深圳國際會展中心空調及通風設計

深圳市歐博工程設計顧問有限公司 廖曉華 吳少光 蔡戈鋒 張 艷

1 工程概況

深圳國際會展中心地處粵港澳大灣區(qū)北部，珠三角中心和廣東自貿(mào)區(qū)中心，廣深港核心發(fā)展走廊和東西向發(fā)展走廊交匯處，是“三城一港”(國際會展城、海洋新城、會展田園城與綜合港區(qū))的主體建筑之一。項目集展覽、會議、商務、餐飲、娛樂、體育等功能，總建筑面積約154萬m2，包括16個2.0萬m2的標準展廳，2個2.0萬m2的多功能展廳，1個5.3萬m2的超大展廳及2個6.6萬m2的登錄大廳。項目鳥瞰圖見圖1。

圖1 項目鳥瞰圖

2 空調冷源及空調水系統(tǒng)設計

2.1 空調冷源設計

該項目跨度較大，南北長約1 700 m，東西寬約472 m。展廳及登錄大廳均布置在中央廊道兩側，考慮到展覽規(guī)模及展廳單元劃分、系統(tǒng)可靠性、展覽運營模式適用性、運營管理便捷性及項目本身的特點，采用分散式制冷站，制冷站數(shù)量、分布位置與后期運營模式相匹配，使制冷站始終處于高效的運行工況。

結合項目的工程特點，經(jīng)多方討論和研究，該項目共規(guī)劃了5個獨立制冷站，如圖2所示。

注：A1～A11、C1～C4、C6～C9、C11、C12為展廳單元編號。圖2 制冷站分布

其中，1#、3#、4#制冷站為常規(guī)水冷式電制冷站，每個制冷站分別服務4個標準展廳，且位于服務區(qū)中心區(qū)域的地下室。因A5(南登錄大廳)和A10(北登錄大廳)地下室分別設有有效蓄水容積約7 300 m3和7 800 m3的消防水池，因此2#和5#制冷站采用水蓄冷式制冷站。

展廳空調負荷隨室外氣象參數(shù)、參展人數(shù)、設備燈光負荷(不同類型展覽的差異較大)等多種不確定因素變化而變化，因此空調系統(tǒng)的實際運行工況比設計工況更為復雜。2#和5#制冷站的蓄冷量約為設計日總冷負荷的25%，各制冷站白天大部分空調負荷主要由制冷主機承擔。近年來，變頻離心式冷水機組因其部分負荷工況下仍然可以維持較高COP的特性，逐步得到廣泛應用，其節(jié)能性在實際運行項目中得到了驗證。因此，集中空調系統(tǒng)通常配置1臺或多臺變頻式冷水機組。本節(jié)以1#制冷站為分析對象，參考國內某主流品牌的價格及性能參數(shù)，對比分析變頻和定頻離心式冷水機組在不同組合下的初投資及能耗。

1#制冷站共選用4臺離心式冷水機組：3臺單臺制冷量5 626 kW、1臺制冷量2 814 kW。4種制冷主機的搭配方案及相應初投資如表1所示。其中方案1初投資最低，為776萬元，方案4初投資最高，為860萬元，兩者相差84萬元。

表1 1#制冷站變頻和定頻離心機組搭配方案及初投資

為便于對比，分別選取100%、75%、50%及25%負荷4種工況。此外，鑒于展覽建筑的特殊性，結合深圳的氣候條件，取年空調使用時間為160 d。經(jīng)計算，4種方案不同負荷率下的日運行能耗如表2所示。

表2 1#制冷站不同制冷主機搭配方案能耗對比

深圳市供電局現(xiàn)行工商業(yè)峰平谷電價如下：峰段電價0.907 2元/(kW·h)，平段電價0.602 4元/(kW·h)，谷段電價0.218 4元/(kW·h)。各方案不同負荷率下的空調日運行電費如表3所示。

表3 1#制冷站不同制冷主機搭配方案運行電費對比

以方案1作為基準方案，方案2～4相對方案1每年節(jié)省的運行電費及其靜態(tài)投資回收期如表4所示。參考蓄冷相關規(guī)范要求，蓄冷系統(tǒng)的靜態(tài)投資回收年限宜小于5 a[1]，4種方案的靜態(tài)投資回收期基本符合要求。此外，在現(xiàn)行電價下，方案4在全壽命周期(以20 a計)內相對方案3可節(jié)省運行費用69.4萬元。因此，方案4的節(jié)能性更優(yōu)。

表4 1#制冷站方案2～4費用與靜態(tài)投資回收期

基于以上能耗分析及經(jīng)濟性分析，結合運營方對于空調節(jié)能性的要求，該項目1#～5#制冷站的離心式冷水機組均采用變頻機組。

實際運行工況中，借助“機房群控系統(tǒng)”預設計算程序及系統(tǒng)運行中的自我修正功能，對系統(tǒng)的運行能效進行實時優(yōu)化控制，以獲取系統(tǒng)任一時刻的最佳運行工況，進一步提升系統(tǒng)的運行能效。

各區(qū)域空調負荷及各制冷站冷源設備的配置如表5所示。

2.2 空調水系統(tǒng)設計及空調末端性能分析

2.2.1空調水系統(tǒng)設計

表5 各區(qū)域空調負荷及各制冷站冷源設備配置

近年來，隨著主機制冷效率的提高、水泵變頻技術的成熟，大溫差供冷技術使得空調水系統(tǒng)輸送能耗逐漸下降。而以往制約大溫差應用的盤管換熱能力也有較大提升，進一步推動了大溫差供冷技術的應用。該項目蓄冷系統(tǒng)采用間接性供冷(蓄冷水池和用戶側通過板式換熱器隔開)，蓄冷水池設計供/回水溫度為5 ℃/14 ℃，用戶側設計供/回水溫度為6 ℃/15 ℃。

各制冷站位于所服務區(qū)域的幾何中心，供冷半徑小于400 m，為簡化系統(tǒng)水泵的運行策略，避免因串聯(lián)水泵運行失調導致“大流量小溫差”現(xiàn)象，且一級泵空調水系統(tǒng)較二級泵空調水系統(tǒng)有明顯的節(jié)能優(yōu)勢[2]，故該項目各空調水系統(tǒng)均采用一級泵變流量水系統(tǒng)。

因1#、3#和4#制冷站服務的4個展廳末端的阻力特性均相同，故系統(tǒng)僅在分集水器處設置一級靜態(tài)平衡閥即可。

2#和5#制冷站末端阻力特性復雜，系統(tǒng)采用兩級平衡：第一級平衡閥設于分集水器處，第二級平衡閥設于各樓層連接末端的主干管上，且風機盤管和組合式空調機組分開設置環(huán)路。

2.2.2空調末端性能分析

該項目集中空調系統(tǒng)主要服務對象為展廳，展廳空調系統(tǒng)采用一次回風全空氣系統(tǒng)。而大溫差空調水系統(tǒng)對空調末端的換熱能力有一定影響，為此，各主流廠家也對盤管進行了改進。以展廳選用的額定風量25 000 m3/h和60 000 m3/h的組合式空調機組(下稱機組1和機組2)為對象，以國內某主流品牌的組合式空調機組性能參數(shù)為依據(jù)，對比分析進/出水溫度6 ℃/15 ℃和常規(guī)進/出水溫度7 ℃/12 ℃下新風工況和回風工況的換熱能力，見表6、7。

表6 組合式空調機組(機組1)不同溫差的換熱能力對比

2) 回風工況進風干球溫度和濕球溫度參照文獻[4]的回風測試工況進風參數(shù)。

以6排管為例，相對7 ℃/12 ℃進/出水溫度，當進/出水溫度為6 ℃/15 ℃時，新風工況下機組1的全熱換熱能力和潛熱換熱能力分別衰減11.23%和12.11%，機組2的全熱換熱能力和潛熱換熱能力分別衰減1.78%和1.94%。由此可以看出，新風工況下大溫差空調水系統(tǒng)的表冷器全熱換熱能力和潛熱換熱能力隨進出水溫差變化的衰減幅度基本相同。而回風工況下，機組1的全熱換熱能力和潛熱換熱能力分別衰減17.64%和36.51%，機組2的全熱換熱能力和潛熱換熱能力分別衰減13.91%和28.03%。由此可以看出，回風工況下大溫差空調水系統(tǒng)的表冷器潛熱換熱能力隨進出水溫差的增加而衰減得更大。

表7 組合式空調機組(機組2)不同溫差的換熱能力對比

根據(jù)焓濕圖可得，展廳室內狀態(tài)點(干球溫度25 ℃、相對濕度55%)的等濕狀態(tài)點為干球溫度17 ℃、濕球溫度15.9 ℃。因此，大溫差空調水系統(tǒng)新風機組的表冷器盤管排數(shù)仍可選用6排。

鑒于進出水溫差達到9 ℃時，組合式空調機組回風工況下除濕能力衰減幅度較大，為滿足機組的除濕能力要求，回風機組的表冷器盤管排數(shù)需增加至8排。

大溫差空調水系統(tǒng)對于風機盤管換熱能力的影響如表8所示。因此，風機盤管選型需要放大20%，以確保供冷能力。

表8 某廠家的大溫差風機盤管的制冷修正系數(shù)

3 展廳氣流組織設計

3.1 展廳氣流組織

首先，展覽建筑類甲等展廳室內凈高不小于12 m[5]，高大展廳高度甚至可達30 m，因此采用分層空調系統(tǒng)可減少空調運行能耗，在氣流組織設計良好的情況下可減少30%的冷量[6]。

其次，目前展覽類型和展覽品種持續(xù)增長，對展覽的環(huán)境要求也隨之提高，除溫濕度等要求之外，還需要保證展品的安全性。若將風管和風口設在展廳頂部，因屋頂附近的空氣露點溫度高，在極端天氣下容易導致風管表面結露，嚴重影響展臺、參展和觀展人員。

再次，該項目展廳均為單層，單個面積大、空間大、體量大，展廳主體采用鋼結構框架，利用鋼柱支撐屋頂立體桁架。桁架間距18 m，若頂送風管布置在桁架內，則會導致空調主風管與主體鋼柱和桁架下弦位置沖突，若風管布置在桁架之間，存在高空施工缺少施工平臺、支吊架生根困難、安裝施工周期長等不利因素。

最后，因展廳使用的特殊性，展廳內部通常不允許設置風柱等“障礙物”，以確保使用空間的完整和靈活性。

綜合以上各因素，該項目展廳(桁架下沿距地面高度為17 m)采用側送側回的分層空調系統(tǒng)，送風口和回風口均設在展廳的2個長邊，兩側風口距離約97 m，展廳平面圖及氣流組織分別如圖3和圖4所示。

圖4 氣流組織示意圖

另外，據(jù)該項目美國運營方反饋，側送風氣流對桁架下懸掛廣告牌的抖動影響是可接受的，對其廣告功能和效果無明顯影響。

3.2 送風高度的確定及氣流組織模擬

根據(jù)國內某主流球形噴口廠商產(chǎn)品規(guī)格，球形噴口最大尺寸為D630，對應的最大送風量為6 000 m3/h，根據(jù)焓濕圖計算，送風溫差Δt=8 ℃，人員活動區(qū)高度1.7 m，射程45.0 m，采用多股平行非等溫射流計算公式組計算[7]，風口安裝高度為13.5 m。為改善送風口附近區(qū)域的氣流組織，下側球形噴口規(guī)格為D400，安裝高度擬定為10.0 m。

為了更好地確定送風口高度，并研究展板高度對空調送風氣流組織的影響，該項目采用Fluent軟件進行模擬，經(jīng)過多次計算及微調，最終確定送風高度分別為13.5 m和10.5 m。

在實地考察深圳會展中心時，從會展運營方得知，展板的存在是影響展廳氣流組織的重要因素，深圳本地對展板的限高為7 m，大多數(shù)展覽使用的展板高度為3～6 m。

因展板對室內氣流組織有一定的阻擋影響，對該項目有/無展板的展廳的氣流組織進行了數(shù)值模擬。其中，有展板展廳的數(shù)值計算模型如圖5所示。

圖5 有展板展廳氣流組織數(shù)值模擬計算模型

氣流組織模擬結果如圖6、7所示。速度場和溫度場云圖顯示：2種模擬工況下的室內平均溫度和平均氣流速度基本符合設計要求；無展板模擬工況下的室內溫度和氣流流速分布更為均勻，但室內平均氣流流速更高；有展板模擬工況，室內人員活動區(qū)在展板處因展板的阻擋而出現(xiàn)局部的渦流，進而導致各展板附近局部氣流速度較大。圖7顯示了人員活動高度多處出現(xiàn)高流速氣流，速度約1.5 m/s。

4 特殊場合空調設計

4.1 國際報告廳空調設計

為滿足大型國際性質的報告和會議需求，在北登錄大廳(A10)設有可容納1 920人的國際報告廳。

圖6 無展板的展廳室內氣流組織

圖7 有展板的展廳室內氣流組織

根據(jù)運營方的要求，該報告廳的空調設計應滿足室內全年溫濕度要求(室內溫度24 ℃，相對濕度50%)，且空調系統(tǒng)應設有空氣凈化措施。

該項目集中空調采用大溫差供冷，除濕能力相對較差，在夏季極端天氣下，難以滿足運營方對室內相對濕度的要求。通常在每年2—4月深圳會出現(xiàn)“回南天”氣候，室外空氣相對濕度可高達80%～90%(對應干球溫度為18～25 ℃)，除濕難度非常大，若采用冷凍除濕難以保證除濕效果，且需要再熱以滿足室內溫度要求。

綜合對比深度冷凍除濕、轉輪除濕及溶液除濕，并實地考察其他相關項目，該項目最終采用熱泵熱回收型溶液調濕空調，并內置表冷器(非大溫差型)，利用集中空調系統(tǒng)的大溫差冷水消除顯熱，新風及室內空調負荷中的潛熱利用溶液進行消除，實現(xiàn)溫濕度獨立控制，精確控制室內的溫度和濕度。

冬天，集中空調冷源關閉的情況下，機組可通過熱泵和溶液單元實現(xiàn)加熱加濕功能，以滿足室內溫濕度要求。在“回南天”，機組也可以在集中冷源關閉的情況下實現(xiàn)機組的除濕功能。

因鹽溶液具有殺菌除塵(可吸入顆粒物PM10和細顆粒物PM2.5)功能[7]，可代替空氣凈化器，滿足室內的空氣品質要求。

4.2 日常使用房間的空調設計

因標準展廳配套用房(辦公室、小會議室、洽談室及衛(wèi)生間等)的總冷負荷約為展廳負荷的18%，而1#、3#和4#制冷站為常規(guī)集中空調系統(tǒng)，為滿足配套用房的靈活使用需求，并避免集中空調系統(tǒng)處于低效率運行，A1、A2、C1、C2、A6～A9、C6～C9等標準展廳的配套用房采用VRF+新風系統(tǒng)。

根據(jù)建筑功能布局，非展覽功能的日常使用房間(辦公、會議、餐廳、廚房等)主要集中布置在南、北登錄大廳，非辦展期間的空調負荷比例較大。為該區(qū)域服務的2#和5#制冷站均為蓄冷空調系統(tǒng)，可以通過消防水池在夜間進行蓄冷，白天僅運行空調放冷水泵即可實現(xiàn)制冷功能，充分利用深圳蓄冷空調峰谷電價的優(yōu)惠政策，節(jié)約空調運行費用。

4.3 數(shù)據(jù)中心的空調設計

該項目在南登錄大廳和北登錄大廳各設有1個數(shù)據(jù)中心，采用精密空調維持室內的溫度和濕度。

空調末端采用水冷型列間精密空調，設備設置于每列機架之間，采用N+1配置；空調冷源采用風冷式渦旋冷水機組，兩用一備；空調水系統(tǒng)采用閉式環(huán)狀循環(huán)管網(wǎng)，滿足數(shù)據(jù)機房區(qū)在線維護需求。

5 布展和撤展期間的通風設計

非展覽階段，展廳的空調往往處于非工作狀態(tài)。據(jù)深圳會展中心等已投入使用的會展中心運營方反饋，以往大多數(shù)會展建筑的展廳未設置合理的通風系統(tǒng)，導致在布展和撤展期間室內環(huán)境悶熱且揚塵嚴重，影響工作人員的身心健康。因此，運營方建議設計階段對通風量進行嚴格計算，以改善布展和撤展期間室內的工作環(huán)境。

5.1 熱平衡通風量計算

重點研究了布展和撤展階段基于消除余熱、滿足人員工作環(huán)境的通風系統(tǒng)。室外設計參數(shù)取夏季通風設計溫度31.2 ℃，工作人員的室內環(huán)境溫度取33.0 ℃[8]。室內熱源主要為高度6 m以下的圍護結構和室內工作人員，經(jīng)計算室內顯熱負荷約280 kW，需通風量約462 000 m3/h，設計選用8臺單臺通風量65 000 m3/h的低噪聲變頻離心風機，室內換氣次數(shù)約2 h-1。

因布展和撤展期間展廳進出貨車的大門均敞開，故送風系統(tǒng)利用大門洞口自然進風，門洞口總面積為432 m2，進風風速約為0.3 m/s。

5.2 除塵量校核

布展和撤展期間室內空氣污染物主要為PM10，表9給出了深圳生態(tài)環(huán)境局公布的近5年PM10的全年平均質量濃度監(jiān)測值，5年平均值為46.6 μg/m3，而工作場所室內PM10的質量濃度為0.15 mg/m3[9]。經(jīng)計算，每小時可消除的PM10總量約54 kg，即在布展和撤展期間，每小時可消除室內裝飾材料產(chǎn)生的約54 kg發(fā)塵量，大大改善了室內衛(wèi)生條件和工作環(huán)境。

表9 2014—2018年深圳室外空氣PM10年平均質量濃度 μg/m3

因該項目展廳空調系統(tǒng)均可全新風運行，排風系統(tǒng)也兼作展覽期間空調過渡季通風用途。

6 實際運行效果

深圳國際會展中心自2019年9月竣工并投入使用以來，多次成功舉辦了寶安區(qū)產(chǎn)業(yè)發(fā)展博覽會、深圳國際智能裝備產(chǎn)業(yè)博覽會、2019大灣區(qū)工業(yè)博覽會等各類展覽會，各空調系統(tǒng)和通風系統(tǒng)運行效果良好，得到運營單位和各參展單位的好評。

2019年11月26—29日，深圳國際會展中心迎來了自運營以來最大規(guī)模的展會——2019大灣區(qū)工業(yè)博覽會，使用了10個標準展廳和南登錄大廳，分設十大主題，總展覽面積達到20萬m2，如圖8、9所示。展覽期間白天深圳室外氣溫約為24～27 ℃。每隔1～2 h對展廳內多個點室內溫度進行測試，取平均值，室內平均溫度為21.5～24.5 ℃。

圖8 2019大灣區(qū)工業(yè)博覽會展廳分布

圖9 2019大灣區(qū)工業(yè)博覽會展廳現(xiàn)場

7 結語

1) 該項目共設置了5個區(qū)域制冷站，其中3個為常規(guī)式制冷站，2個為基于消防水池的蓄冷式制冷站。為實現(xiàn)全壽命周期的高效節(jié)能，所有制冷主機均選用變頻機組。

2) 該項目采用6 ℃/15 ℃的一級泵變流量空調水系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的7 ℃/12 ℃供/回水溫度相比，對新風工況下空調機組表冷器的全熱換熱能力及潛熱換熱能力影響較??；但回風工況下，潛熱換熱能力比全熱換熱能力的衰減幅度更大。因此，回風工況的機組的表冷器盤管排數(shù)應適當增加，以滿足室內的除濕需求。而風機盤管的選型應放大20%。

3) 展廳氣流組織采用側送側回形式，通過專業(yè)氣流組織模擬軟件Fluent優(yōu)化確定送風口高度，以獲取最佳空調效果。

4) 針對國際報告廳的空調負荷特性及運營要求，設計了可滿足全年工況室內溫濕度要求的空調系統(tǒng)——熱泵熱回收式溶液調濕空調系統(tǒng)。

5) 展廳多功能排風系統(tǒng)的設計同時兼顧了布展和撤展?jié)M足工作人員衛(wèi)生要求、過渡季展覽期間室內空調全新風運行要求，既可改善目前會展建筑布展和撤展期間的工作環(huán)境，也為實現(xiàn)過渡季空調系統(tǒng)全新風運行創(chuàng)造了良好條件。