。業(yè)主能夠在設(shè)計(jì)階段就對(duì)氣流組織進(jìn)行預(yù)評(píng)估，對(duì)提升項(xiàng)目的科技含量，確保換乘大廳建成一個(gè)“舒適”、“節(jié)能”、“環(huán)?！钡膬?yōu)質(zhì)工程是非常有前瞻性的。

（2）上海市隧道工程軌道交通設(shè)計(jì)研究院對(duì)整個(gè)換乘大廳空調(diào)總送冷量的計(jì)算和冷機(jī)容量的確定是可以滿足要求的，而且在前期設(shè)計(jì)過程中已進(jìn)行了大量的優(yōu)化工作，如提出在換乘大廳內(nèi)側(cè)（位于換乘大廳東北角）布置2臺(tái)空調(diào)機(jī)組，明顯改善了換乘大廳的空調(diào)效果，是非常值得肯定的。本報(bào)告旨在對(duì)原空調(diào)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化。

（3）為創(chuàng)造優(yōu)質(zhì)工程，保證人民廣場(chǎng)換乘大廳室內(nèi)的溫度均勻性和環(huán)境舒適性，對(duì)于原設(shè)計(jì)，建議將采光天窗附近47個(gè)送風(fēng)口和靠近8號(hào)線一側(cè)23個(gè)送風(fēng)口的送風(fēng)量適當(dāng)增大（也可以考慮噴口送風(fēng)量不變，而適當(dāng)增加送風(fēng)口），其余送風(fēng)口風(fēng)量適當(dāng)減少或維持不變。具體調(diào)整建議見前面4.1節(jié)表1。

（4）分析表明，采用改進(jìn)建議后，整個(gè)大廳能在總的送風(fēng)量和送冷量維持原設(shè)計(jì)值的情況下，達(dá)到換乘大廳各區(qū)域送風(fēng)量（送冷量）和各自區(qū)域的空調(diào)負(fù)荷相匹配，提高室內(nèi)溫度均勻性和舒適性的目的。

（5）初步估算，采用改進(jìn)建議后人民廣場(chǎng)換乘大廳每年合理的空調(diào)電費(fèi)估計(jì)在61萬元左右，可比原設(shè)計(jì)每年節(jié)約空調(diào)用電約25％，即每年節(jié)省空調(diào)電費(fèi)約15萬元。

6 結(jié)語

建筑暖通節(jié)能設(shè)計(jì)是一項(xiàng)內(nèi)容復(fù)雜的工作，針對(duì)我國當(dāng)前所面臨的生態(tài)環(huán)境破壞嚴(yán)重以及能源浪費(fèi)嚴(yán)重等問題的解決有著至關(guān)重要的作用與意義。因此需要對(duì)暖通空調(diào)節(jié)能設(shè)計(jì)引以足夠重視，對(duì)現(xiàn)代暖通空調(diào)設(shè)計(jì)進(jìn)行改善和優(yōu)化，促使其在發(fā)揮正常功能的基礎(chǔ)上，提高經(jīng)濟(jì)性和節(jié)能效果。

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Design and Operation of Energy Consumption Consultation on the Design and Operation of the Ring Control in the People's Square Transfer Hall

Jiang Xiupeng

( Shanghai Guan Feng Real Estate Development Co., Ltd, Shanghai, 201100 )

The ultimate goal of HVAC design is to meet people's daily life comfort needs. The goal of HVAC's overall design is comfort, and ventilation and energy saving become the two major factors of contradiction. The whole process of construction, technical staff rely on other devices, such as airflow simulation, scientific design of the indoor ventilation pipeline system, so as to resist external climate change, it can not only improve the efficiency of construction, and achieve better energy-saving effect.

HVAC; air flow simulation; CFD technology; design; energy saving

1671-6612（2019）01-033-7

姜秀鵬（198306-），男，學(xué)士，工程師，E-mail：abc981204@163.com

TU8

A

2018-03-27