王平
北京市市政工程設(shè)計研究總院有限公司
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
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 ℃。
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
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。
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。
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。
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??梢娚淞鹘嵌仍黾樱瑢?.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。
3.3.1 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。
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。
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。
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。
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,因為設(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。
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。