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成都兢峰工程设备有限公司 >> Archivers >> 某游泳中心暖通空调设计介绍

  国家游泳系统设计中遵循奥林匹克运动会组织委员会确定的原则,为实现“绿色奥运、科技奥运、人文奥运”三大理念,空调设计采用了围护结构被动太阳能加热、结构冷桥分析、大空间CFD模拟等技术的运用,以及膜夹层空腔通风、自然通风、热回收、免费能源利用、护城河防冻浅层地表水热能利用、室内空气净化等措施的实施也体现出对运动员、观众的人文关怀,为广大观众和运动员提供舒适、安全、便捷的观赛和比赛环境。

    在赛时系统设计时要同时考虑赛后的设计及拆除设备的利用,根据当时的赛后方案将空调系统进行了临时区域和永久区域的划分,充分考虑了赛后空调负荷的变化、系统的拆改和再利用,使勤俭办奥运的理念得以体现。

    围护结构被动太阳能加热

    国家游泳中心设计中的墙体和屋顶为新型多面体钢架钢结构,钢结构钢架内外覆盖ETFE膜充气气枕,总面积达10万平方米,是国内外工程界首次采用的一种结构型式,并是国际上建筑面积最大、功能要求最复杂的膜结构系统。这种膜材料的优点很多,材料轻、透光性好是最突出的特点。

    国家游泳中心除了地面、入口等处采用玻璃幕墙之外,其余外表都采用了膜结构。外“墙”立面单个气枕采用三层ETFE的膜结构,内“墙”立面单个气枕采用双层ETFE的膜结构,外墙的内外气枕有相距3米的空腔,屋顶内、外侧单个气枕均采用了四层ETFE膜结构,内外气枕有相距7米的空腔,空腔内交错着密布的钢结构杆件。

    外层气枕表面还点缀着无数银色的反射斑点,被称为镀点,根据不同的位置采用不同大小和密度的镀点,可以直接影响到气枕的遮阳系数和太阳光的透射比、反射比数值。

    这种双层膜的围护结构保温性能良好,其传热系数远远小于普通玻璃幕墙。屋顶单个气枕采用四层ETFE膜结构,双层气枕的综合传热系数K为0.68W/(m2·K),其保温性能比普通保温外墙还要高;立面单个气枕则采用三层ETFE的膜结构,双层气枕的综合传热系数也仅为0.88W/(m2·K)。

    太阳辐射可以通过半透明的ETFE气枕进入室内,被室内表面吸收以后通过对流和辐射的方式释放,进而提高室内的温度。在冬季,这部分太阳辐射部分补偿了室内热负荷,同时夜间水池和地面释放出白天蓄热,削减了白天和夜间的负荷差,使供暖系统处于相对稳定的运行状态,提高了供暖系统的运行效率,既延长了系统的使用寿命又减少了采暖能耗。

    根据对嬉水大厅的具体分析为例,虽然透过ETFE气枕的太阳辐射增加了夏季的冷负荷,但是由于嬉水大厅全年供冷时间较短,因此由阳光透过透明材料增加的太阳辐射量导致的夏季冷负荷的增加累计量要小于冬季热负荷的减少累计量。从对全年的负荷影响来说,与参照建筑相比,采用ETFE材料降低了室内空调负荷。全年累计增加冷负荷约322.95MW·h,但同时可以降低累计热负荷约610.76MW·h。将累计冷、热负荷统计为耗电量,假设采用的是水冷机组+燃煤锅炉系统,则累计冷负荷转化为制冷机耗电量为58.95MW·h,累计热负荷的当量耗电量为287.93MW·h。因此全年嬉水大厅通过水池和地面的蓄热可以节约耗电当量约228.98MW·h。与参照建筑相比,节省能耗17%,具体见表1。

    结构冷桥分析

    国家游泳中心的建筑围护结构采用的双层ETFE气枕的结构,气枕的金属连接件最易发生结露,对其进行断热处理,辅助传热模拟软件,计算分析各种类型连接点的温度分布情况,并基于计算结果进行保温层的设计,从而确保彻底阻断结构冷桥的存在,将连接构件的结露风险降至最低。

    大空间CFD模拟

    水立方工程主要功能区为大空间,奥林匹克比赛大厅层高较高,在赛时容纳人数多达17000人左右,而比赛区域和座椅区域要求的温、湿度参数不一样,空调的设计难度高。嬉水大厅不仅体积大层高高,池水水体和水面面积也最大,它的ETFE外围护结构面积也是最大的,其空调设计,负荷计算、节能以及气流组织也成为业内关注的焦点。

    比赛大厅是由四台显热回收型空调机组负担,池厅送风是从东西两端泡泡墙下由喷口及条缝百叶风口、固定座椅区观众入口门头的旋流风口和喷口送出,回风的25%由池岸,75%由南北池岸的回风柱回风,屋顶设置排风机进行排风。

    观众座椅送风为观众提供舒适的微环境,固定座椅观众区送风由座椅下保温静压箱经座椅后侧的旋流风口送风,回风由位于座椅东西两端楼梯竖井的百叶回风。临时座椅观众区下部区域采用全新风系统由送风管道经座椅下侧的旋流风口送风,上部区域采用处理过的全新风与座椅下吊装的回风机的部分回风混合后经座椅下侧的旋流风口送风,屋顶排风机排风。

    赛后建造的嬉水池大厅为大众休闲娱乐场所,赛时作为展区,为兼顾赛时赛后功能,空调送风管道沿泡泡墙下布置,喷口送风,回风百叶设置在池厅内的两个核心筒立柱的半高空位置,屋顶排风。

    赛后网球场在赛时的功能是志愿者活动区、反恐执勤人员的工作场所,气流组织为场地两端高处喷口送风两端吊顶下回风。

    膜夹层空腔通风及自然通风

   (一)空腔通风

    在夏季或者是太阳辐射较强的过渡季节,由于膜结构有着较好的太阳光透过特性,在两个膜层间很容易形成温室效应,导致空腔内温度极高,利用空腔通风可以减少夏季高峰时段的热量,明显地降低整个建筑的夏季冷负荷。在屋顶空腔温度为40℃时开启空腔排风机,排风量为原设计排风量的2/3的通风模式作为空腔通风的运行模式,此时空调系统全年用电量低于全通风模式下空调系统的用电量。

    冬季将空腔封闭以保持热量,同时光线可以照射进来。空腔通风利用屋顶排烟风机,进风口位于泡泡墙下,每个进风口装铅丝网及电动密闭风阀。

    在空腔通风风机开启模式下,最大可以降低建筑冷负荷13.4%,约1089KW,同时减少建筑物整个夏季的累计耗冷量约1491MW·h。

   (二)自然通风

    室内采用自然通风不仅可以满足室内环境对新风的需求,而且可以补偿部分或全部室内热湿负荷,创造与室外互动的自然生态环境。嬉水大厅和比赛大厅两个高大的空间及训练池厅为自然通风创造了条件。在地下一层训练池区通过窗井内的开启外窗实现自然进风,比赛大厅和戏水大厅的自然进风在获得建筑专业和甲方支持的情况下,解决了在双层泡泡墙下开启通风百叶的难题,百叶采取了气动保温门的做法,满足了冬夏季的使用要求。      

    采用自然通风的运行模式,相对于不采用自然通风,嬉水大厅全年可以降低空调冷负荷累计约369.94MW·h,减少空调系统耗电量约94.97MW·h(扣除了屋顶排风机的耗电量);比赛大厅在过渡季节和整个夏季基本上都可以采用自然通风就可以满足室内热湿环境的需要而不需要空调制冷(赛后模式且观众席无人的状况下),在采用自然通风的状态下比赛大厅全年可以降低空调冷负荷累计约282.21MW·h,减少空调系统耗电量约79.90MW·h(扣除了屋顶排风机的耗电量)。

    热回收及免费能源利用

   (一)冷凝热回收

    水立方共设置了四台冷水机组,采用其中一台小型冷凝热回收型冷水机组将冷凝热用于生活热水的预热及休闲池池水加热,同时空调冷却水得到冷却。在冷机的选型及机组的匹配过程中经过对赛时赛后两种运行工况的预想分析确定了选型方案。采用了大温差冷冻水供水方式,冷却水先经热回收管路,当回水温度高于32℃时,再由另设的冷却水泵送至冷却塔将多余热量散出。在过渡季,可根据内区需求开启一台冷水机组为内区制冷,冷凝热则回收利用。

   (二)显热回收

    为比赛大厅、跳水池厅、热身池厅、戏水池厅、俱乐部池厅等常年要求的高温高湿区域服务的空调机组采用了低温热管式显热回收空调机组,回收排放的余热,预热新风。

   (三)内区制冷

    水立方比赛层的地下一层大部分区域为内区,在赛后网球场的南北小楼也存在着冬季消除冷负荷的需求,在冬季利用室外新风为内区提供免费冷源。为保证室内舒适性,将室外新风加热加湿到设定的温度后送入室内,既保证了室内对新风的需求,又起到了冷却内区的作用,避免了冷机在冬季时开启运行增加能耗和运行费用。内区风机盘管冬季供热起到不同区域根据不同需求的调节作用。

    护城河防冻浅层地表水热能利用

    为使水立方设计景观得以完美体现,同时设计考虑国家游泳中心的外围护结构ETFE气枕不被人触摸,因此希望护城河冬天可以不结冰,从而阻止人群踏过护城河触摸ETFE气枕。考虑各种方案后最后确定了利用可再生能源地下浅表恒温水加热护城河的方案。在水立方四周分别打井冬季保证护城河不结冰,夏季可降低温度减少藻类滋生。

    室内空气净化

    在2004年4月施工图空调箱设计中设计已考虑了初中效过滤,符合国家的各种规范要求。根据2006年3月1日卫生部下发的《公共场所集中空调通风系统卫生规范》的要求,为使中央空调系统能够为场馆带来更加清洁、新鲜的空气品质,并能提高空调管道的清洗周期,采用了高压静电除尘灭菌过滤器,使由灰尘、可吸入颗粒物、霉菌、病菌、病毒、甲醛、二氧化硫、氮氧化物等有毒有害空气污染物对人体的侵害减少,符合节能、健康、环保、科技的奥运理念。

    综合节能分析

    国家游泳中心的节能特性主要体现在围护结构、空腔通风、自然通风和自然采光等几个方面,综合如表3。

    国家游泳中心主体建筑由于采用了透明的ETFE膜结构,与国家《公共建筑节能设计标准》(GB50189-2005)中的参考建筑相比较,尽管夏季空调负荷略有提高,但在照明和采暖两方面的能耗远低于参考建筑,再加上自然通风及空腔通风等节能措施,使得水立方每年可以降低运行耗电量约895MW·h,约占总的空调系统耗电量的9.29%。

来源:中国建筑装饰网
 

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