大型多層地下空間空氣品質(zhì)控制及整體性系統(tǒng)設(shè)計初探

鐘 樂

(華東建筑設(shè)計研究院有限公司,上海)

0 引言

隨著建筑多元化的發(fā)展,地下空間的規(guī)模性與功能性不斷增加,與地上建筑組成現(xiàn)代整體建筑。大型多層地下空間不僅保持著車庫、人防、設(shè)備用房等傳統(tǒng)建筑功能,還承擔(dān)著地下交通、商業(yè)、配套服務(wù)等新建筑需求。本文結(jié)合某大型多層地下空間項目中E段的實際情況,通過分析車庫及快速公共交通區(qū)域內(nèi)空氣有害物情況及全年各時段室外溫濕度不同狀態(tài),基于室內(nèi)溫濕度與室外進風(fēng)口處露點溫度的差值,制定合理的空氣環(huán)境品質(zhì)控制措施;探討真空垃圾統(tǒng)一收集系統(tǒng)的架構(gòu)及運行方式、各組成部分的設(shè)置要求、設(shè)備安裝空間的設(shè)計注意事項;以該地下空間集中冷熱源系統(tǒng)中服務(wù)于建筑高度為300 m的地上超高層辦公建筑的空調(diào)水系統(tǒng)為例,介紹集中冷熱源系統(tǒng)在此類項目中的優(yōu)勢。

1 工程概況

該地塊項目為大型多層地下空間建筑,建筑總面積約為150萬m2,依照分批建設(shè)的原則分為若干區(qū)段。以E段地下空間為例,其建筑面積為20.66萬m2,共有7個樓層：地下6層為地鐵站臺層,地下5層為地鐵設(shè)備層,地下4層為地鐵站廳層(部分區(qū)域為地下4層和地下3層挑空),地下3層和地下2層為停車庫、地下環(huán)路車道及設(shè)備用房(包含人防),地下1層為商業(yè)、餐飲,地下1層夾層為非機動車庫、輔助用房及設(shè)備用房等,具體剖面圖見圖1。

圖1 E段地下空間剖面示意圖

2 地下空間車庫及快速公共交通區(qū)域空氣環(huán)境品質(zhì)控制

設(shè)有舒適性空調(diào)的商業(yè)、服務(wù)用房等區(qū)域,在相對成熟的空調(diào)系統(tǒng)和自控系統(tǒng)的協(xié)同工作下,可實現(xiàn)令人相對滿意的空氣環(huán)境品質(zhì),但地下空間中車庫區(qū)域的空氣品質(zhì)常被忽視。該大型多層地下空間中車庫與相鄰的車庫配套服務(wù)區(qū)形成復(fù)合多樣的建筑功能,通過設(shè)于地下2層環(huán)路中的快速公共電瓶車道,實現(xiàn)各區(qū)段在地下空間內(nèi)的公共交通互通。對車庫及快速公共交通區(qū)域的空氣環(huán)境品質(zhì)進行合理、有效控制是實現(xiàn)地下空間建筑功能多樣性的保障。

2.1 有害物濃度控制

地下空間車庫內(nèi)有害物主要來自于機動車啟動、怠速和剎車時產(chǎn)生的發(fā)動機尾氣,其主要成分為燃油未完全燃燒而生成的CO、SO2、NOx、CmHn、甲醛和苯等。GB 50736—2012《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》條文說明第6.3.8條指出：采用CO作為有害物濃度控制參數(shù),并按30 mg/m3作為控制限值[1]。而且隨著綠色建筑的普及,地下車庫設(shè)置與排風(fēng)設(shè)備聯(lián)動的CO濃度監(jiān)測裝置才可滿足GB/T 50378—2019《綠色建筑評價標(biāo)準(zhǔn)》第5.1.9條所規(guī)定的控制項要求[2]。該項目車庫按每300 m2設(shè)置1個CO傳感器,同一防煙分區(qū)內(nèi)的傳感器形成1組系統(tǒng),并將傳感器信號傳至系統(tǒng)主機統(tǒng)籌控制,以滿足有害物濃度控制及綠色建筑評價要求。

2.2 溫濕度及防結(jié)露措施

通過對該項目所在地附近已投入運營的地下車庫項目進行走訪,得知該地下車庫在悶熱的夏季或者梅雨季節(jié),時常會出現(xiàn)地面潮濕、管線結(jié)露、墻面發(fā)霉等現(xiàn)象。不僅造成人員的不適感,還會造成行車因積水出現(xiàn)打滑、管線因結(jié)露造成短路、墻面因潮濕而產(chǎn)生霉菌等隱患。該地下車庫潮濕并易出現(xiàn)結(jié)露的主要原因為：

1) 此片區(qū)項目均靠近長江,地下車庫因貼鄰濕冷的土壤,外墻面、地面濕度較大,局部墻面和地面表面長期保持潮濕狀態(tài),使地下空間長期處于濕冷狀態(tài)。

2) 該項目所在地區(qū)的室外空氣溫濕度較高,通過機械通風(fēng)或自然風(fēng)壓流動帶入地下的濕空氣較多。項目所在地南京地區(qū)1980—2010年室外平均相對濕度較大[3],夏季平均相對濕度基本保持在80%左右,春季、秋季、冬季也基本在70%以上;根據(jù)GB 50736—2012附錄A可查得南京夏季通風(fēng)室外計算溫度為31.2 ℃。按通風(fēng)干球溫度31.2 ℃、相對濕度80%,可粗略計算得到夏季室外新風(fēng)的平均露點溫度約為27.3 ℃。

綜上,該地區(qū)夏季常年室外露點溫度處于較高的水平,而地下空間內(nèi)的外墻面、地面因貼鄰富含地下水的土壤,一直保持著濕度大且溫度較低的狀態(tài),一旦外墻面、地面的溫度低于進入地下室空氣的露點溫度,即會出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象。梅雨季節(jié)時室外空氣溫度雖然不高但濕度極高,地下空間更為濕冷,地下車庫更容易發(fā)生結(jié)露現(xiàn)象。其余季節(jié)除個別年份外,室外相對濕度也保持在70%左右的高值,在暴雨或溫度驟變的天氣下,亦會出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象。

經(jīng)過對已建成項目的總結(jié)分析,大型多層地下空間項目采用以下措施,用于防止結(jié)露現(xiàn)象的產(chǎn)生。

1) 對重點區(qū)域增加隔熱措施以提高其表面溫度：① 靠近出入口的風(fēng)管、橋架增加外隔熱包裹;② 貼鄰室外土壤的外墻面、地面增加內(nèi)隔熱涂料;③ 金屬材質(zhì)的指示牌、風(fēng)口、燈具等更換為塑料材質(zhì)。

2) 合理布置地下通風(fēng)系統(tǒng)：① 排風(fēng)口在不留排風(fēng)死角的前提下,設(shè)置風(fēng)口數(shù)量時向集水坑、冷水機房、鍋爐房、水泵房等重點區(qū)域傾斜,在這些區(qū)域附近多設(shè)排風(fēng)口,將產(chǎn)生的濕空氣快速排出。② 通風(fēng)系統(tǒng)常只設(shè)置1處補風(fēng)口進行集中補風(fēng),該做法使大量潮濕的室外空氣被送入同一區(qū)域,增加該區(qū)域的結(jié)露風(fēng)險。增加補風(fēng)口數(shù)量,將集中在1處的補風(fēng)口拆分為3～4個補風(fēng)點進行分散送風(fēng),且補風(fēng)點盡量設(shè)置在車庫內(nèi)部,遠(yuǎn)離外墻面及集水坑、冷水機房、鍋爐房、水泵房等區(qū)域。

3) 加強室內(nèi)除濕能力：① 在車庫內(nèi)預(yù)留除濕機的安裝機位、電源接口、排水點位等。除濕機的機位分為固定機位和臨時機位2種,固定機位長期放置除濕機,滿足隨時使用的需求,臨時機位可在濕度超標(biāo)時快速增設(shè)除濕機,靈活多變處理實際情況,臨時機位需根據(jù)實際情況進行規(guī)劃設(shè)置,在靠近外墻面、出入口等結(jié)露危險性較大的區(qū)域,或人員流動性較大的區(qū)域應(yīng)多設(shè)置。② 在人員長時間等待的區(qū)域(快速電瓶車候車區(qū)、車庫服務(wù)人員工作區(qū)等)設(shè)置局部舒適性空調(diào),以保持溫濕度恒定。

2.3 綜合控制策略

結(jié)合地下空間車庫區(qū)域有害物濃度控制方法和溫濕度控制措施進行分析,兩者之間有關(guān)聯(lián)但又有部分矛盾。兩者都需要通過控制通風(fēng)量來實現(xiàn),排出有害物時需要保持一定的通風(fēng)量,在避免結(jié)露時又需控制通風(fēng)量以避免高溫高濕空氣大量進入。綜合考慮各方面情況并設(shè)置合理的控制策略,是保證地下空間車庫安全性和舒適性的關(guān)鍵。該項目擬定在以下部位設(shè)置探測器：室外進風(fēng)處設(shè)置室外空氣溫濕度探測器;車庫內(nèi)設(shè)置室內(nèi)溫濕度探測器、CO濃度探測器;直接接觸土壤的外墻面、地面按點位安裝溫濕度探測器。以獲得實時狀態(tài)參數(shù)作為控制依據(jù),并制定以下綜合控制策略：

1) CO質(zhì)量濃度控制。隨著地下空間功能的拓展,地下車庫空間及相通配套服務(wù)區(qū)域內(nèi)人員的滯留時間更長：如乘坐地下快速公共交通,等待機械立體車庫運行,對新能源汽車充電,進行汽車維護、保養(yǎng)等。較長時間地吸入濃度較高的CO對身體健康存在潛在威脅[4],在此類環(huán)境中,CO質(zhì)量濃度低于18.75 mg/m3對人體更為安全[5-7]。且隨著新能源汽車數(shù)量的增加,車庫內(nèi)CO實際排放量將更低,可能長時間無法達(dá)到30 mg/m3的CO質(zhì)量濃度預(yù)設(shè)值,車庫通風(fēng)機工作時間較短,也可能導(dǎo)致車庫內(nèi)環(huán)境舒適度降低。所以設(shè)定當(dāng)檢測到車庫室內(nèi)CO質(zhì)量濃度高于18 mg/m3時開啟風(fēng)機,處于通風(fēng)工況;當(dāng)室內(nèi)CO回落至5 mg/m3時,風(fēng)機再繼續(xù)保持運行10 min后關(guān)閉,處于停機工況。

2) 溫濕度控制。實時測量室內(nèi)空氣、墻面、地面等保護點位的溫度,并與室外進風(fēng)口處空氣露點溫度進行對比,當(dāng)室內(nèi)保護點位的溫度高于進風(fēng)口處空氣露點溫度3.0 ℃以上時為安全狀態(tài),高于進風(fēng)口處空氣露點溫度1.5～3.0 ℃時為黃色預(yù)警狀態(tài),高于進風(fēng)口處空氣露點溫度0～1.5 ℃時為紅色預(yù)警狀態(tài);當(dāng)室內(nèi)保護點位的溫度低于進風(fēng)口處空氣露點溫度時為報警狀態(tài)。

3) 依據(jù)以上內(nèi)容,通風(fēng)綜合控制措施參照表1實行。

表1 通風(fēng)綜合控制措施

4) 夏季及梅雨季節(jié)原則上只在有害物濃度超標(biāo)的情況下開啟車庫通風(fēng)系統(tǒng),除此之外不進行其他通風(fēng)。當(dāng)溫濕度監(jiān)控處于預(yù)警及報警時開啟出入口風(fēng)幕機,避免室外的高溫高濕空氣通過室外風(fēng)壓滲透進入地下空間。

5) 秋季、冬季及除梅雨季節(jié)時段的春季,可在早、中、晚高峰時段內(nèi)定時打開通風(fēng)系統(tǒng),加強空氣流通。此時相鄰防火分區(qū)的通風(fēng)系統(tǒng)可兩兩交錯開啟,按每15 min輪換運行。如風(fēng)機中午高峰期開啟的時間為11：00—13：00,A、B 2個相鄰防火分區(qū)中A的通風(fēng)系統(tǒng)運行時間段為11：00—11：15,期間B的通風(fēng)系統(tǒng)處于停機狀態(tài);接著關(guān)閉A的通風(fēng)系統(tǒng),由B的通風(fēng)系統(tǒng)在11：15—11：30 時間段內(nèi)獨立運行;再關(guān)閉B的通風(fēng)系統(tǒng),重新開啟A的通風(fēng)系統(tǒng)在11：30—11：45 時間段內(nèi)運行;如此交替運行至13：00。此舉在提升高峰期舒適性的同時,也可達(dá)到一定程度的節(jié)能效果。

3 地下空間與地上建筑的整體性系統(tǒng)設(shè)計

該項目所對應(yīng)的地上建筑為功能定位較高的超高層辦公、五星級酒店及高級公寓等,設(shè)置整體性系統(tǒng)可讓地下空間與地上建筑相輔相成,共同提升系統(tǒng)的合理性：1) 為滿足地下空間對風(fēng)井、百葉的使用要求,可結(jié)合地上建筑、室外樓梯、園林造景等進行百葉與構(gòu)筑物的一體化設(shè)計。在符合規(guī)范的要求下,將百葉對地上建筑立面的影響降到最低。2) 依據(jù)地上建筑對垃圾收集和空調(diào)供能的需求,在地下空間內(nèi)設(shè)置真空垃圾統(tǒng)一收集系統(tǒng)和集中冷熱源系統(tǒng)的機房及水平管道,其負(fù)壓氣動真空垃圾管和能源站冷熱水供能管可經(jīng)由地下空間實現(xiàn)整體性系統(tǒng)的搭建。

3.1 真空垃圾統(tǒng)一收集系統(tǒng)設(shè)計

辦公、酒店及公寓等公共建筑傳統(tǒng)垃圾收集、運輸?shù)姆绞綖椋合扔扇斯R總至樓棟垃圾收集點,再通過機械、小型車輛運送至區(qū)域集中垃圾收集點,最后通過大型市政垃圾車轉(zhuǎn)運走。辦公的樓層集中垃圾收集點和酒店、公寓的樓棟集中垃圾收集點即便通過凈化系統(tǒng)進行處理,其垃圾暫放處也對建筑環(huán)境品質(zhì)產(chǎn)生一定影響;保潔人員在收集、運輸垃圾的過程也難免會出現(xiàn)臭氣擴散、污物泄漏等情況,即便能及時清理也將降低人員的舒適性。真空垃圾統(tǒng)一收集系統(tǒng)屬于新型整體性的封閉運輸垃圾的系統(tǒng),能夠較好地解決以上問題,具體系統(tǒng)流程見圖2。

注：5～7集中設(shè)置于中央垃圾收集站中。圖2 真空垃圾收集系統(tǒng)流程示意圖

真空垃圾統(tǒng)一收集系統(tǒng)通過室內(nèi)垃圾收集點和室外垃圾收集點進行垃圾分類投放,經(jīng)由豎向收集管道進入底部的臨時存儲裝置。當(dāng)設(shè)置于豎向管道底部的重量傳感器探測到暫存于臨時存儲裝置中的垃圾達(dá)到一定重量時,或達(dá)到預(yù)先設(shè)定的排放時間時,通過計算機自動控制系統(tǒng)啟動終端風(fēng)機機組,在管道內(nèi)形成負(fù)壓氣流,將垃圾分種類送入水平輸送管道;再通過地塊間的管廊垃圾管道,將垃圾快速送至終端的中央垃圾收集站內(nèi),整個收運過程高效潔凈。中央垃圾收集站內(nèi)垃圾隨空氣進入垃圾分離器,固體、液體垃圾從分離器下端進入壓實機壓實,裝入專用垃圾集裝箱中,最后通過專用垃圾集裝箱轉(zhuǎn)運車轉(zhuǎn)運至城市垃圾處理點;氣體從分離器上端進入處理裝置后通過原核心建筑的中央垃圾收集站排放至室外。

地下空間在配合真空垃圾統(tǒng)一收集系統(tǒng)進行設(shè)計時需考慮以下注意事項。

1) 收集系統(tǒng)豎向管道底部區(qū)域需設(shè)置控制閥門、排放閥及進風(fēng)閥等。設(shè)計時需要規(guī)劃好安裝該部分設(shè)備的設(shè)備間。① 設(shè)備間需便于控制閥門的清理、檢修：控制閥門是垃圾收集系統(tǒng)豎向運輸與水平運輸?shù)霓D(zhuǎn)換部件,當(dāng)垃圾投放時控制閥門關(guān)閉,垃圾暫存在豎直管道的暫存段內(nèi);當(dāng)垃圾需進行水平方向運輸時控制閥門開啟。因控制閥門需頻繁開關(guān)且運輸物質(zhì)為垃圾的工作特性,其需要清理、檢修的頻率較高。② 設(shè)備間內(nèi)需要設(shè)有污水收集系統(tǒng)：排放閥設(shè)于控制閥底部,其功能是當(dāng)暫存的垃圾泄漏的水分過多時,可以通過外接一根排水管把閥門底部的大部分污水排放到大樓的污水收集系統(tǒng),降低傳輸時大量水分殘留在水平管道里的可能性,提高系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性。③ 設(shè)備間需要保證進風(fēng)順暢：進風(fēng)閥設(shè)置于垃圾收集系統(tǒng)水平管道的端頭,并連通水平管道和設(shè)備間補風(fēng)管井,當(dāng)水平管道內(nèi)形成負(fù)壓時,進風(fēng)閥需要根據(jù)終端風(fēng)機實時風(fēng)量調(diào)整相應(yīng)開度。進風(fēng)閥的作用為保證管道內(nèi)補風(fēng)量充足,如果補風(fēng)量無法滿足終端風(fēng)機排風(fēng)量,輕則導(dǎo)致傳輸速度降低,噪聲增大;重則直接導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)生故障。

2) 地塊內(nèi)的水平真空垃圾輸送管材質(zhì)采用3層保護的低碳鋼并搭配鎳鉻耐磨件。由于此處管道尺寸較大且工作時會產(chǎn)生相應(yīng)振動和噪聲,需要提前規(guī)劃管線路由,減少角度較大的翻彎,避免垃圾堵塞;避開設(shè)備管線較密集或有人員久留的區(qū)域,減少管道對地下空間凈高及人員的影響。

3) 地塊至垃圾收集站的總輸送管設(shè)于地下管廊中。管廊內(nèi)管道的安裝條件需滿足后期檢修及維護的需求,管廊內(nèi)需設(shè)有攝像機及管道壓力傳感器等監(jiān)控設(shè)備,實現(xiàn)遠(yuǎn)程值守。

當(dāng)真空垃圾統(tǒng)一收集系統(tǒng)管段發(fā)生堵塞或系統(tǒng)出現(xiàn)故障時,如垃圾無法及時收集、轉(zhuǎn)運將影響服務(wù)區(qū)的環(huán)境,需制定臨時應(yīng)對方案以保證秩序：1) 室外垃圾收集點可安排保潔人員按固定時間進行逐一收集、轉(zhuǎn)運;2) 地上室內(nèi)垃圾收集點可參照表2的方案進行緊急情況下的垃圾收集、轉(zhuǎn)運。

表2 地上建筑內(nèi)緊急情況下垃圾收集、轉(zhuǎn)運方案

3.2 集中冷熱源系統(tǒng)設(shè)計

對于大體量建筑群,集中設(shè)置區(qū)域能源站為更高效、合理的冷熱源方案。地上建筑無需擺放空氣源熱泵、冷卻塔等影響地上建筑環(huán)境的設(shè)備;地下空間可不設(shè)置冷水機房、鍋爐房等面積較大的單體冷熱源機房,使地下空間的面積利用更充分;能源站可通過調(diào)整各用能單位之間的不平衡率產(chǎn)生規(guī)模效應(yīng),并通過采用大型高效冷水機組、熱回收設(shè)備、蓄熱水池等設(shè)備,提高系統(tǒng)節(jié)能性、降低碳排放。該項目能源站通過集中供能管網(wǎng)可實現(xiàn)四管制全年8 760 h的不間斷供冷供熱,管網(wǎng)端冷水供/回水溫度為5 ℃/13 ℃,熱水供/回水溫度為50 ℃/41 ℃,工作壓力為1.0 MPa。

地下空間在集中冷熱源系統(tǒng)中實現(xiàn)串聯(lián)區(qū)域能源站和地上各用能建筑的作用,并設(shè)置計量、換熱、增程等作用的機房,由于能源站內(nèi)采用二級泵系統(tǒng),地下空間內(nèi)同樣服務(wù)于能源站一次側(cè)供能系統(tǒng)的水泵命名為三級泵。在集中供能管網(wǎng)附近設(shè)置能源公司計量間和三級泵的共用機房,地上各用能建筑的換熱機房設(shè)置于相應(yīng)建筑投影范圍的地下空間內(nèi)。因為該地下空間體量較大,部分計量間與換熱機房距離較遠(yuǎn),部分高峰時段能源站提供的資用壓力可能無法滿足使用要求,此時可根據(jù)地塊實際情況開啟三級泵,保證供能的穩(wěn)定性。

以服務(wù)于地上建筑高度為300 m的超高層辦公樓的1#地塊空調(diào)水系統(tǒng)為例,其豎向系統(tǒng)按承壓限制分為3個區(qū),具體見表3。

表3 1#地塊空調(diào)水系統(tǒng)豎向分區(qū)

服務(wù)于1#地塊的集中冷熱源系統(tǒng)的原理圖見圖3。1) 計量間及三級泵房內(nèi)可通過閥門的切換實現(xiàn)冬季、夏季工況切換。2) 計量間及三級泵房歸能源中心管理,反饋給能源站的數(shù)據(jù)信號包括供能主管供回水溫度、壓力,能量表計數(shù),三級泵運行狀態(tài);能源站可遠(yuǎn)程控制冷水供水管、熱水供水管上各1處電動閥的開關(guān)、三級泵的啟停。3) 換熱機房為各用能建筑自行管理,相關(guān)控制納入各用能建筑的獨立自控系統(tǒng)中。

4 結(jié)論

1) 因室外空氣溫濕度較高,與地下空間外墻面、地面相貼鄰的土壤濕度較大等原因,造成地下空間車庫潮濕且防結(jié)露難度較大。新型地下空間建筑在延續(xù)傳統(tǒng)停車庫的作用外,還承擔(dān)了區(qū)域

圖3 1#地塊集中冷熱源系統(tǒng)原理圖

交通、配套服務(wù)等新功能,人員在地下空間內(nèi)停留的時間將增加。伴隨著新能源技術(shù)的發(fā)展,新能源汽車在地下空間車輛中的占比逐漸加大,汽車污染物的排放情況也將發(fā)生改變,地下空間車庫及快速公共交通區(qū)域?qū)ξ廴疚餄舛鹊目刂茖⒂行乱??？稍贑O質(zhì)量濃度不超過18 mg/m3的前提下,根據(jù)全年各時段的室外溫濕度特點,以實時測量溫濕度數(shù)據(jù)為依據(jù),制定出適用于不同季節(jié)或室外狀態(tài)下的空氣環(huán)境品質(zhì)綜合控制策略。

2) 依據(jù)地上建筑實際使用功能的需求,地下空間內(nèi)設(shè)置服務(wù)于地上建筑的真空垃圾統(tǒng)一收集系統(tǒng)、集中冷熱源系統(tǒng)等整體性系統(tǒng)。在增加地下空間利用率的同時,避免在地上建筑設(shè)置散發(fā)異味的垃圾房和產(chǎn)生噪聲、廢熱、振動的空氣源熱泵或冷卻塔,進一步提升地上建筑的品質(zhì)和使用環(huán)境,實現(xiàn)整體性系統(tǒng)設(shè)計的價值。