北京某交通樞紐暖通空調(diào)設(shè)計及若干問題思考

王平

北京市市政工程設(shè)計研究總院有限公司

1 工程概況

本工程為北京市某綜合交通樞紐工程（圖1），該交通樞紐主樓按不同功能分為東樓，北樓和南樓三個體塊，總建筑面積88122.57 m2，其中地上建筑面積50014.09 m2，地下建筑面積38108.48 m2。其中東樓地上一層為換乘廳、候車廳，層高達(dá)到10 m 左右，屬于高大空間，地下兩層主要為地下停車庫及設(shè)備用房。南樓地下兩層，地上六層，其中地下二層為停車庫，冷水機(jī)房和消防泵房也在地下二層，地下一層主要功能區(qū)有停車庫、鍋爐房和變配電室，地上層主要有到車區(qū)、商業(yè)區(qū)、餐飲區(qū)、辦公區(qū)、宿舍區(qū)。北樓地下一層，地上四層，其中地下一層主要為辦公區(qū)、廚房、變配電室，地上一層為發(fā)車區(qū)，其他為辦公區(qū)。

圖1 北京市某交通樞紐工程

2 冷熱源及空調(diào)系統(tǒng)介紹

2.1 冷熱源

本工程空調(diào)冷源采用電制冷冷水機(jī)組+冷卻塔的方式，在南樓地下二層空調(diào)冷水機(jī)房內(nèi)設(shè)置三臺離心式冷水機(jī)組，冷水機(jī)組夏季空調(diào)冷凍水的冷媒參數(shù)為7/12 ℃，冷卻塔設(shè)置于南樓屋頂，冷卻水供回水溫度32/37 ℃。本工程室內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)冬季采暖熱源為設(shè)置在樞紐南樓地下一層鍋爐內(nèi)的兩臺燃?xì)鉄崴仩t，一次熱水熱媒參數(shù)為85/60 ℃。經(jīng)板式換熱器換熱后，冬季空調(diào)熱水的熱媒參數(shù)為60/45 ℃。

2.2 空調(diào)水系統(tǒng)

空調(diào)水系統(tǒng)為二級泵系統(tǒng)，二級泵系統(tǒng)在分集水器處按南北樓、東樓高大空間空調(diào)機(jī)組、東樓地板采暖系統(tǒng)劃分為三個支路（圖2）。

圖2 冷水機(jī)房系統(tǒng)原理圖

2.3 空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)

根據(jù)建筑功能的劃分，并考慮系統(tǒng)的管理方便和運(yùn)行安全可靠，本工程空調(diào)系統(tǒng)主要設(shè)置了兩套系統(tǒng)，即低風(fēng)速一次回風(fēng)全空氣空調(diào)系統(tǒng)和風(fēng)機(jī)盤管加新風(fēng)系統(tǒng)（圖3）。系統(tǒng)劃分如下：東樓首層換乘廳、候車廳為高大空間，空調(diào)系統(tǒng)采用一次回風(fēng)全空氣空調(diào)系統(tǒng)，全空氣系統(tǒng)采用可變新風(fēng)比，過渡季可采用全新風(fēng)送風(fēng)。其他各空調(diào)房間均采用風(fēng)機(jī)盤管加新風(fēng)系統(tǒng)，達(dá)到操控靈活，并可同時滿足對室內(nèi)溫濕度的不同要求。

圖3 空調(diào)系統(tǒng)平面圖

其他特殊房間采用相應(yīng)的空調(diào)形式，樞紐主樓衛(wèi)生間、設(shè)備用房等冬季采暖采用落地安裝風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)。樞紐東樓候車換乘大廳冬季設(shè)低溫地板輻射供暖，與空調(diào)系統(tǒng)互為補(bǔ)充。南北樓地下一層主副變配電室、弱電機(jī)房設(shè)置變頻多聯(lián)式中央變頻空調(diào)系統(tǒng)，作為消除室內(nèi)余熱通風(fēng)系統(tǒng)的補(bǔ)充，多聯(lián)機(jī)室外機(jī)均設(shè)置在屋頂。設(shè)備機(jī)房及電源室設(shè)計機(jī)房專用空調(diào)，消除室內(nèi)設(shè)備余熱，室外機(jī)設(shè)于屋頂上。

2.4 通風(fēng)與防排煙系統(tǒng)

地下層汽車庫，鍋爐房，變配電室，設(shè)備泵房，廚房操作間等分別設(shè)置機(jī)械送、排風(fēng)系統(tǒng)。地下層汽車庫按每個防火分區(qū)設(shè)置一套機(jī)械排煙和機(jī)械補(bǔ)風(fēng)系統(tǒng)；對不具備自然排煙條件的封閉樓梯間及合用前室均設(shè)置機(jī)械加壓送風(fēng)的防煙設(shè)施。地下室的內(nèi)走道和各房間總面積超過200 m2或單個房間面積超過50 m2，且經(jīng)常有人停留或可燃物較多的房間設(shè)置機(jī)械排煙系統(tǒng)。

樞紐東樓換乘廳及長途候車廳，梁下最低點(diǎn)為12.6 m，為高大空間，整體采用自然排煙系統(tǒng)。由于該空間已超過12 m，其自然排煙口的有效面積需經(jīng)計算確定。通過特殊消防設(shè)計，提出自然排煙設(shè)置方案，并進(jìn)行模擬論證分析，以確保自然排煙設(shè)置方案的合理性及有效性。

3 暖通設(shè)計難點(diǎn)及解決方法

3.1 二次泵系統(tǒng)的選擇

據(jù)統(tǒng)計，空調(diào)冷/熱水輸配系統(tǒng)的能耗大約占整個空調(diào)系統(tǒng)能耗的15%～20%，優(yōu)化設(shè)計水力輸配系統(tǒng)以減少水泵運(yùn)轉(zhuǎn)能耗，對建筑節(jié)能有著重要意義。依據(jù)《公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（GB50189-2015）可知“系統(tǒng)作用半徑較大、設(shè)計水流阻力較高的大型工程，空調(diào)冷水宜采用變流量二級泵系統(tǒng)。當(dāng)各環(huán)路的設(shè)計水溫一致且設(shè)計水流阻力接近時，二級泵宜集中設(shè)置；當(dāng)環(huán)路的設(shè)計水流阻力相差較大或各系統(tǒng)水溫或溫差要求不同時，宜按區(qū)域或系統(tǒng)分別設(shè)置二級泵”。

根據(jù)前面介紹，本工程冷水機(jī)房設(shè)置于南樓地下二層，冷水機(jī)房的沒有設(shè)置在負(fù)荷中心位置。在選配空調(diào)冷（熱）水系統(tǒng)的循環(huán)水泵時，應(yīng)計算空調(diào)冷（熱）水系統(tǒng)耗電輸冷（熱）比[EC(H)R-a]，計算結(jié)果如表1（以東樓為例）所示，從表中可知，采用一級泵系統(tǒng)，空調(diào)水系統(tǒng)耗電輸熱比EC(H)R 不滿足要求，二級泵系統(tǒng)的空調(diào)水系統(tǒng)耗電輸冷（熱）比EC(H)R 均滿足要求。因此本工程可考慮采用二級泵系統(tǒng)。

表1 空調(diào)水系統(tǒng)耗電輸冷(熱)比EC(H)R-a 計算

根據(jù)計算得知：北樓空調(diào)水環(huán)路阻力為：0.12 MPa，南樓空調(diào)水環(huán)路阻力為0.13 MPa，東樓空調(diào)水環(huán)路阻力為0.22 MPa，冬季地板采暖水環(huán)路阻力為0.12 MPa。從文獻(xiàn)[1]可知：5 m 可作為“阻力相差懸殊”的界限，因此本工程宜分區(qū)域設(shè)置二級泵系統(tǒng)，其中南、北樓環(huán)路阻力相差不大，集中設(shè)置一套二級泵。東樓與其他區(qū)域阻力差值超過5 m，單獨(dú)設(shè)置一套二級泵。東樓冬季地板采暖系統(tǒng)由于供暖水溫低于散熱器供暖甚至空調(diào)供暖的常規(guī)水溫，采用二級混水泵和混水三通閥的直接串聯(lián)系統(tǒng)。

從上面分析可知，現(xiàn)代交通樞紐占地面積大、功能復(fù)雜且多樣化，一般根據(jù)功能劃分不同區(qū)域，當(dāng)同一供冷站或供熱站為不同區(qū)域服務(wù)時，若主機(jī)未設(shè)在建筑中心或負(fù)荷中心，或各區(qū)域距離相差較遠(yuǎn),使得各環(huán)路阻力相差懸殊,則可分區(qū)域分環(huán)路按阻力大小設(shè)置和選擇二級泵,比設(shè)置一組二級泵更節(jié)能。應(yīng)注意，不同區(qū)域劃分或者不同使用時間段并不意味著需要分區(qū)域設(shè)置多套二級泵，例如本工程南、北樓就共用了一套二級泵。正如文獻(xiàn)[1]所述，若阻力相差不大且要求水溫一致，選用一套二級泵更加合理，這樣可有效避免低負(fù)荷時大流量小溫差的情況，即減少了投資且較節(jié)能。

3.2 高大空間射流角度優(yōu)化設(shè)計

對于高大空間，分層空調(diào)是采用比較廣泛的一種空調(diào)方式，分層空調(diào)是指僅對下部區(qū)域進(jìn)行空調(diào)，而對上部區(qū)域不空調(diào)的空調(diào)方式，與全室空調(diào)相比，因而節(jié)省初投資和運(yùn)行能耗。分層空調(diào)通常采用噴口送風(fēng)方式，做法是將噴口安裝在空間的周邊側(cè)墻，以4～12 m/s 的速度、8～12 ℃的溫差及一定的角度射流，經(jīng)氣流衰減，使回流經(jīng)過人員活動區(qū)帶走熱量和濕量。在本工程中，對于換乘廳這種跨度較大（50 m）且高大空間采用了雙側(cè)對噴的送風(fēng)方式。從資料調(diào)研發(fā)現(xiàn)，噴射角度是影響送風(fēng)效果的關(guān)鍵因素。在設(shè)計中，利用Fluent 對不同送風(fēng)角度下，換乘廳的速度場及溫度場進(jìn)行了模擬計算，得到了空氣流速及溫度的分布，分析研究了不同送風(fēng)角度對室內(nèi)氣流流動與溫度分布的影響。

3.2.1 構(gòu)建模型

設(shè)計情況：東樓換乘廳跨距為50 m，兩側(cè)設(shè)置對噴球形風(fēng)口，噴頭間距為2.4 m，噴口高度為4.5 m，噴口采用妥思DUK 型球形風(fēng)口400，單個出風(fēng)量為1500 m3/h，射程32 m，具體見圖4。

圖4 樞紐候車廳雙側(cè)對噴空調(diào)平面圖

構(gòu)建CFD 模型如圖5 所示：

圖5 CFD 構(gòu)建模型

3.2.2 模擬結(jié)果

由于空間大而高，氣流之間相互影響較大，因而不同的射流角度所產(chǎn)生的人員區(qū)（1.5 m 高）溫度速度分布不盡相同。在此，分別計算了0°、5°、10°、15°向下射流時，高度為1.5 m 的水平溫度分布（以夏季供冷工況為例）。

由圖6 可看出，水平射流或者向下角度較小時，由于冷空氣與上部熱空氣混合后向上流動，未能回流至下部空間，造成1.5 m 高度處平均溫度較高，且靠近外墻位置溫度高達(dá)31℃。隨著射流角度向下，1.5 m 高度處平均溫度逐漸降低。當(dāng)向下15°射流時，溫度分布均勻，且外墻邊溫度也較適宜?？梢娚淞鹘嵌仍黾?，對1.5 m 人員活動區(qū)溫度分布有利，與文獻(xiàn)[2]結(jié)論一致。由文獻(xiàn)[2]可知，當(dāng)送風(fēng)角度在向下15～30°時，送風(fēng)射流有可能與地面碰撞，射流仍具有較大動量并以較大的動量折回空氣中，使得冷射流混亂加劇，有可能無法滿足室內(nèi)設(shè)計參數(shù)的要求。因此，結(jié)合模擬結(jié)果及參考文獻(xiàn)，推薦15°向下射流為較合理的射流角度。

圖6 CFD 模擬結(jié)果(1.5 m 高度處溫度分布)

這種分層空調(diào)系統(tǒng)用于夏季工況能出現(xiàn)比較明顯的分層效果，并且能夠較好的滿足室內(nèi)舒適性要求。若冬季工況仍采用該分層空調(diào)系統(tǒng)，由于冬季熱空氣上浮現(xiàn)象嚴(yán)重，則該系統(tǒng)不適用于冬季。因此，本工程采用地板采暖系統(tǒng)輔助分層空調(diào)系統(tǒng)，以保證冬季的舒適性。

3.3 地下汽車庫通風(fēng)排煙系統(tǒng)的思考

3.3.1 排煙方式

由文獻(xiàn)[3]可知，常見的汽車庫通風(fēng)排煙主要方式有：1）排風(fēng)、排煙系統(tǒng)完全分開。2）排風(fēng)、排煙系統(tǒng)合用管道。3）排風(fēng)、排煙系統(tǒng)合用風(fēng)機(jī)。4）排煙系統(tǒng)+誘導(dǎo)通風(fēng)系統(tǒng)。本工程采用了方式3+方式4，采用雙速風(fēng)機(jī)為平時通風(fēng)和排煙合用，采用誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)可以減少管道尺寸（排煙風(fēng)速大），節(jié)省停車庫上部空間，提高地下車庫凈高正是業(yè)主所希望的。

3.3.2 排煙量

根據(jù)最新《汽車庫、修車庫、停車庫設(shè)計防火規(guī)范》GB50067-2014[4]可知：每個防煙分區(qū)排煙量與車庫凈高相關(guān)，例如本工程凈高為4.0 m，則每個防煙風(fēng)區(qū)的排煙量為31500 m3/h。為了節(jié)省投資和空間，本工程采用2 個防煙分區(qū)合用1 套機(jī)械排煙兼排風(fēng)系統(tǒng)，火災(zāi)及車流高峰時風(fēng)機(jī)高速運(yùn)行，車流較少時風(fēng)機(jī)低速運(yùn)行。但對于這種合用方式，規(guī)范中沒有明確排煙量的計算方法。根據(jù)文獻(xiàn)[5]可知，有專家建議多個防火分區(qū)合用一臺排煙風(fēng)機(jī)時，其風(fēng)量可按最大一個防煙風(fēng)區(qū)的排煙量和風(fēng)管的漏風(fēng)量，加上其他未開啟排煙閥或排煙口的漏風(fēng)量之和計算。在設(shè)計中考慮到若火災(zāi)正好發(fā)生在防煙分隔附近，煙氣有可能蔓延到兩個防煙分區(qū)內(nèi)。從安全性上考慮，本工程的排煙量計算按兩個防煙分區(qū)排煙量疊加，當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時，兩個防煙分區(qū)內(nèi)的排煙口同時開啟。

4 設(shè)計后期的若干問題分析

目前本工程正處于設(shè)備安裝階段，在施工配合過程中，也發(fā)現(xiàn)了不少問題值得注意。結(jié)合在設(shè)備安裝階段遇到的問題，下面將闡述在大型交通樞紐綜合體設(shè)計中易被忽略的一些問題，并希望引起注意。

4.1 空氣熱回收問題

根據(jù)北京市節(jié)能要求[6]，全樓中對室內(nèi)空氣進(jìn)行冷/熱循環(huán)處理的末端設(shè)備加集中新風(fēng)系統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)，其設(shè)計最小新風(fēng)總風(fēng)量≥40000 m3/h 時，應(yīng)有相當(dāng)于總新風(fēng)送風(fēng)量至少25%的排風(fēng)設(shè)置集中排風(fēng)系統(tǒng)，并進(jìn)行能量回收。

本工程總新風(fēng)量超過40000 m3/h，因此設(shè)置了熱回收系統(tǒng)，并對每個空調(diào)區(qū)風(fēng)機(jī)盤管加新風(fēng)系統(tǒng)新風(fēng)進(jìn)行熱回收，集中排風(fēng)比例按每個空調(diào)區(qū)新風(fēng)量的25%考慮，并根據(jù)熱回收處理排風(fēng)量選擇了空氣熱回收機(jī)組。這樣就造成了目前面臨的一個問題：市場上現(xiàn)有的空氣能量回收裝置排風(fēng)量與新風(fēng)量比值≥0.75，按照設(shè)計，則需要排風(fēng)量與新風(fēng)量比值為0.25，按熱回收處理排風(fēng)量選擇的空氣熱回收機(jī)組的新風(fēng)量偏小，不能滿足要求。究其原因就在于對規(guī)范的理解存在誤區(qū)，對總新風(fēng)送風(fēng)量至少25%的排風(fēng)設(shè)置集中排風(fēng)系統(tǒng)并不意味對每個空調(diào)區(qū)都要設(shè)置熱回收系統(tǒng)，可以某幾個空調(diào)區(qū)對75%新風(fēng)量進(jìn)行熱回收，某幾個不設(shè)置熱回收，使得熱回收處理排風(fēng)量大于總新風(fēng)送風(fēng)量的25%，就滿足規(guī)范要求。

4.2 吊頂高度問題

吊頂高度一般由建筑專業(yè)考慮，但是會發(fā)現(xiàn)在設(shè)計中起決定作用是設(shè)備專業(yè)的管線，尤其空調(diào)風(fēng)管尺寸。如果設(shè)計不合理就會造成吊頂高度偏低，甚至不滿足要求或者管線打架嚴(yán)重。因此在設(shè)計中各設(shè)備專業(yè)（電、暖、水）應(yīng)相互配合，確定各自的路由，避免設(shè)計后期管線打架嚴(yán)重和設(shè)計返工。建筑專業(yè)確定吊頂高度時，應(yīng)首先根據(jù)設(shè)備專業(yè)的管線綜合，合理確定吊頂高度。同時，設(shè)備專業(yè)應(yīng)根據(jù)建筑功能、建筑需求合理選擇設(shè)計方式。例如在本工程中有許多區(qū)域考慮后期的商業(yè)功能，這就要求吊頂高度盡量提高。在初期設(shè)計中只是按照樞紐辦公要求，吊頂高度保持在2.4 m 左右，這高度對于商業(yè)功能區(qū)域就偏低了。到設(shè)計裝修階段，就要求盡量提高吊頂高度，為了提高吊頂高度多處下送下回空調(diào)系統(tǒng)更改為側(cè)送側(cè)回方式。對于吊頂高度等類似問題，設(shè)備專業(yè)與建筑專業(yè)應(yīng)相互配合，已滿足建筑功能的要求。

4.3 屋頂設(shè)備基礎(chǔ)高度

在施工圖設(shè)計中，需要給結(jié)構(gòu)專業(yè)提供屋頂設(shè)備基礎(chǔ)高度以便于其進(jìn)行荷載計算，但是在實(shí)際設(shè)計中由于基礎(chǔ)高度沒有明文規(guī)定，這就使得其變成一個易被忽略的問題，有時也會采取隨意標(biāo)注高度500 mm、高出完成面200 mm 等不負(fù)責(zé)的做法。屋面設(shè)備，包括風(fēng)機(jī)，在保證便于安裝的前提下，基礎(chǔ)高度的作用主要是防止屋面積水浸濕設(shè)備機(jī)座。在本工程設(shè)計中，屋頂基礎(chǔ)高度的確定主要考慮三個因素。一是建筑完成面高度，因?yàn)樵O(shè)備基礎(chǔ)一般都坐落在結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，設(shè)備基礎(chǔ)應(yīng)高出建筑完成面。二是屋面積水高度，在排水不利條件下，屋面可能會發(fā)生積水?？紤]安全、可靠的基礎(chǔ)上，設(shè)備基礎(chǔ)高度應(yīng)考慮積水高度，積水高度可根據(jù)相應(yīng)計算得到，設(shè)備基礎(chǔ)高度可能隨建筑坡度變化，特別在積水低點(diǎn)處設(shè)備基礎(chǔ)高度最高。三是屋面防水卷材上翻高度，根據(jù)建筑要求，上翻高度需要高于積水高度200 mm。綜合考慮這三個因素確定了屋頂設(shè)備基礎(chǔ)的高度，根據(jù)不同工程，設(shè)備基礎(chǔ)高度存在差異，這里希望給大家提供一個參考。

5 結(jié)論

隨著城市的發(fā)展，大城市交通樞紐的功能不再單一化，它可集商業(yè)、餐飲、辦公、軌道交通于一身的綜合體，為了可以更好地滿足人員的舒適性要求以及多種功能的需要，合理設(shè)計暖通空調(diào)系統(tǒng)具有非常大的重要性。通過此案例分析了大型交通樞紐暖通空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計中的各種設(shè)計因素，使得交通樞紐的空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)與其多樣化的建筑功能合理結(jié)合。同時在本工程設(shè)計中采用了包括：過渡季節(jié)直接引用室外空氣作全新風(fēng)運(yùn)行。二次泵系統(tǒng)。高大空間射流角度優(yōu)化設(shè)計；全熱回收等節(jié)能技術(shù)。在安全、可靠、使用靈活、滿足溫濕度及其他環(huán)境要求的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了減少交通樞紐空調(diào)系統(tǒng)投資、降低運(yùn)行費(fèi)用的目的。