大型室內(nèi)水上娛樂場館的空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計

陸袁

同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計研究院（集團(tuán)）有限公司

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對于娛樂需求的標(biāo)準(zhǔn)不斷提高，全天候、全年段的室內(nèi)水上娛樂場館項目的建設(shè)越來越多。由于該類場館空間高大、人員活動范圍廣泛、內(nèi)部熱濕環(huán)境復(fù)雜，該如何為此類建筑合理選擇和設(shè)計暖通空調(diào)系統(tǒng)，受到了研究和工程設(shè)計人員的關(guān)注[1-4]。盡管如此，目前國內(nèi)針對室內(nèi)水上場館的研究，其規(guī)模多在建筑面積 2 萬～4 萬平方米之間的中小型場館，而對單體超5 萬平方米的大型室內(nèi)水上場館的研究甚少，該類場館占地面積更廣、建筑跨度更大、內(nèi)部游樂設(shè)施復(fù)雜多樣，導(dǎo)致不能僅憑中小型場館的設(shè)計經(jīng)驗來滿足暖通空調(diào)的相關(guān)要求。本文以筆者設(shè)計的某建筑面積超5 萬平方米的室內(nèi)水上娛樂場館為例，著重分析了合理選擇和設(shè)計空調(diào)末端來滿足大型水上場館的人員舒適性要求，探討了從空調(diào)水系統(tǒng)出發(fā)節(jié)省系統(tǒng)造價、節(jié)約能耗，以及介紹了滿足通風(fēng)及消防要求的自然通風(fēng)排煙系統(tǒng)設(shè)計。

1 項目概況

1.1 建筑概況

本項目位于江蘇省南京市，為龍之谷綜合體的主要場館之一—海洋館，建筑面積64269.66 m2，其中地上建筑面積為60386.19 m2，地下建筑面積3883.47 m2，館內(nèi)水體面積約為2 萬m2，圖 1 為海洋館的平面圖。

該場館為大跨建筑，建筑屋面最低處為 10m，局部最高處為36m。整體呈現(xiàn)類網(wǎng)殼形狀的造型，采用空間大桁架結(jié)構(gòu)形式，外部為鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架，內(nèi)部為鋼筋混凝土框架，平面投影長軸方向長度約 310 m，短軸方向?qū)挾燃s為210m，最大跨度約為110m。場館設(shè)各大水上主題區(qū)域，含水寨、兒童滑道、沖浪模擬器、懶人河、人工造浪池、激光穿梭、互動水堡、廣場旱噴跳跳泉等游樂設(shè)施，游樂人員的休閑區(qū)域主要分布在沖浪模擬器和旱噴廣場附近。

圖1 海洋館平面圖

1.2 運營概況

根據(jù)項目投資方的運營要求，海洋館參考峰值人數(shù)為7670 人，正常使用時間為每年5 月至10 月，冬季不對外營業(yè)，即場館僅需設(shè)計夏季和過渡季的空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)，則無需考慮冬季的供熱系統(tǒng)和防結(jié)露系統(tǒng)的設(shè)計。

2 室內(nèi)設(shè)計參數(shù)及空調(diào)負(fù)荷

2.1 室內(nèi)設(shè)計參數(shù)確定

該場館建筑規(guī)模大，內(nèi)部功能多樣，雖然內(nèi)部水體面積約占到總建筑面積的 1/3，但其并非完全意義上的泳池建筑，其室內(nèi)設(shè)計參數(shù)不能完全參照游泳池建筑設(shè)計規(guī)范來確定[5]。為此，將場館設(shè)計劃分為“ 戲水區(qū)”和“休閑區(qū)”兩大人員集中區(qū)域，戲水區(qū)為水上游玩以及水體周邊區(qū)域，休閑區(qū)為人員用餐、非水上游玩等區(qū)域。其中戲水區(qū)在考慮滿足人員舒適度并兼顧場館運行能耗的情況下，其室內(nèi)設(shè)計溫度可高于水溫 1～3 ℃[6]，相對濕度≤ 75%，控制在 60～70%之間[6-7]。休閑區(qū)實際參數(shù)的選擇主要以提高室內(nèi)人員的舒適度為主，具體室內(nèi)設(shè)計參數(shù)如表1。

表1 室內(nèi)設(shè)計參數(shù)

2.2 空調(diào)負(fù)荷計算

場館正常使用時間為每年5 月至 10 月，可僅考慮空調(diào)冷負(fù)荷。除采用常規(guī)冷負(fù)荷計算法之外，計算時仍需注意以下幾點：

1）戲水區(qū)由于大量水體的存在不可忽略由水蒸氣的蒸發(fā)帶入室內(nèi)空氣中的熱量[6]。

2）場館屬于高大空間，建筑高度為 10～36 m，設(shè)計采用分層空調(diào)方式，空調(diào)區(qū)夏季分層空調(diào)冷負(fù)荷按全室空調(diào)冷負(fù)荷的0.7 計算[8]。

另外，在計算場館散濕量時，考慮水體占場館 1/3的面積，除人員散濕量外，還需計入場館內(nèi)水體及周邊兩部分的散濕量。

經(jīng)過計算，空調(diào)冷負(fù)荷為 12700 kW，散濕量為4240 kg/h。空調(diào)冷源由建于場館外的能源中心集中提供，能源中心采用冷水機(jī)組的能源供給方式，供冷期間由冷水機(jī)組提供6/14 ℃的空調(diào)冷凍水。

3 大空間空調(diào)末端設(shè)計

場館內(nèi)部以游藝設(shè)施為主，內(nèi)部功能性建筑物較少且布置分散不均勻，常規(guī)的空調(diào)系統(tǒng)需將空調(diào)箱設(shè)置在空調(diào)機(jī)房內(nèi)，并通過風(fēng)管將處理過的空氣送至各空調(diào)區(qū)，而場館內(nèi)無條件布置風(fēng)管，即使采用噴口，其水平送風(fēng)距離有限（最多為 50 m），也無法滿足場館短邊210 m 的間距要求。另外，由于場館為高大空間，為降低夏季空調(diào)系統(tǒng)能耗，通常采用分層空調(diào)方式來滿足人員區(qū)域的空調(diào)效果。因此，設(shè)計采用島式集成空調(diào)機(jī)組（圖2）作為該場館的主要空調(diào)末端。

圖2 島式集成空調(diào)機(jī)組

館內(nèi)大空間共設(shè) 70 臺風(fēng)量為 20000 m3/ h 的島式集成空調(diào)機(jī)組，均勻布置在場館各空調(diào)區(qū)內(nèi)，同時為滿足館內(nèi)新風(fēng)要求，設(shè) 11 臺風(fēng)量為30000 m3/ h 的新風(fēng)空調(diào)箱，其處理過的室外新風(fēng)通過沿場館一圈布置的圓形送風(fēng)管，經(jīng)噴口送至館內(nèi)。

各空調(diào)末端的空氣處理特點如下：島式集成空調(diào)機(jī)組僅處理室內(nèi)回風(fēng)，機(jī)組承擔(dān)大部分的室內(nèi)冷負(fù)荷和承擔(dān)室內(nèi)濕負(fù)荷。新風(fēng)空調(diào)機(jī)組處理室外新風(fēng)，將其狀態(tài)點處理到室內(nèi)等濕線，承擔(dān)新風(fēng)冷負(fù)荷和部分室內(nèi)冷負(fù)荷，不承擔(dān)室內(nèi)濕負(fù)荷。

4 大空間空調(diào)氣流組織設(shè)計

4.1 氣流組織形式

根據(jù)館內(nèi)游藝路線及游藝設(shè)施布置，將島式集成空調(diào)機(jī)組布置在人員主要活動的區(qū)域，如人員經(jīng)常走動的游覽道路兩側(cè)、人員較長時間停留的休閑廣場。島式集成空調(diào)機(jī)組采用孔板柵格風(fēng)口上部側(cè)送風(fēng)的送風(fēng)方式，回風(fēng)采用下部格柵側(cè)回風(fēng)的方式。新風(fēng)通過沿場館一圈布置的圓形送風(fēng)管，經(jīng)噴口送至館內(nèi)。同時，場館屋頂設(shè)有自然通風(fēng)裝置進(jìn)行排風(fēng)。

4.2 CFD 模擬分析

為驗證上述氣流組織形式的空調(diào)效果，本項目運用 CFD 技術(shù)建立了三維計算模型，對大空間的溫度場、速度場進(jìn)行了數(shù)值模擬。

經(jīng)模擬，得到了場館內(nèi)部的溫度和速度的分布情況。為反映人員所在空間的氣流分布情況，本文選取了人站姿時的呼吸高度1.6 m 作為典型斷面進(jìn)行了具體分析。

圖3 反映了地面上方 1.6 m 高度處的溫度場，溫度分布從空調(diào)末端往外漸漸升高；由于島式集成空調(diào)機(jī)組的布置方式，休閑區(qū)的溫度平均在26 ℃左右，造浪池等戲水區(qū)域的溫度平均在28 ℃左右；如小水寨、兒童滑道、造浪池內(nèi)遠(yuǎn)離沙灘水面等短期戲水區(qū)的局部溫度超過30 ℃，在考慮游藝工藝的布置（游藝設(shè)備高度）、人員短暫停留等因素后，這一偏高的溫度是在設(shè)計的接受范圍內(nèi)。

圖3 高度1.6 m 處溫度場

圖4 反映了地面上方1.6 m 高度處的速度分布情況，人員休閑區(qū)長期停留區(qū)域的風(fēng)速基本在0.3 m/s 以下，人員走動區(qū)域的風(fēng)速在 0.5～0.6 m/s 左右，整體平均風(fēng)速為0.3～0.5 m/s。另外，懶人河和舞臺區(qū)域風(fēng)速偏高，但由于今后這些區(qū)域?qū)嶋H活動高度都不在 1.6 m處，因此可以接受此區(qū)域風(fēng)速偏高的情況。

圖4 高度1.6 m 處速度場

綜上CFD 模擬分析，場館的氣流組織設(shè)計合理，“休閑區(qū)”和“戲水區(qū)”的溫度場和速度場均能滿足人員的舒適性要求。

5 “大溫差小流量”的空調(diào)水系統(tǒng)設(shè)計

本項目能源中心同時服務(wù)于地塊多個單體（海洋館屬于其中之一），各單體與能源中心距離相差較大，故設(shè)計主機(jī)側(cè)空調(diào)冷凍水為一級泵定流量、場館二級泵變頻變流量的二次泵系統(tǒng)。另外，根據(jù)場館占地面積廣，跨度大的特點，在空調(diào)能源中心分設(shè)兩路空調(diào)水管。空調(diào)水系統(tǒng)末端為兩管制異程式系統(tǒng)，同時，館內(nèi)的空調(diào)水管干管采用直埋的敷設(shè)方式。

為降低空調(diào)系統(tǒng)能耗和減少初投資，設(shè)計“ 大溫差小流量”的空調(diào)水系統(tǒng)方案，即加大空調(diào)冷凍水供回水溫差，減少水流量?？照{(diào)冷凍水供回水溫度設(shè)計為6/14 ℃（8 ℃溫差），為驗證此空調(diào)水系統(tǒng)方案在本項目設(shè)計應(yīng)用的可行性，將常規(guī)空調(diào)冷凍水供回水溫度7/12 ℃（5 ℃溫差）和本方案在節(jié)能性和經(jīng)濟(jì)性上做對比分析。分析過程中做了以下規(guī)定和假設(shè)：

1）冷卻水側(cè)配置和投資均一致，僅分析空調(diào)冷凍水側(cè)的情況。

2）冷水機(jī)組和一級泵的能耗和初投資按各場館冷負(fù)荷比例分?jǐn)偟奖緢鲳^。

3）場館每年從 5 月運營至 10 月，每天開館 10 小時，共計 1800 小時/ 年，且假定運營期間機(jī)組均滿負(fù)荷運行。

經(jīng)核算，得到兩種方案在耗電量和初投資方面的對比情況，見表 2。

表2 兩種方案在耗電量和初投資方面的對比

綜上可見，在冷凍水側(cè)年耗電量方面，設(shè)計方案比對比方案減少約 36 萬 kW·h，其能耗明顯低于對比方案。分析其中原因，設(shè)計方案由于空調(diào)冷凍水流量的降低，使得冷凍水側(cè)的輸配系統(tǒng)能耗減小，而空調(diào)冷凍水供回水溫差的增大使得冷水機(jī)組的能耗反而增多，但增加的幅度沒有輸配系統(tǒng)的大。另外，在初投資方面，設(shè)計方案由于水流量的降低，從而減小了水泵的尺寸、管道的直徑以及保溫材料的用量等，從而使得其相比于對比方案減少了約91 萬元的初投資。

以上從節(jié)能性和經(jīng)濟(jì)性方面充分表明了場館設(shè)計“ 大溫差小流量”的空調(diào)水系統(tǒng)方案是切實可行的。

6 大空間通風(fēng)、排煙系統(tǒng)設(shè)計

6.1 大空間排煙設(shè)計

場館大空間消防排煙系統(tǒng)采用自然排煙方式。場館空間凈高大于9m，按照規(guī)范[9]，自然排煙系統(tǒng)的具體設(shè)計如下：

1）以不超 2000 m2設(shè)置虛擬防煙分區(qū)，各防煙分區(qū)長邊最大允許長度不大于60 m，防煙分區(qū)劃分示意見圖 5。

圖5 防煙分區(qū)劃分示意圖

2）每個防煙分區(qū)在屋頂和（或）外墻布置排煙口，單個防煙分區(qū)的計算排煙量根據(jù)規(guī)范[9]中表 4.6.3 直接取值為211000m3/ h，按風(fēng)速 1.01 m/s（外墻）和1.414 m/s（屋頂）分別計算自然排煙窗（口）的有效面積，計算公式如下：

式中：S為自然排煙窗（口）的有效面積，m2；V為計算排煙量，m3/ h；ν為計算風(fēng)速。

3）防煙分區(qū)內(nèi)任一點與最近的自然排煙窗（口）之間的水平距離不大于30m。

場館中通過側(cè)墻設(shè)置排煙窗、屋頂設(shè)置屋面高效通風(fēng)采光裝置來實現(xiàn)自然排煙。

6.2 大空間通風(fēng)設(shè)計

在場館大空間的屋頂設(shè)置屋面高效通風(fēng)采光裝置，通過合理利用風(fēng)壓和熱壓來進(jìn)行自然通風(fēng)。夏季根據(jù)需要開啟部分裝置排除上部積聚的熱濕空氣。過渡季可全部開啟，減少人工冷源的使用，從而節(jié)約空調(diào)系統(tǒng)運行費用。

設(shè)計應(yīng)用的屋面高效通風(fēng)采光裝置（圖 6）既集成了普通通風(fēng)器的通風(fēng)性能和排煙天窗的排煙性能，同時又能保證較高的采光效率。此裝置采用平移式閥板雙側(cè)出風(fēng)，以此達(dá)到顯著的通風(fēng)效果。平時可打開若干用于通風(fēng)，火災(zāi)時由消控中心打開用于排煙。

圖6 屋面高效通風(fēng)采光裝置

7 結(jié)語

大型室內(nèi)水上娛樂場館項目在國內(nèi)的工程實踐較少，如何合理設(shè)計該項目的暖通空調(diào)系統(tǒng)給設(shè)計師帶來了許多想法。筆者從設(shè)計參數(shù)、空調(diào)負(fù)荷、空調(diào)末端、氣流組織、水系統(tǒng)、通風(fēng)排煙系統(tǒng)等角度出發(fā)，介紹和分析了該場館的空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計思路和設(shè)計要點。目前該場館尚未竣工，筆者會在該場館運行后收集實際數(shù)據(jù)并加以分析和總結(jié)，以此驗證空調(diào)系統(tǒng)的合理性，這樣對今后類似項目更有指導(dǎo)意義。