韩城市黄河教育培训基地暖通空调设计

韩城市黄河教育培训基地暖通空调设计

丁峰 周雅慧

中联西北工程设计研究院有限公司

摘要 本项目着眼于陕西韩城市人才培养全面发展理念，知识学习和才艺学习并进，建成后作为韩城市教育培训基地。介绍了该项目的空调冷热源方案、空调水系统方案、剧场气流组织方案及高效集成整体式预制机房方案。设计中采用CFD软件对剧场气流组织设计进行了模拟，验证了基于座椅送风形式的置换通风系统合理性，采用了BIM手段对整体式预制机房进行了前期优化设计，节省机房占地面积近20%。

关键词 变流量二级泵 大温差小流量 座椅送风 溶液调湿空调 整体式预制机房 CFD模拟

1 工程概况

本项目位于陕西省韩城市黄河新区，为韩城市黄河新区规划的核心区域。本工程总建筑面积108000㎡，其中地上建筑面积81029㎡，地下为26971㎡；地上部分为三~四层的多层建筑，由工人文化宫、青少年宫、科技馆、图书文化中心、妇女儿童活动中心

及综合培训中心6个单体以花瓣形布局组成，

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形成向心的“黄河之花”空间格局，“花朵”中心设计为直径100米的下沉广场，六大建筑呈花瓣形环绕在外，地下部分为汽车库、商业及设备用房，建筑外形如图１所示。图1 韩城市黄河教育培训基地效果图

2　设计参数及冷热负荷

2.1　室内主要功能房间设计参数如表1所示。

表1 空调室内主要设计参数

本项目空调冷负荷计算采用谐波法，空调区各项逐时冷负荷的综合最大值作为空调系统的夏季冷负荷，总冷负荷为6212 kW，各空调区热负荷的累计值作为空调系统的冬季热负荷，总热负荷为5324 kW。各单体的空调冷、热负荷如表2所示。

表2 空调冷、热负荷

3 空调冷热源和空调水系统

3.1 空调冷热源方案

根据项目用地情况、周围环境和建设方资金及意见，经技术经济比较，最终决定采用电制冷冷水机组提供夏季冷源，采用市政供热作为冬季热源。站房设在地下一层，冷

水机组和水-水板式换热机组均放置在其内，方便日后统一维护管理和操作。由于各单体分批建设投入使用，且工人文化宫内的“千人剧场”存在晚上独立有演出的可能性，故根据夏季冷负荷情况采用“两大一小”的搭配模式。其中两台离心式冷水机组，单台制冷量为2700kW，一台螺杆式冷水机组，制冷量为1000kW，且所有冷机均采用变流量运行。要求蒸发器流量许可变化范围为离心机组30%~130%，螺杆机组45%~120%，最小流量宜小于50%；蒸发器每分钟许可流量变化率宜大于30%^[1]。冬季市政一次管网热源供回水温度为90°~70℃，采用两台板式热交换机组，每台机组均采用双板换，其中任意一板换负责整台换热机组65%的换热量。

3.2 空调水系统方案

本项目采用冷源侧和负荷侧均为变流量的两管制二级泵系统，冬夏季采用阀门切换。系统最近的综合培训楼和最远端的科技馆仅单向环路距离就在450米以上（如图2所示），环路间设计水流阻力相差较大，已远超过5m^[2]，故一级泵设于总站房内，二级泵设于各单体附近的空调水泵房，且一、二级水泵均采用变频调速水泵，冷热水循环泵分别设置。为降低管道初投资及运行费用，夏季冷水供回水温度采用6°~13℃，温差为7度；冬季板换二次侧热水供回水温度60°~45℃，温差为15度。大温差小流量系统在部分负荷下的节能趋势与常规的定流量系统相似，但节能效果更为显著，在部分负荷时减小水流量，冷却水泵、冷冻水泵及冷却塔等能耗降低的作用更明显，而压缩机能耗增多的作用则减少，致使系统的总能耗减小趋势更为显著，如图3所示^[3]。为了避免二次侧出现大流量、小温差现象，对于通断控制末端流量的水系统而言，如风机盘管等，水泵变速调节运行时采用了最不利末端支路压差控制代替供回水总管压差控制的方式，有效减小部分负荷工况下作用在末端支路上的压差并相对适度放大了供回水干管管径，减小主管道沿程阻力，提高管网系统的水力稳定性；同时，二级泵设置了在最低允许频率定流量运行的压差旁通控制装置^[4]。主站房内设置定压补水机组和软水装置各一套，为两季冷热源共同提供定压及补水服务。

图2 各级站房分布示意图

图3 部分负荷下的节能效果

4 气流组织

4.1 气流组织形式

本项目中以分隔的小空间采用风机盘管+新风系统，大开间采用全空气系统为基本原则，重点介绍工人文化宫中的“千人剧场”及羽毛球馆的气流组织形式。

本剧场为中型乙等剧场，座位数为1030座，以歌舞表演为主，兼顾音乐会和会议功能，建筑高度16.05米。舞台区域由台仓一层、舞台表演区及其上的三道天桥和葡萄架构成；观众厅由池座、楼座及吊顶上的闷顶空间组成，其中闷顶内含马道及两道面光桥，如图4所示。

图4 剧场剖面图

观众厅的池座区域（846座）采用座椅下送风，顶部回风的置换通风气流组织形式，如图5所示。置换通风相对于混合通风而言，其节能、热舒适性及空气品质等更具优势。本项目中空调机组置于屋面，通过竖向保温金属风道送风至池座下静压箱内（静压箱内壁均做保温处理），经座椅送风柱把处理过的空调风直接送入观众区，并在地板上形成一层较薄的空气湖，吸收人体散发的热、湿以后再由热源的浮力作用使其进入观众厅上部，进一步将观众厅吊顶、上部侧墙及部分照明发热由上部排风口带走，具有良好的节能效果。整个流场分为两个区域：上区空气污浊，温度高；下区空气清新，温度低。此种气流组织形式具有速度场和温度场均匀，送风管道简单等优势特点。

图5 池座区置换通风示意图

为了避免因池座区热对流气流上升产生的温度梯度影响，观众厅楼座区（184座）空调系统独立设置，采用同侧上送下回的气流组织形式，楼座墙面两侧底部设门铰型蛋格式回风口，同侧上部中间位置共设8个百叶窗型送风口，风口角度50°内可调，使得楼座区观众均处于回流区内，免受上升热气流影响，得到较好的观演体验。

舞台区空间高度26米，体积为21400㎡，故采用分层空调形式。主舞台和侧舞台合用空调系统，两个送风主管分设在两边侧舞台最底层天桥下，以保证人员活动区域的空调效果。对于主舞台采用两管道侧送风对吹的形式；对于侧舞台即备场区，顶部管道设有下送风口，即每道送风主管上开有7个圆型喷流侧风口和4个圆型扩散下送风口；回风口设置在舞台最两侧底部，如图6所示。所有送回风通过竖向保温金属风道进出机组，空调机组置于屋面舞台外两侧。因舞台表演区上部灯光负荷较大，故在第二道天桥侧面设有机械送风及常开风口，在舞台最顶部葡萄架下设有机械排风及常开风口，且平时送排风系统与舞台消防排烟补风系统兼顾合用，所有风机均放置在室外屋面处。在夏季表演或彩排时通过机械送排风系统把上升热气流第一时间换气排出，减轻舞台空调系统负担。与全室性空调方式相比，分层空调夏季最大可节省冷量50%，最小亦达14%^[5]。

图6 舞台区气流组织示意图

因剧场舞台空间高大，局部高出屋面的舞台外墙部分有4~10米不等，舞台外墙在冬季被冷却时，靠近墙内表面宜形成强的低温气流，自上而下冲向舞台，造成舞台冷风和对冲大幕及影响前部观众。故在第三道天桥处设置强制对流型地板对流器，沿舞台外墙一圈设置，在冬季向上方送出热风，形成空气幕阻挡下降冷气流，如图7所示。

图7 阻止冷气流措施

羽毛球馆在二层靠外墙处设置，高度近12米，且靠外墙一侧为大面积玻璃幕墙，而羽毛球运动本身对场馆内风速又有较为严格的要求。为了营造一个既舒适又不影响正常运动或比赛的活动场馆，该场所的冷负荷由不同末端采用不同的气流组织形式承担。场馆的外围护结构负荷，由幕墙一体强制对流型地板嵌入式对流器承担，在不同季节冷、热负荷侵入室内前“第一线”就能有效阻拦隔绝，减少了室内温度波动，且上送风高度可达8米以上；场馆内的新风换气和湿度等需求由另一转轮全热回收空气处理机组承担，采用上送下回的全空气系统。两套不同末端系统均设置在场馆两侧的休息区或非运动区，保证了中心区域羽毛球活动的正常进行。

4.2 CFD气流组织模拟

为了验证舞台区和观众区气流组织的合理性，在设计过程中采用了气流组织模拟形式进行校核，模型如图8所示。

图8 剧场数值仿真整体模型

根据剧场的建筑特征，将对称的场馆延中心分割成四部分，仅对其中一半的舞台区和观众区进行模拟，对称区域结果相同。

4.2.1 舞台区域气流模拟

舞台流体域模型如图9所示。

图9 舞台流体域模型

为了使表演者能在舞台上有个舒适的演出环境，并要求大幕等不允许被吹动，要求夏季不超过27℃，冬季不低于18℃，风速

宜≤0.3m/s，最大不能超过0.5 m/s。在舞台垂直高度2.5m平面上的温度场、速度场及大幕处的速度场如图10~图13所示。

图10 夏季2.5m处温度场

图11 冬季2.5m处温度场

图12 夏季大幕处速度场

图13 冬季大幕处速度场

经CFD模拟舞台3米内人员活动区域的温度场和速度场，满足相关设计预期。

4.2.2 观众区域气流模拟

观众区流体域模型如图14所示。

图14 观众区流体域模型

池座区采用座椅送风柱上送风的置换通风系统，在距地0.1m处出风口风速≤0.2m/s，小温差送风，夏季送风温度≥20℃，送风有效距离在0.8m以内，在1.1m处（该高度表示人坐姿时呼吸带高度）的风速仅约为0.08m/s；同时为了避免楼座区因热流上升带来垂直方向温度梯度的影响，单设空调系统。经CFD模拟验证，两个区域均满足冬夏季温度场要求，如图15~图18所示。

图15 夏季池座1.5m处温度场图

图16 冬季池座1.5处温度场

图17 夏季楼座最高处温度场

图18 冬季楼座最低处温度场

5 高效集成冷热源机房

集中空调系统中，冷热源机房相当于人体“心脏”一般重要的存在，它的高效运行会让整个系统更加节能。所谓的高效集成冷热源机房就是以高效节能的IPC嵌入式关联自动控制系统为核心，在二维平面深化设计基础上应用BIM技术建模三维仿真，对设备进行参数优化，通过工厂预制、模块运输、现场拼装而形成的机电一体化系统级产品。

5.1 系统级设计

本项目最初采用二维平面设计总站房，但因冷热源设备集中布置，且占用建筑地下一层较大面积，牺牲较多停车位，故提出了通过结构优化和BIM建模三维仿真，在原有布局的基础上对整个机房进行更为合理和优化的系统升级设计。经过调整后，节省了20%以上的占地面积和10%以上的材料耗费，本项目站房BIM三维模型如图19~图21所示。

图19 站房BIM模型展示图1

图20 站房BIM模型展示图2

图21 站房BIM模型展示图3

5.2 IPC嵌入式关联自动控制技术

总站房通过采用IPC嵌入式关联自动控制技术实现“按需主动控制”、“关联控制”及“最佳效率曲线”，从而达到系统运行的整体节能。

根据末端各单体负荷变化及室外环境变化，主动分配系统内主要设备的电力需求，实现集中空调系统的快捷响应，达到机房高效稳定运行的目的；基于能耗自寻优控制策略，用不同负荷下的最优电力分配数据优化现有的关联数据库模型，形成最适宜当前系统的数据库模型，指导系统的高效运行，让冷冻机组等主要耗电设备工作在性能最优的最佳效率曲线附近，以系统最小供电获得最大冷量，如图22示意所示。

图22 IPC嵌入式关联自动控制示意图

5.3　总站房施工时采用工厂预制、模块运输、现场拼装的方式，避免工程现场的交叉施工，降低业主的管理难度，相比传统安装模式，可缩短至少50%以上的现场建设周期。

6 结论

1）因建筑使用特性和布局特点，通过详细水力计算，本项目采用大温差小流量的二级泵变流量系统是合理的，可以有效降低输配系统能耗和部分初投资。

2）对于剧场类建筑，池座区和楼座区建议分别独立设置空调系统；通过CFD模拟可看出，池座区采用以座椅送风形式的置换通风系统可得到比较均匀的温度场和速度场，形成舒适的观演环境；舞台区建议采用分层空调形式，降低空调系统能耗。

3）复杂的冷热源机房建议采用BIM建模优化，在使管道布置紧凑合理的基础上可以有效减小机房占地面积；采用IPC嵌入式关联自动控制技术可使整个机房内主要系统设备高效节能运行；工厂预制式整体机房可大大缩短施工周期。

参考文献：

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[4] 赵亚伟，马最良.空调水系统的优化分析与案例剖析[M].北京：中国建筑工业出版社，2015:230-231

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