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    北京雁棲湖國際會展中心暖通空調系統設計

    • 作者:
    • 中國暖通空調網
    • 發布時間:
    • 2019-12-31

    北京市建筑設計研究院有限公司 王毅  韓兆強  曾源  胡寧

           【摘  要】本文介紹了北京雁棲湖國際會展中心空調系統的設計概況,包括空調室內設計參數的確定、空調冷熱源系統、空調水系統、空調風系統的設計以及一些主動式、被動式節能技術在項目中的應用情況。著重闡述了以地源熱泵為主的復合能源系統和主會場(含環廊)的空調送回風系統的設計,并利用CFD技術對主會場空調送回風系統的室內溫度場、速度場等進行了模擬,驗證了主會場及環廊空調系統氣流組織的合理性。為同類建筑的空調系統設計工作提供參考。

           【關鍵字】復合能源 全空氣系統 節能 CFD模擬 

    1 項目概況

           北京雁棲湖國際會展中心位于北京市懷柔區雁棲湖會都生態發展示范區,項目用地面積約10.8公頃,總建筑面積79000平米,地上5層,地下2層,建筑高度約32米。功能上會議及展覽并重,既能承擔重要國際會議,同時也兼具舉辦各種高端展覽和演出的功能,內部空間包括5000人主會議廳(可兼做展廳)、宴會廳、新聞發布廳以及各種大、中型會議室等。

           本項目應用了屋檐遮陽、自然通風、自然采光、地道風、地源熱泵、太陽能、光導纖維、雨水回收等主、被動式綠色節能技術,并于2015年獲得了“三星級綠色建筑設計標識證書”,為會展類建筑的綠色生態設計提供了寶貴的經驗。北京雁棲湖國際會展中心已成功為APEC會議、北京國際電影節、第五屆世界水電大會、北京電視臺春節晚會提供了會場服務。

    2 室內主要空間空調設計參數(見表1)

    表1 室內空調設計參數
    表1 室內空調設計參數

    3 空調冷熱源系統

           3.1 冷熱源系統設置原則

           通常的建筑空調系統能源形式為夏季采用配以冷卻塔的常規電制冷冷水機組供冷,冬天采用燃氣鍋爐或市政熱力供熱。這樣的空調能源系統形式運行可靠,初投資較低,在空調系統設計中較為常用。但是此能源形式運行能耗較高,節能及環保性較差。地源熱泵是一項利用可再生能源的節能、環保技術,采用地源熱泵系統作為空調系統冷熱源,其運行費用可大大降低,根據不同的地域、氣候、資源、環境,其運行費用可比傳統的空調系統降低 25 %~50% ,但由于地源熱泵較高的初投資使得系統靜態投資回收期約( 4~10 ) 年不等[1]。

           以地源熱泵為主的的復合能源系統,可適度的降低系統的初投資,后期運行費用也可以大幅降低,是一種兼顧節能與環保,投資可控,運行經濟的綜合性能源利用系統方案。結合項目使用特點,兼顧初投資和運行費用,采用以地源熱泵為主的復合能源系統。地源熱泵負擔基礎負荷,常規冷機和鍋爐負擔峰值負荷,解決平時和高峰運營時的能耗矛盾??紤]到本工程高端會議的高保證性要求,為保證能源系統使用上的安全性,常規能源系統的容量按設計冷/熱負荷的100%考慮,即使在地源熱泵系統故障時,常規能源系統也能完全滿足本工程空調供冷/供熱的使用需求。

           3.2 基礎負荷的確定

           空調負荷計算時將該建筑的運營方式簡化為基礎運營和峰值運營兩種。根據負荷計算結果,并結合運營規劃,將冬季熱負荷進行分類和匯總。首先,根據建筑內部空間的使用功能將建筑內的空調負荷按照9個功能區分別統計;其次,將每個功能區的設計熱負荷和值班供暖熱負荷分別計算,并按圍護結構熱負荷和新風熱負荷分別統計;最后,引入使用率因子,負荷匯總時將基礎運營時使用的功能區域的使用率設定為1,將基礎運營時部分使用的功能區域的使用率設定為0.5~0.8不等,平時空置僅在峰值運營使用的功能區域取其值班供暖熱負荷,最后得到的冬季基礎負荷和峰值負荷。同理,也可得到夏季基礎負荷和峰值負荷。經計算,本工程基礎運營時的夏季冷負荷為2893kw,約占空調總冷負荷的35%;冬季基礎熱負荷值為3340kw,約占空調總熱負荷的56%,北京屬寒冷地區,冬季基礎運營時空置區域也須考慮值班供暖,且冬季基礎負荷的比例較高,故采用冬季基礎運營熱負荷來確定地源熱泵系統的裝機容量。

           3.3 冷熱源系統設置

           本項目冬季空調熱源采用地源熱泵系統+燃氣鍋爐。平時運營時,地源熱泵系統負擔空調系統的熱負荷;在高峰運營時,地源熱泵系統和燃氣鍋爐同時運行,以調節峰值熱負荷。地源熱泵機房內設2臺地源熱泵機組,制熱工況熱水進出口水溫為40℃/45℃。鍋爐房位于建筑主體以外,在園區的東北側獨立設置,為冬季空調供熱提供部分熱源,同時作為冬季太陽能生活熱水系統的輔助熱源。夏季空調冷源采用地源熱泵系統+電制冷冷水機組。平時運營時,地源熱泵系統負擔空調系統的冷負荷;在高峰運營時,地源熱泵系統和常規冷水機組同時運行,以調節峰值冷負荷。地源熱泵機房內設2臺地源熱泵機組,2臺常規冷水機組,冷凍水供回水溫度為7℃/12℃。經計算,與常規能源方式相比較,采用復合能源的系統每年可節約651.2噸標準煤。

    4 空調水系統

           4.1 空調水系統設計

           空調水系統豎向為一個區,系統采用膨脹水箱的定壓方式,膨脹水箱設于屋頂水箱間。由于本建筑進深較大,存在比較明顯的內外區,設計中也劃分了內外區進行分區域空調設計??照{水系統采用分區兩管制,夏季全樓供冷;冬季內區供冷,外區供熱;局部區域(如:貴賓休息及貴賓接待)采用四管制??照{冷凍水系統及空調熱水循環系統均為變流量系統,空調熱水循環泵變頻運行;空調冷凍水為一次泵系統。

           4.2 低溫地板輻射供暖系統

           二層主會議廳、環廊以及地下一層入口大廳設低溫地板輻射供暖系統,地面設計溫度為24-26℃,地板供暖系統的各分支管路設置遠傳型溫控閥;

           4.3  空調水系統的水力平衡措施

           空調水系統采用異程式,各層風機盤管支干管設置壓差控制閥,每組風機盤管設置電動兩通閥,各個空調(新風)機組設置動態壓差電動調節閥。

    5 空調風系統設計

           5.1 各個主要功能區的空調通風系統形式詳表2。

    表2 各主要功能區空調通風系統型式
    表2 各主要功能區空調通風系統型式

           人員密集場所(主會議廳、宴會廳等)的全空氣空調系統室內設置CO2濃度傳感器,排風機根據室內CO2濃度變頻控制排風量,從而進行新風量控制;過渡季節設置可調新風比的措施,利用室外新風消除室內余熱,空調系統節能運行。本工程對風機盤管加新風系統的空調排風設置了全熱回收,采用轉輪型全熱回收??鄢尚l生間排風系統排出室外的新風量以及維持空調房間正壓所需的新風量,本工程設置全熱回收的排風回收比率為風機盤管加新風系統的64.6%,大幅節省了新風系統的能耗。本工程全空氣的空調系統設計了可調新風比的措施,過渡季可實現全新風工況運行,過渡季可以通過加大空調機組的新風量消除室內余熱,減少冷源設備的開啟時間。同時,冬季內區空調機組還可以通過調節新風比,利用室外新風作為免費冷源,對內區部分進行空調降溫,達到了既舒適又節能的效果。

           5.2 被動式節能技術應用

           出于本項目消防排煙的考慮,建筑環形外廊的幕墻設置了大量可開啟的高窗,5000人主會議廳的屋頂中心設有半徑10米的圓形天窗,在屋頂的外圈還設計了4處環形窗帶。結合自然排煙窗的設置,利用建筑大挑檐的避雨作用,設計中將環廊的高側窗均設置為以中部為軸的開啟方式,增大自然通風的進風面積。室外空氣由建筑環形外廊的玻璃幕墻側窗進入,室內熱空氣在熱壓作用下由天窗和環形高窗排出。經模擬計算,過渡季可實現每小時換氣3.5次,有效去除室內余熱,改善室內熱環境。

           地道風技術是通過埋地管道將空氣與土壤進行熱交換的一種被動式建筑節能技術。本工程結合建筑總體布置,綜合考慮造價的因素,在建筑物東北側設置了兩條長約65m的地道,地道尺寸為:2x2.5米,地道埋深6m,室外與地道連接處設置取風構筑物。建筑內部分區域的空調新風取風采用地道風的方式,對新風進行預冷預熱,節約空調系統的新風能耗。經模擬計算,夏季降溫最多可達5度,冬季升溫最多可達6度,可有效降低空調系統的能耗。

           5.3 主會議廳及環廊的空調通風系統

           本工程的核心區域是二層5000人的會議廳及環廊,會議廳凈高約15-16.5米,直徑84m,中間及周邊區域均設有玻璃天窗,為滿足不同規模的會議要求,設置了移動隔板,需要時可將主會議廳靈活分隔成5個獨立的會議空間。環廊凈高15.3米,進深約22米??照{系統均采用了一次回風全空氣系統,同時設置低溫地板輻射供暖系統,既能夠補充空調通風系統的冬季供熱,也提供了該空間內的值班供暖。高大空間全空氣系統的氣流組織也是設計的重點和難點,合理選擇和布置送回風口,使得室內具有舒適和滿意的空氣分布,同時保證較低的空調能耗及良好的室內空氣品質是設計人員必須考慮的。主會議廳根據業主的使用需求全部采用活動座椅,因此難以實現座椅送風的空調方案。由于會議廳直徑較大,噪聲控制要求較高,同時考慮移動隔板的阻擋作用,周邊側送風的方案也無法成立。最終會議廳采用了頂部設置旋流風口,中心休息廳結合斜面構造采用側下噴口送風,周邊區域設置墻面下回風的氣流組織方式。環廊由于噪聲控制要求不高,進深不是很大,采用了側噴噴口側送結合局部區域頂送,側墻下部回風的氣流組織方式。環廊空調采用分層空調的理念,側噴噴口設置在9m的高度。主會議廳及環廊空調風口的布置示意詳圖1。

    圖1 主會議廳及環廊空調風口布置示意圖

           5.4  CFD模擬驗證

           為了驗證氣流組織的合理性,借助CFD工具建立空調系統的氣流模型,對該系統進行了模擬驗證。主會議廳及環廊冬夏季室內模擬的風速及溫度分布圖詳圖2及圖3。

    圖2 冬季工況室內風速及溫度分布圖(1.5m高處)

           通過冬季及夏季工況下流速場模擬結果可以看出,大會議廳及其環廊區域的主要人員活動區域內流速場分布比較均勻,沒有明顯的通風死角。通過溫度場模擬結果的絕對值來看,在大會議廳、環廊的主要人員活動區域內溫度場分布比較均勻,接近冬季及夏季的室內溫度設計參數,沒有出現局地溫度過高或者過低的情況,設計方案中的風口設置較好地滿足室內舒適度的需求。

    6 設計總結與體會

           采用以地源熱泵為主的復合能源系統,是一種兼顧節能與環保,投資可控,運行經濟的綜合性能源利用系統方案。

           高大空間的空調氣流組織在空調設計中需要設計人員重點考慮,結合工程的具體情況,在保證室內整體效果的情況下盡可能的合理布置送回風口位置,以便達到良好的空調效果。CFD模擬技術的應用日益廣泛,空調設計中借助CFD技術對高大、復雜空間進行氣流組織模擬,已成為設計過程中的常用輔助手段。CFD技術可以幫助設計人員對比不同的氣流組織方案,以確定最優的氣流組織方式,同時能夠對空調區域的舒適性指標進行模擬驗證。

           本工程自建成投入使用以來,承接了大量會議及展覽活動,空調通風系統運行良好,室內各空調區域均達到了設計要求。

    參考文獻

           [1] 徐偉,張時聰. 中國地源熱泵技術現狀及發展趨勢. 太陽能,2007,(3):11-14

           備注:本文收錄于第21屆暖通空調制冷學術年會(2018年10月23~27日,中國·三門峽)論文集。版權歸論文作者所有,任何形式轉載請聯系作者。

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