厦门新体育中心游泳馆暖通设计综述.pdf

厦门新体育中心游泳馆暖通设计综述许东晟杨嫒茹赵海良（东南大学建筑设计研究院有限公司，南京）摘要：本文以厦门新体育中心游泳馆设计为例，介绍游泳馆暖通设计中防结露、池厅和观众区气流组织及防排烟设计思路及方法。设计将四管制空气源热泵热回收机组、除湿空调排风热回收、一级泵变流量等节能措施运用于具有冷暖两侧需求的游泳馆项目中，使用 软件将 应用于观众厅及池区气流组织设计中，同时还运用 技术优化了管道走向。关键词：游泳馆；绿色建筑；暖通设计；热回收；气流组织；许东晟，男，年生，硕士研究生，高级工程师 江苏省南京市四牌楼号东南大学建筑设计研究院有限公司 ：收稿日期：引言游泳馆作为体育建筑的重要类型之一，具有跨度大、热湿负荷大、建筑能耗高、池区和观众区空气参数不同等特点，是体育设施中工艺最复杂的建筑之一。本文以厦门新体育中心游泳馆为例，详细介绍空调通风、冷热源及防排烟设计的思路及方法，同时利用 平台优化管道设计，以期对大型游泳馆项目的舒适性、节能性和安全性设计有所帮助。工程概况厦门新体育中心游泳馆定位为可举办国际比赛的甲级游泳馆，可容纳观众约 人。设置竞赛池、跳水池、热身训练池域、戏 水池池区 等个 池。比 赛 池 ，为国际标准竞赛池，能够满足各项游泳、花样游泳、水球等比赛要求；热身池 ；跳水池 。游泳馆总建筑面积约 ，地下 ，地上 ，建筑高度 。地下层为机动车库、设备用房，层高。首层设置比赛大厅及戏水池，西侧设置组委会、裁判及技术用房，东侧设置媒体活动区、赛事办公、运动员区等用房。厦门新体育中心外景图见图。图厦门新体育中心外景图游泳馆冷热源设计 冷热源游泳馆高温高湿的特点使其有较大节能空间。该场馆同时存在着供冷及供热水需求，全年空调冷凝排热稳定。设计将空气源热泵系统的余热回收用于热水制备，降低建筑能耗。冷热源采用三联供空气源四管制冷热水机组及空气源冷热水机组，提供夏季空调冷量和冬季空调、供暖热量，同时提供池水加热和生活淋浴热水用热。为减少投资和运行费用，冷热源分平时和赛事两部分，独立控制，主要为了节能及方便未来运营。举办赛事时提前天开启池水加热及除湿机组，保证赛事正常举办；赛事用房及休息区只需提前开启，避免两套系统同时开启，浪费能源。主机按平时和赛事不同时使用情况下考虑最小热负荷配置。冷热源设备机组配置见表。表冷热源设备机组配置名称制冷量制热量输入功率台数台风冷三联供空气源四管制热泵机组 空气源冷热水机组 注：制冷名义工况进水温度、出水温度、环境干湿球温度 ；制热名义工况进水温度 、出水温度、环境干湿球温度 ；热回收工况热水进水温度 、出水温度、冷水进出水温度。冷热负荷该项目空调夏季总冷负荷 ，冷负荷指标 ；冬季总热负荷 ，热负荷指标 。根据泳池基础参数，计算池水维温热负荷，由给排水专业提供淋浴等计算生活热负荷，最后汇总计算结果见表。泳池耗热量和散湿量计算泳池耗热量包括：）池水表面蒸发损失热量；）泳池水表面、池底、池壁、管道和设备等传导损失热量；）泳池水补充新鲜水加热所需要热量；）泳池维持恒温所需要热量；）泳池初升温所需要热量。池区初次加热量按 计算，池水补充按每日运行 计算。室内散湿量包括池面散湿量、池边散湿量和人员散湿量，分别按下式计算：（）（）（）（）（）式（）（）中为池水表面散湿量，；为蒸发系数，一般取 ；、分别为为水表面水蒸气分压力和饱和水蒸气分压力，；为水表面面积，；、分别为标准大气压、大气压力，；为池边润湿地面散湿量，；为空气对水的对流换热系数，（）；、空调制冷暖通空调 年第 卷增刊分别为空气干、湿球温度，；为湿球温度时水的汽化潜热，；为实际润湿表面面积，；为人体散湿量，；为单位人员散湿量，（人）；为人数；为群聚系数。表冷热负荷汇总 区域空调冷负荷再热负荷空调热负荷池水维温热负荷淋浴等生活热负荷地暖负荷冬季总热负荷（空调维温淋浴地暖）比赛池厅观众席 赛事用房观众门厅 训练 赛事用 训练戏水 健身区 平时用 注：总除湿量 （比赛、跳水）（训练）（戏水）。空调风系统 气流组织该项目贵宾室，新闻、采访、休息室，办公室等配套用房采用风机盘管机组加新风空调系统。池区、观众门厅、健身训练用房等高大空间采用全空气一次回风空调系统，观众看台采用二次回风空调系统。其中，看台观众席采用的送风方式为座椅下送风、上回风，此回风方式可以有效阻止观众区与泳池区域形成冷热气流。空调机组采用风机变频控制，满足不同季节对新风量的运行需求。观众席和池区的气流组织示意图见图。图观众席和池区的气流组织示意图看台下方设水平喷口送风，为满足泳者无吹风感，侧送风口采用小型电动喷口，控制工作区风速，池厅周围下回风。淋浴间设置排风，使场馆形成负压，避免带氯及有害空气溢出，影响其他区域空气质量，新风与排风换热后与回风一起经蒸发器冷凝除湿。气流组织分析模拟 模型的简化与建立建模过程中，为减少网格数量以提升计算效率，进行如下简化：看台及池区空间较大，整体对称，在不影响求解结果前提下，对其中空间建立模型，减少网格数量，提高计算效率。简化后，根据建筑实际尺寸所建立的模型如图所示，尺寸简化为 （长宽高）。网格划分模拟软件采用 ，利用 进行室内气流组织评价分析，对建筑几何模型空间区域进行网格划分。网格数量和质量对 模拟结果和计算速度有很大影响，网格参数设置对网格数量和质量起决定性作用。网格太密图看台及池区模型会导致计算速度下降并浪费计算资源，网格太疏导致计算精度不足，结果不准确。只有根据流动状态对计算域中不同部分采用不同网格参数设置才能获得合理的网格方案。看台及池区 网格划分参数见表。表看台及池区 网格划分参数初始网格大小 最小细分级数最大细分级数门窗位置细分级数风口细分级数充分考虑影响网格划分和网格质量的因素，对于建筑空间先进行网格粗分，确定网格计算域尺寸（轴、轴、轴），初始网格数量约 万个；然后对空间中速度梯度较大的建筑壁面、门窗洞口和风口位置进行网格加密，最终加密后网格总数为 万个，以保证模拟结果准确性，看台网格划分结果如图所示。图看台网格划分结果 边界条件送风口设置为速度边界；回风口设置为压力边界；灯光负荷均匀布置在屋顶，设备负荷均匀布置在地面。座椅区域每个送风口高度距座椅平面 ，型号为 ，送风温度为 ，水平送风；池区两侧设置球形喷口，安装高度，型号为 。控制方程选取空调送风模拟分析需要计算温度，考虑空气密度随温暖通空调 年第 卷增刊 空调制冷度变化，认为空气是可压缩流体，控制方程主要包括连续性方程、动量方程、能量方程和理想气体状态方程。连续性方程：（）（）动量方程：（）（）（）（）能量方程：（）（）（）（）（）（）气体状态方程：（）式（）（）中为流体密度；为时间；为流速向量；为流体压力；为黏度；为流体比焓；为流体动能；为层流热扩散系数与湍流热扩散系数之和；为空气分子量；为理想气体状态方程常数；为流体热力学温度。湍流模型选取现有技术不能直接求解流体动量方程，需要对动量方程作适当简化。现有湍流模型均针对特定流动状态，作一定简化。只有根据流动状态，选择合适湍流模型，才能准确模拟出流体流动状态。采用 湍流计算模型，该模型不仅考虑自然对流、受迫对流和混合对流的影响，还考虑了置换通风的影响，尤其对近壁区域具有很高的精确度，适用于模拟高大空间室内气流组织。模拟结果通过比赛池区和观众厅气流组织 模拟，得到典型截面温度分布云图和速度分布云图，见图。图看台温度分布云图图 处温度分布云图由图、可知：观众厅座席前排整体温度大约为，原因是前排离比赛池区较近，位置偏低，因此前排温度相对较低；后面座位由于高度和热羽流增加，温度较前图 座椅处风速分布云图图 座椅处温度分布云图图处温度分布云图图 处风速分布云图排高左右，人员所在区域温度分布符合规范和设计要求；纵向分布来看，热量聚集在上部，温度呈现一定梯度分布，不影响比赛池区和观众厅人员热舒适性，与龚光彩等人、康宁等人的研究结果相验证。由图可知：观众厅座椅所在区域空气流动合理，风速相对均匀，平均风速为；由于人员就坐时，脚部处于座椅送风出口，风速较大，约为，但人员常在区域大部分风速小于，符合规范和设计的要求，不影响人员热舒适性。由图、可知，比赛池区风速不大于，满足比赛要求。通过对模拟结果分析可知，前述空调方案温度分布符空调制冷暖通空调 年第 卷增刊合规范和设计要求，室内风速满足规范和各种比赛要求，佐证了上述空调设计方案的合理性。防结露戏水池南侧为落地玻璃幕墙，围护结构传热系数 （）。外 窗（玻 璃幕 墙）内 表 面 温 度（）（），高于室内露点温度 训练池和戏水池采用顶送下回送风方式，同时戏水池一部分送风口设置于外墙（玻璃幕墙）附近，干燥热风被吹向玻璃幕墙，进一步保障冬季幕墙不结露。游泳馆上方和戏水池上方增加气流诱导空调箱，避免游泳馆和戏水池整体气流过慢，导致顶部结露。泳池热泵除湿机组运行模式说明池区采用热泵除湿空调，机组内除冷却盘管外，设有冷水盘管和热水盘管及再热盘管，比赛时集中空调主冷热源（空气源热泵）工作，提供除湿热泵机组冷、热水，除湿热泵压缩机不工作，在过渡季及主冷热源不运行时（部分池厅开启），除湿热泵压缩机工作。泳池空调机组功能段配置如图 所示，具体运行模式为：）夏季除湿再热为除湿压缩机冷凝再热（泳池池水加热不使用除湿压缩机冷凝热），冷热水盘管将除湿再热后的空气二次冷却除湿到第二露点，经再热盘管再热到送风温度。）冬季除湿再热为冷热水盘管和再热盘管再热（泳池池水加热优先使用除湿压缩机冷凝热），冷热水盘管和再热盘管作为空气加热器将空气加热到送风温度。）过渡季采用全新风除湿送风，当室外新风温度高于送风温度时，通过冷热水盘管冷却到送风温度；当室外新风温度低于送风温度时，通过再热盘管加热到送风温度。注：为主机段；为一次回风段；为新风段；为排风机段；为粗效段（含粗效板式过滤器（、终阻力 ）；为冷却除湿段（除湿压缩机蒸发器）；为冷凝（除湿压缩机冷凝器）再热段；为制冷制热（空气源冷热水机组）冷热水盘管段；为再热盘管（空气源冷热水机组）段；为送风机段。图 泳池空调机组功能段配置图空调水系统空调水系统采用两管制一级泵变流量系统，变频控制。立管采用异程式，水平干管采用同、异程相结合式。各循环泵、自动补水排气定压装置均设置在地下室空调水泵房。比赛池、训练池、戏水池采用地板辐射系统供暖。池水加热的供热水系统回路根据区域及功能设置，共分个回路：）跳水池回路；）比赛池回路；）训练池回路；）戏水池回路。防排烟系统依据住房和城乡建设部第 号 建设工程消防设计审查验收管理暂行规定（年月日生效）第 条，该项目部分设计在国家工程建设消防技术标准中未规定，因此消防设计采用了特殊消防设计论证。比赛大厅采用自然排烟方式，排烟量按种方法计算后取大值：）排烟量按比赛大厅空间体积的换气次数计算；）按火灾规模及清晰高度计算产烟量，并合理划分烟控分区、计算总排烟量；）依据 建筑防烟排烟系统技术标准 表 ，合理划分烟控分区并计算总排烟量。排烟窗采用顶开窗，充分利用建筑原有造型。设置电动可开启外窗作为自然补风窗，实现低位自然补风、高位排烟模式，见图 和图。图 游泳馆外立面排烟窗图 比赛池观众区自然排烟自然补风节能减排效果测算以该项目四管制空气源热泵为例，同时供冷供热模式下，机组综合能效比可以视为供冷及供热效率之和，其额定制冷量为 ，制热量为 ，输入功率为 ，综 合 能 效 比 （）为（），远高于该项目选用普通空气源热泵机组时的 值（）。考察热回收机组的实际节能情况，先考虑夏季，从供给侧分析，机组空调制冷满负荷运行，为 ，考虑转换损 失，设 备 回 收 效 率 按 计，台 机 组 回 收 余 热 约 ；从需求侧分析，生活热水进水温度设定，利用热泵机组先将冷水升温至，生活热水计算负荷为 ，泳池进水度温设为，则池水加热负荷相应调整为 ，两者合计 ，略高于回收热量，因此余热回收量按供给侧计算。再考虑春秋两季情况，参照厦门年平均气温情况，一年中 月月均气温高于，其中个月为夏季，合计全年共个月为空调期，游 泳 馆 每 天 运 营，则 年 度 余 热 回 收 利 用 共 ，合 标准煤，减少二氧化碳排放共 。暖通空调 年第 卷增刊 空调制冷 设计该项目在施工图基础上基于 平台建立三维模型，避免了项目施工时管线产生撞击，导致人力资源和原材料消耗和工期延迟的难题。图 所示为地下室局部某空调机房 效果图，经过 优化后各类管线达到优化布置，解决了后期存在的各类问题。图 地下室局部某空调机房的 效果图结语游泳馆高温高湿的特点，使其具有较大的节能空间。空气源热泵热回收四管制机组在供冷的同时提供生活热水、淋浴等生活热水，是降低此类建筑能耗的一种路径。观众席和池区送风温湿度设计存在差异，对个区域的空调系统应分区设置，为实现良好的空调效果和防结露效果需要从负荷计算、气流组织及系统配置等方面多综合考虑。参考文献：周伟杰竞技性游泳馆暖通空调设计浅析制冷，（）：蔡龙俊，沈莉丽空气源热泵制冷热回收机组技术可行性分析节能技术，（）：汪建，刘俊，许东晟，等空气源热泵系统的余热回用设计 以厦门游泳馆为例给水排水，（）：龚光彩，谢赛男，吴京龙座椅送风大空间湿度分布模拟湖南大学学报（自然科学版），（）：康宁，王雯翡，张艳芳，等高大空间座椅送风案例分析建筑热能通风空调，（）：中国建筑标准设计研究院游泳场馆暖通空调设计与安装北京：中国计划出版社，：蔡财敬建筑机电（水暖电）正向设计研究洁净与空调技术，（）：空调制冷暖通空调 年第 卷增刊