外海人工島島上建筑通風(fēng)設(shè)計

許偉航，周道

（中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，廣東 廣州 510230）

0 引言

港珠澳大橋橋隧轉(zhuǎn)換人工島位于伶仃洋出?？?，屬南亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候區(qū)，受歐亞大陸和熱帶海洋的交替影響，該區(qū)域天氣氣候復(fù)雜多變，災(zāi)害性天氣頻繁，凡登陸、影響珠江三角洲、粵西沿海和在南海北部活動的熱帶氣旋，對本區(qū)均可造成較大影響。受海洋暖濕氣流影響，本區(qū)雨水充沛，年平均雨水2 290.7 mm。年內(nèi)降水主要集中在汛期（4—9月），占全年降水量的83%～86%，多霧天氣主要在每年的1—4月，其中以3月霧日最多，4月次之，全年濕熱多雨，最高月平均溫度35～40℃，年平均相對濕度大約為85%～95%，在此高溫高濕氣象條件下，人工島島上建筑的通風(fēng)設(shè)計有別于普通環(huán)境下的設(shè)計，對通風(fēng)系統(tǒng)提出了更高的要求。

1 項目簡介

本文以港珠澳大橋橋隧轉(zhuǎn)換東人工島上主體建筑為例，該建筑單體建筑面積43 733.79 m2，地上建筑面積為31 710.45 m2，地下建筑面積為12 023.34 m2，地下2層，地上4層，其中地下負(fù)二層主要為保障海底隧道通風(fēng)系統(tǒng)的電氣設(shè)備用房，負(fù)一層為地下車庫和管線夾層，地上一層是辦公區(qū)域和房建電氣設(shè)備用房，二、三層為商業(yè)預(yù)留，四層為模型館。整棟建筑采用不可開啟的玻璃幕墻，通風(fēng)口設(shè)置在首層架空層和屋面上，空調(diào)系統(tǒng)采用水冷中央空調(diào)系統(tǒng)，冷水機(jī)組設(shè)置在負(fù)一層，冷卻塔設(shè)置在屋面。

2 設(shè)計中遇到的問題

該工程屬于設(shè)計施工總承包項目，前期提供的設(shè)計階段圖紙及資料少；與前期初步設(shè)計階段相比，本工程的建筑布局、空調(diào)通風(fēng)方案均發(fā)生了重大改變，基本上是重新設(shè)計，更沒有對外海高溫高濕環(huán)境下通風(fēng)空調(diào)設(shè)計進(jìn)行專題研究，采用的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)按三地標(biāo)準(zhǔn)就高不就低原則。

2.1 資料收集

1）本項目位于外海環(huán)境，是人工填島上建筑，設(shè)計手冊中并沒有該區(qū)域的氣象資料，相鄰的深圳和珠海氣候與外海人工島的環(huán)境也大相徑庭，不能直接采用這兩座城市的氣象資料。

2）需要收集和確定人工島上建筑地下箱涵內(nèi)壁表面的溫度。

3）需要收集地下電氣設(shè)備用房設(shè)備發(fā)熱量。

2.2 優(yōu)化內(nèi)容

1）地下空間通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)風(fēng)和濕度調(diào)節(jié)控制研究與優(yōu)化。

2）電氣設(shè)備用房純通風(fēng)工況與空調(diào)工況研究與優(yōu)化。

3）防排煙系統(tǒng)設(shè)計與優(yōu)化。

3 設(shè)計方案

3.1 氣象資料

本工程屬于外海環(huán)境，與相鄰的珠海、深圳等城市的氣象相差較大，不宜采用這兩座城市的氣象資料，但毗鄰香港國際機(jī)場，同時香港國際機(jī)場也是人工填海，與本項目地理位置相鄰，成島方式相近，因此香港國際機(jī)場的室外設(shè)計參數(shù)具有更高的參考價值，同時結(jié)合人工島成島后的3年觀測數(shù)據(jù)，最終確定設(shè)計參數(shù)：年平均溫度26℃，極端天氣最高溫度38.7℃，極端天氣最低溫度4.9℃，年平均相對濕度80%，夏季室外通風(fēng)溫度31.2℃。

3.2 地下箱涵內(nèi)壁表面溫度

地下箱涵內(nèi)壁的溫度會影響室內(nèi)通風(fēng)的效果，如果內(nèi)壁的溫度大于室內(nèi)空氣的露點溫度，內(nèi)壁就不會出現(xiàn)冷凝水；如果內(nèi)壁的溫度低于室內(nèi)空氣的露點溫度，內(nèi)壁會出現(xiàn)冷凝水，就不能直接采用通風(fēng)方式，需要降低機(jī)械進(jìn)風(fēng)的狀態(tài)點。而內(nèi)壁的溫度近似于地面溫度的年平均值，經(jīng)過對國內(nèi)多個地方的年平均氣溫與地層溫度的統(tǒng)計比較，發(fā)現(xiàn)在沒有詳細(xì)數(shù)據(jù)的情況下，可采用年平均溫度加1～3℃來確定內(nèi)壁溫度，基本與實測數(shù)據(jù)差別不大，因此在設(shè)計過程中，采用該方式進(jìn)行地下部分溫度計算雖有一定的誤差，但對數(shù)據(jù)影響不大，確定內(nèi)壁表面溫度29℃。

3.3 地下電氣設(shè)備用房發(fā)熱量

地下空間電氣設(shè)備用房發(fā)熱量巨大，自然通風(fēng)條件較差，最終確定設(shè)備用房的總發(fā)熱量約為184.3 kW。電氣設(shè)備發(fā)熱量見表1。

表1 電氣設(shè)備用房發(fā)熱量表Table 1 Heating value of electrical equipment room

3.4 電氣設(shè)備用房通風(fēng)優(yōu)化

服務(wù)于隧道通風(fēng)安全的電氣設(shè)備用房位于地下空間負(fù)二層，無法自然進(jìn)風(fēng)，考慮采用機(jī)械送、排風(fēng)的全面通風(fēng)方式，將室外空氣送入負(fù)二層與電氣設(shè)備用房，空氣進(jìn)行充分熱濕交換后排出室外，室外通風(fēng)溫度取夏季通風(fēng)溫度31.2℃，由于負(fù)二層層高較低，出風(fēng)溫度即近似為房間的控制溫度35℃，機(jī)械通風(fēng)所需要的換氣量L：

式中：Q為余熱量，W；tp為排出空氣的溫度，℃；tj為進(jìn)入空氣的溫度，℃。

全面機(jī)械通風(fēng)僅需設(shè)置通風(fēng)機(jī)，無需設(shè)置冷源，如此大的通風(fēng)量需要近5 m2的排風(fēng)通道，但在擁擠的地下空間中布置通風(fēng)管道和通風(fēng)井相當(dāng)困難甚至無法布置，同時風(fēng)機(jī)噪音也很大。而且室外空氣在沒經(jīng)過處理時都是高溫高濕氣體，會對電氣設(shè)備造成損壞，因此考慮采用一次回風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)對電氣設(shè)備用房進(jìn)行降溫。

地下空間電氣設(shè)備用房空氣處理過程如圖1所示。新風(fēng)量取系統(tǒng)總風(fēng)量的10%。

由圖1可以得出，繼保室需要的送風(fēng)量為：

空氣處理機(jī)所需要處理的冷量為：

采用一次回風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)為電氣設(shè)備用房降溫，風(fēng)量既不會很大，空氣的品質(zhì)也得到了保證，冷源可以直接采用本工程空調(diào)系統(tǒng)的冷水機(jī)組，為了保證系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，還設(shè)置了一套VRV多聯(lián)機(jī)空調(diào)作為電氣設(shè)備用房的備用空調(diào)。

3.5 非空調(diào)區(qū)域機(jī)械通風(fēng)優(yōu)化

地下空間如車庫、走道、管線夾層如果在極端高濕天氣直接采用機(jī)械通風(fēng)，此時的空氣狀態(tài)點N1，如圖2。

圖2 通風(fēng)區(qū)域空氣處理過程Fig.2 Air handling process in ventilation area

如圖所示，此時的空氣露點溫度tL為30.7℃，而地下室內(nèi)壁的溫度為29℃，在外海的高濕環(huán)境下內(nèi)壁必然會出現(xiàn)冷凝水的現(xiàn)象。必須對機(jī)械通風(fēng)的進(jìn)風(fēng)進(jìn)行處理，將進(jìn)風(fēng)空氣的露點溫度降到內(nèi)壁的溫度以下，設(shè)計時候取27℃，在風(fēng)管進(jìn)風(fēng)處設(shè)置除濕盤管，利用空調(diào)冷凍水進(jìn)行冷卻除濕，室外新風(fēng)通過除濕盤管后的空氣狀態(tài)點為N2，同時為了節(jié)約能源，需對除濕盤管的冷量進(jìn)行計算。以負(fù)二層第一防火分區(qū)內(nèi)走道為例，按照規(guī)范要求本區(qū)域的平時補風(fēng)量為21 000 m3/h，除濕盤管需處理的冷量為：

除濕盤管提供的冷量不大，但能有效降低機(jī)械進(jìn)風(fēng)的空氣相對濕度。在大橋建成除濕系統(tǒng)投入使用后，現(xiàn)場觀察到除濕盤管有大量的冷凝水流出，說明該系統(tǒng)運行基本與設(shè)計一致，效果明顯。

3.6 防排煙系統(tǒng)優(yōu)化

本工程四層模型館四周均為玻璃幕墻，層高4.8 m，建筑面積2 000 m2，前期考慮采用自然排煙，后期考慮到外海環(huán)境災(zāi)害性天氣較多，為了保證玻璃幕墻的整體性和安全，不推薦采用可開啟窗的自然排煙方式，相對于2 000 m2的建筑面積4.8 m的層高又不是很高，也不能設(shè)置排煙風(fēng)管機(jī)械排煙，最后決定采用與空調(diào)系統(tǒng)合用風(fēng)管，排煙風(fēng)口設(shè)置于墻面上，如圖3。

圖3 模型館排煙平面圖Fig.3 Smoke control plan in exhibition hall

4 結(jié)語

港珠澳大橋東、西人工島地處外海高溫高濕環(huán)境，其通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)置有別于常規(guī)設(shè)計，除了以上優(yōu)化措施外，還需對島上建筑室外氣象進(jìn)行監(jiān)測，遇到極端高溫高濕天氣，保證中央空調(diào)系統(tǒng)開啟，利用空調(diào)系統(tǒng)除濕，平時機(jī)械通風(fēng)的補風(fēng)系統(tǒng)應(yīng)開啟除濕盤管，濕度過大時空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)應(yīng)盡量避免室內(nèi)外空氣交換，非空調(diào)區(qū)域如地下車庫、管線夾層、地下通道可關(guān)閉通風(fēng)系統(tǒng)，空調(diào)區(qū)域可適當(dāng)關(guān)閉新風(fēng)系統(tǒng)，房間空調(diào)溫度設(shè)置不低于26℃，同時保證建筑的密閉性，不隨意調(diào)低房間空調(diào)溫度或者局部關(guān)閉空調(diào)系統(tǒng)。