北京市建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司 王毅  韓兆強(qiáng)  曾源  胡寧

       【摘  要】本文介紹了北京雁棲湖國(guó)際會(huì)展中心空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)概況，包括空調(diào)室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)的確定、空調(diào)冷熱源系統(tǒng)、空調(diào)水系統(tǒng)、空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及一些主動(dòng)式、被動(dòng)式節(jié)能技術(shù)在項(xiàng)目中的應(yīng)用情況。著重闡述了以地源熱泵為主的復(fù)合能源系統(tǒng)和主會(huì)場(chǎng)（含環(huán)廊）的空調(diào)送回風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并利用CFD技術(shù)對(duì)主會(huì)場(chǎng)空調(diào)送回風(fēng)系統(tǒng)的室內(nèi)溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)等進(jìn)行了模擬，驗(yàn)證了主會(huì)場(chǎng)及環(huán)廊空調(diào)系統(tǒng)氣流組織的合理性。為同類(lèi)建筑的空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作提供參考。

       【關(guān)鍵字】復(fù)合能源 全空氣系統(tǒng) 節(jié)能 CFD模擬 

1 項(xiàng)目概況

       北京雁棲湖國(guó)際會(huì)展中心位于北京市懷柔區(qū)雁棲湖會(huì)都生態(tài)發(fā)展示范區(qū)，項(xiàng)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(huì)議及展覽并重，既能承擔(dān)重要國(guó)際會(huì)議，同時(shí)也兼具舉辦各種高端展覽和演出的功能，內(nèi)部空間包括5000人主會(huì)議廳（可兼做展廳）、宴會(huì)廳、新聞發(fā)布廳以及各種大、中型會(huì)議室等。

       本項(xiàng)目應(yīng)用了屋檐遮陽(yáng)、自然通風(fēng)、自然采光、地道風(fēng)、地源熱泵、太陽(yáng)能、光導(dǎo)纖維、雨水回收等主、被動(dòng)式綠色節(jié)能技術(shù)，并于2015年獲得了“三星級(jí)綠色建筑設(shè)計(jì)標(biāo)識(shí)證書(shū)”，為會(huì)展類(lèi)建筑的綠色生態(tài)設(shè)計(jì)提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。北京雁棲湖國(guó)際會(huì)展中心已成功為APEC會(huì)議、北京國(guó)際電影節(jié)、第五屆世界水電大會(huì)、北京電視臺(tái)春節(jié)晚會(huì)提供了會(huì)場(chǎng)服務(wù)。

2 室內(nèi)主要空間空調(diào)設(shè)計(jì)參數(shù)（見(jiàn)表1）

表1 室內(nèi)空調(diào)設(shè)計(jì)參數(shù)

3 空調(diào)冷熱源系統(tǒng)

       3.1 冷熱源系統(tǒng)設(shè)置原則

       通常的建筑空調(diào)系統(tǒng)能源形式為夏季采用配以冷卻塔的常規(guī)電制冷冷水機(jī)組供冷，冬天采用燃?xì)忮仩t或市政熱力供熱。這樣的空調(diào)能源系統(tǒng)形式運(yùn)行可靠，初投資較低，在空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中較為常用。但是此能源形式運(yùn)行能耗較高，節(jié)能及環(huán)保性較差。地源熱泵是一項(xiàng)利用可再生能源的節(jié)能、環(huán)保技術(shù)，采用地源熱泵系統(tǒng)作為空調(diào)系統(tǒng)冷熱源，其運(yùn)行費(fèi)用可大大降低，根據(jù)不同的地域、氣候、資源、環(huán)境，其運(yùn)行費(fèi)用可比傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)降低 25 %～50% ，但由于地源熱泵較高的初投資使得系統(tǒng)靜態(tài)投資回收期約( 4～10 ) 年不等^[1]。

       以地源熱泵為主的的復(fù)合能源系統(tǒng)，可適度的降低系統(tǒng)的初投資，后期運(yùn)行費(fèi)用也可以大幅降低，是一種兼顧節(jié)能與環(huán)保，投資可控，運(yùn)行經(jīng)濟(jì)的綜合性能源利用系統(tǒng)方案。結(jié)合項(xiàng)目使用特點(diǎn)，兼顧初投資和運(yùn)行費(fèi)用，采用以地源熱泵為主的復(fù)合能源系統(tǒng)。地源熱泵負(fù)擔(dān)基礎(chǔ)負(fù)荷，常規(guī)冷機(jī)和鍋爐負(fù)擔(dān)峰值負(fù)荷，解決平時(shí)和高峰運(yùn)營(yíng)時(shí)的能耗矛盾。考慮到本工程高端會(huì)議的高保證性要求，為保證能源系統(tǒng)使用上的安全性，常規(guī)能源系統(tǒng)的容量按設(shè)計(jì)冷/熱負(fù)荷的100%考慮，即使在地源熱泵系統(tǒng)故障時(shí)，常規(guī)能源系統(tǒng)也能完全滿(mǎn)足本工程空調(diào)供冷/供熱的使用需求。

       3.2 基礎(chǔ)負(fù)荷的確定

       空調(diào)負(fù)荷計(jì)算時(shí)將該建筑的運(yùn)營(yíng)方式簡(jiǎn)化為基礎(chǔ)運(yùn)營(yíng)和峰值運(yùn)營(yíng)兩種。根據(jù)負(fù)荷計(jì)算結(jié)果，并結(jié)合運(yùn)營(yíng)規(guī)劃，將冬季熱負(fù)荷進(jìn)行分類(lèi)和匯總。首先，根據(jù)建筑內(nèi)部空間的使用功能將建筑內(nèi)的空調(diào)負(fù)荷按照9個(gè)功能區(qū)分別統(tǒng)計(jì)；其次，將每個(gè)功能區(qū)的設(shè)計(jì)熱負(fù)荷和值班供暖熱負(fù)荷分別計(jì)算，并按圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱負(fù)荷和新風(fēng)熱負(fù)荷分別統(tǒng)計(jì)；最后，引入使用率因子，負(fù)荷匯總時(shí)將基礎(chǔ)運(yùn)營(yíng)時(shí)使用的功能區(qū)域的使用率設(shè)定為1，將基礎(chǔ)運(yùn)營(yíng)時(shí)部分使用的功能區(qū)域的使用率設(shè)定為0.5～0.8不等，平時(shí)空置僅在峰值運(yùn)營(yíng)使用的功能區(qū)域取其值班供暖熱負(fù)荷，最后得到的冬季基礎(chǔ)負(fù)荷和峰值負(fù)荷。同理，也可得到夏季基礎(chǔ)負(fù)荷和峰值負(fù)荷。經(jīng)計(jì)算，本工程基礎(chǔ)運(yùn)營(yíng)時(shí)的夏季冷負(fù)荷為2893kw，約占空調(diào)總冷負(fù)荷的35%；冬季基礎(chǔ)熱負(fù)荷值為3340kw，約占空調(diào)總熱負(fù)荷的56%，北京屬寒冷地區(qū)，冬季基礎(chǔ)運(yùn)營(yíng)時(shí)空置區(qū)域也須考慮值班供暖，且冬季基礎(chǔ)負(fù)荷的比例較高，故采用冬季基礎(chǔ)運(yùn)營(yíng)熱負(fù)荷來(lái)確定地源熱泵系統(tǒng)的裝機(jī)容量。

       3.3 冷熱源系統(tǒng)設(shè)置

       本項(xiàng)目冬季空調(diào)熱源采用地源熱泵系統(tǒng)+燃?xì)忮仩t。平時(shí)運(yùn)營(yíng)時(shí)，地源熱泵系統(tǒng)負(fù)擔(dān)空調(diào)系統(tǒng)的熱負(fù)荷；在高峰運(yùn)營(yíng)時(shí)，地源熱泵系統(tǒng)和燃?xì)忮仩t同時(shí)運(yùn)行，以調(diào)節(jié)峰值熱負(fù)荷。地源熱泵機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)2臺(tái)地源熱泵機(jī)組，制熱工況熱水進(jìn)出口水溫為40℃/45℃。鍋爐房位于建筑主體以外，在園區(qū)的東北側(cè)獨(dú)立設(shè)置，為冬季空調(diào)供熱提供部分熱源，同時(shí)作為冬季太陽(yáng)能生活熱水系統(tǒng)的輔助熱源。夏季空調(diào)冷源采用地源熱泵系統(tǒng)+電制冷冷水機(jī)組。平時(shí)運(yùn)營(yíng)時(shí)，地源熱泵系統(tǒng)負(fù)擔(dān)空調(diào)系統(tǒng)的冷負(fù)荷；在高峰運(yùn)營(yíng)時(shí)，地源熱泵系統(tǒng)和常規(guī)冷水機(jī)組同時(shí)運(yùn)行，以調(diào)節(jié)峰值冷負(fù)荷。地源熱泵機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)2臺(tái)地源熱泵機(jī)組，2臺(tái)常規(guī)冷水機(jī)組，冷凍水供回水溫度為7℃/12℃。經(jīng)計(jì)算，與常規(guī)能源方式相比較，采用復(fù)合能源的系統(tǒng)每年可節(jié)約651.2噸標(biāo)準(zhǔn)煤。

4 空調(diào)水系統(tǒng)

       4.1 空調(diào)水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

       空調(diào)水系統(tǒng)豎向?yàn)橐粋€(gè)區(qū)，系統(tǒng)采用膨脹水箱的定壓方式，膨脹水箱設(shè)于屋頂水箱間。由于本建筑進(jìn)深較大，存在比較明顯的內(nèi)外區(qū)，設(shè)計(jì)中也劃分了內(nèi)外區(qū)進(jìn)行分區(qū)域空調(diào)設(shè)計(jì)。空調(diào)水系統(tǒng)采用分區(qū)兩管制，夏季全樓供冷；冬季內(nèi)區(qū)供冷，外區(qū)供熱；局部區(qū)域（如：貴賓休息及貴賓接待）采用四管制。空調(diào)冷凍水系統(tǒng)及空調(diào)熱水循環(huán)系統(tǒng)均為變流量系統(tǒng)，空調(diào)熱水循環(huán)泵變頻運(yùn)行；空調(diào)冷凍水為一次泵系統(tǒng)。

       4.2 低溫地板輻射供暖系統(tǒng)

       二層主會(huì)議廳、環(huán)廊以及地下一層入口大廳設(shè)低溫地板輻射供暖系統(tǒng)，地面設(shè)計(jì)溫度為24-26℃，地板供暖系統(tǒng)的各分支管路設(shè)置遠(yuǎn)傳型溫控閥；

       4.3  空調(diào)水系統(tǒng)的水力平衡措施

       空調(diào)水系統(tǒng)采用異程式，各層風(fēng)機(jī)盤(pán)管支干管設(shè)置壓差控制閥，每組風(fēng)機(jī)盤(pán)管設(shè)置電動(dòng)兩通閥，各個(gè)空調(diào)（新風(fēng)）機(jī)組設(shè)置動(dòng)態(tài)壓差電動(dòng)調(diào)節(jié)閥。

5 空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

       5.1 各個(gè)主要功能區(qū)的空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)形式詳表2。

表2 各主要功能區(qū)空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)型式

       人員密集場(chǎng)所（主會(huì)議廳、宴會(huì)廳等）的全空氣空調(diào)系統(tǒng)室內(nèi)設(shè)置CO2濃度傳感器，排風(fēng)機(jī)根據(jù)室內(nèi)CO2濃度變頻控制排風(fēng)量，從而進(jìn)行新風(fēng)量控制；過(guò)渡季節(jié)設(shè)置可調(diào)新風(fēng)比的措施，利用室外新風(fēng)消除室內(nèi)余熱，空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能運(yùn)行。本工程對(duì)風(fēng)機(jī)盤(pán)管加新風(fēng)系統(tǒng)的空調(diào)排風(fēng)設(shè)置了全熱回收，采用轉(zhuǎn)輪型全熱回收。扣除由衛(wèi)生間排風(fēng)系統(tǒng)排出室外的新風(fēng)量以及維持空調(diào)房間正壓所需的新風(fēng)量，本工程設(shè)置全熱回收的排風(fēng)回收比率為風(fēng)機(jī)盤(pán)管加新風(fēng)系統(tǒng)的64.6％，大幅節(jié)省了新風(fēng)系統(tǒng)的能耗。本工程全空氣的空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)了可調(diào)新風(fēng)比的措施，過(guò)渡季可實(shí)現(xiàn)全新風(fēng)工況運(yùn)行，過(guò)渡季可以通過(guò)加大空調(diào)機(jī)組的新風(fēng)量消除室內(nèi)余熱，減少冷源設(shè)備的開(kāi)啟時(shí)間。同時(shí)，冬季內(nèi)區(qū)空調(diào)機(jī)組還可以通過(guò)調(diào)節(jié)新風(fēng)比，利用室外新風(fēng)作為免費(fèi)冷源，對(duì)內(nèi)區(qū)部分進(jìn)行空調(diào)降溫，達(dá)到了既舒適又節(jié)能的效果。

       5.2 被動(dòng)式節(jié)能技術(shù)應(yīng)用

       出于本項(xiàng)目消防排煙的考慮，建筑環(huán)形外廊的幕墻設(shè)置了大量可開(kāi)啟的高窗，5000人主會(huì)議廳的屋頂中心設(shè)有半徑10米的圓形天窗，在屋頂?shù)耐馊€設(shè)計(jì)了4處環(huán)形窗帶。結(jié)合自然排煙窗的設(shè)置，利用建筑大挑檐的避雨作用，設(shè)計(jì)中將環(huán)廊的高側(cè)窗均設(shè)置為以中部為軸的開(kāi)啟方式，增大自然通風(fēng)的進(jìn)風(fēng)面積。室外空氣由建筑環(huán)形外廊的玻璃幕墻側(cè)窗進(jìn)入，室內(nèi)熱空氣在熱壓作用下由天窗和環(huán)形高窗排出。經(jīng)模擬計(jì)算，過(guò)渡季可實(shí)現(xiàn)每小時(shí)換氣3.5次，有效去除室內(nèi)余熱，改善室內(nèi)熱環(huán)境。

       地道風(fēng)技術(shù)是通過(guò)埋地管道將空氣與土壤進(jìn)行熱交換的一種被動(dòng)式建筑節(jié)能技術(shù)。本工程結(jié)合建筑總體布置，綜合考慮造價(jià)的因素，在建筑物東北側(cè)設(shè)置了兩條長(zhǎng)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(shè)置取風(fēng)構(gòu)筑物。建筑內(nèi)部分區(qū)域的空調(diào)新風(fēng)取風(fēng)采用地道風(fēng)的方式，對(duì)新風(fēng)進(jìn)行預(yù)冷預(yù)熱，節(jié)約空調(diào)系統(tǒng)的新風(fēng)能耗。經(jīng)模擬計(jì)算，夏季降溫最多可達(dá)5度，冬季升溫最多可達(dá)6度，可有效降低空調(diào)系統(tǒng)的能耗。

       5.3 主會(huì)議廳及環(huán)廊的空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)

       本工程的核心區(qū)域是二層5000人的會(huì)議廳及環(huán)廊，會(huì)議廳凈高約15-16.5米，直徑84m，中間及周邊區(qū)域均設(shè)有玻璃天窗，為滿(mǎn)足不同規(guī)模的會(huì)議要求，設(shè)置了移動(dòng)隔板，需要時(shí)可將主會(huì)議廳靈活分隔成5個(gè)獨(dú)立的會(huì)議空間。環(huán)廊凈高15.3米，進(jìn)深約22米。空調(diào)系統(tǒng)均采用了一次回風(fēng)全空氣系統(tǒng)，同時(shí)設(shè)置低溫地板輻射供暖系統(tǒng)，既能夠補(bǔ)充空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的冬季供熱，也提供了該空間內(nèi)的值班供暖。高大空間全空氣系統(tǒng)的氣流組織也是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，合理選擇和布置送回風(fēng)口，使得室內(nèi)具有舒適和滿(mǎn)意的空氣分布，同時(shí)保證較低的空調(diào)能耗及良好的室內(nèi)空氣品質(zhì)是設(shè)計(jì)人員必須考慮的。主會(huì)議廳根據(jù)業(yè)主的使用需求全部采用活動(dòng)座椅，因此難以實(shí)現(xiàn)座椅送風(fēng)的空調(diào)方案。由于會(huì)議廳直徑較大，噪聲控制要求較高，同時(shí)考慮移動(dòng)隔板的阻擋作用，周邊側(cè)送風(fēng)的方案也無(wú)法成立。最終會(huì)議廳采用了頂部設(shè)置旋流風(fēng)口，中心休息廳結(jié)合斜面構(gòu)造采用側(cè)下噴口送風(fēng)，周邊區(qū)域設(shè)置墻面下回風(fēng)的氣流組織方式。環(huán)廊由于噪聲控制要求不高，進(jìn)深不是很大，采用了側(cè)噴噴口側(cè)送結(jié)合局部區(qū)域頂送，側(cè)墻下部回風(fēng)的氣流組織方式。環(huán)廊空調(diào)采用分層空調(diào)的理念，側(cè)噴噴口設(shè)置在9m的高度。主會(huì)議廳及環(huán)廊空調(diào)風(fēng)口的布置示意詳圖1。

       5.4  CFD模擬驗(yàn)證

       為了驗(yàn)證氣流組織的合理性，借助CFD工具建立空調(diào)系統(tǒng)的氣流模型，對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了模擬驗(yàn)證。主會(huì)議廳及環(huán)廊冬夏季室內(nèi)模擬的風(fēng)速及溫度分布圖詳圖2及圖3。

       通過(guò)冬季及夏季工況下流速場(chǎng)模擬結(jié)果可以看出，大會(huì)議廳及其環(huán)廊區(qū)域的主要人員活動(dòng)區(qū)域內(nèi)流速場(chǎng)分布比較均勻，沒(méi)有明顯的通風(fēng)死角。通過(guò)溫度場(chǎng)模擬結(jié)果的絕對(duì)值來(lái)看，在大會(huì)議廳、環(huán)廊的主要人員活動(dòng)區(qū)域內(nèi)溫度場(chǎng)分布比較均勻，接近冬季及夏季的室內(nèi)溫度設(shè)計(jì)參數(shù)，沒(méi)有出現(xiàn)局地溫度過(guò)高或者過(guò)低的情況，設(shè)計(jì)方案中的風(fēng)口設(shè)置較好地滿(mǎn)足室內(nèi)舒適度的需求。

6 設(shè)計(jì)總結(jié)與體會(huì)

       采用以地源熱泵為主的復(fù)合能源系統(tǒng)，是一種兼顧節(jié)能與環(huán)保，投資可控，運(yùn)行經(jīng)濟(jì)的綜合性能源利用系統(tǒng)方案。

       高大空間的空調(diào)氣流組織在空調(diào)設(shè)計(jì)中需要設(shè)計(jì)人員重點(diǎn)考慮，結(jié)合工程的具體情況，在保證室內(nèi)整體效果的情況下盡可能的合理布置送回風(fēng)口位置，以便達(dá)到良好的空調(diào)效果。CFD模擬技術(shù)的應(yīng)用日益廣泛，空調(diào)設(shè)計(jì)中借助CFD技術(shù)對(duì)高大、復(fù)雜空間進(jìn)行氣流組織模擬，已成為設(shè)計(jì)過(guò)程中的常用輔助手段。CFD技術(shù)可以幫助設(shè)計(jì)人員對(duì)比不同的氣流組織方案，以確定最優(yōu)的氣流組織方式，同時(shí)能夠?qū)照{(diào)區(qū)域的舒適性指標(biāo)進(jìn)行模擬驗(yàn)證。

       本工程自建成投入使用以來(lái)，承接了大量會(huì)議及展覽活動(dòng)，空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行良好，室內(nèi)各空調(diào)區(qū)域均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

參考文獻(xiàn)

       [1] 徐偉，張時(shí)聰. 中國(guó)地源熱泵技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì). 太陽(yáng)能，2007，（3）：11-14

       備注：本文收錄于第21屆暖通空調(diào)制冷學(xué)術(shù)年會(huì)（2018年10月23～27日，中國(guó)·三門(mén)峽）論文集。版權(quán)歸論文作者所有,任何形式轉(zhuǎn)載請(qǐng)聯(lián)系作者。