潘智捷

(廈門合立道工程設(shè)計集團股份有限公司 福建廈門 361000)

0 引言

夏熱冬冷地區(qū)人口與國民生產(chǎn)總值分別占全國的45%和48%。該區(qū)域夏季炎熱、冬季濕冷，建筑供暖與空調(diào)需求并存，是我國實行建筑節(jié)能減排的重要區(qū)域之一[1-2]。商業(yè)綜合體是由人類不同層次、需求所衍生出來的城市生活設(shè)施，集購物、餐飲、住宿、辦公休閑等于一體的空間[3]。由于商業(yè)綜合體具有人口密度大、業(yè)態(tài)多樣化、運營時間不統(tǒng)一、舒適性要求高、商戶需求不穩(wěn)定的特點，因此，對暖通空調(diào)設(shè)計有著更高的要求。

張建軍對富力辦公商業(yè)綜合體項目的暖通空調(diào)設(shè)計進(jìn)行了闡述[4]；李雪薇等人對合肥某商業(yè)綜合體暖通空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)說明并介紹了一些節(jié)能措施[5]。這些均為典型的優(yōu)秀工程實例，但并沒有說明為何如此設(shè)計。張京奉針對公共建筑高大中庭供暖頂部過熱、底部過冷提出在屋頂加裝新風(fēng)機，通過溫度較低的室外新風(fēng)與中庭頂部高溫氣體混合,雖然緩解了商場頂部過熱的現(xiàn)象[6]，但也造成了能源浪費。

本文結(jié)合具體案例及過往經(jīng)驗，分析了某夏熱冬冷地區(qū)商業(yè)綜合體MALL在冷熱源系統(tǒng)、輸配系統(tǒng)、末端系統(tǒng)等方面的設(shè)計要點，探討了同類建筑中夏季頂部公共區(qū)域過熱、冬季底部公共區(qū)域過冷等常見問題的解決方案。希望對夏熱冬冷地區(qū)商業(yè)綜合體MALL的暖通空調(diào)設(shè)計提供有效參考。

1 某夏熱冬冷地區(qū)某商業(yè)綜合體簡介

該商業(yè)綜合體位于湖北省，屬夏熱冬冷地區(qū)。地下一層，功能為汽車庫、設(shè)備用房等，地上四層，首層由室外步行街、室內(nèi)步行街、主力店等組成，二層為超市、室內(nèi)步行街等，三層為餐飲、影院等，四層局部設(shè)置室外步行街，屬建筑高度小于24 m的多層公共建筑。除超市、影院、室外步行街外的區(qū)域(以下簡稱“商業(yè)MALL”)，空調(diào)面積約21 000 m2。

2 夏熱冬冷地區(qū)商業(yè)MALL設(shè)計方案

2.1 冷熱源形式

商業(yè)MALL采用HDY-SMAD V4.0計算及分析空調(diào)負(fù)荷，圖1、圖2分別給出了商業(yè)MALL全年負(fù)荷柱狀圖及冷負(fù)荷分布圖。

根據(jù)圖1負(fù)荷柱狀圖顯示，夏季冷負(fù)荷約4011 kW，冬季熱負(fù)荷約2000 kW。因當(dāng)?shù)責(zé)o市政熱力管網(wǎng)，且業(yè)主在立項之初已明確不采用鍋爐系統(tǒng)，故本項目熱源選用兩臺單機制熱量為977 kW(制冷量為1004 kW)的風(fēng)冷螺桿式冷熱水機組。

根據(jù)圖2冷負(fù)荷分布圖可知，夏季空調(diào)約有76%的運行時段集中在0～2000 kW的負(fù)荷區(qū)間，約24%的運行時段在2000～4000 kW的負(fù)荷區(qū)間。除了上述兩臺風(fēng)冷螺桿式冷熱水機組，該項目還選用了兩臺單機制冷量為983.4 kW的螺桿式水冷冷水機組。由于水冷螺桿式冷水機組運行效率高于風(fēng)冷螺桿式冷水機組,如圖3所示，故當(dāng)系統(tǒng)冷量需求小于2000 kW時，優(yōu)先運行水冷螺桿式冷水機組。當(dāng)系統(tǒng)冷量需求大于2000 kW時，再開啟風(fēng)冷螺桿式冷熱水機組作為補充，以降低運行費用。夏季，當(dāng)1臺冷水機組檢修或者故障時，另外3臺主機可滿足約95%時刻內(nèi)的負(fù)荷需求，保證空調(diào)系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。

圖1 負(fù)荷柱狀圖

圖2 冷負(fù)荷分布圖

圖3 風(fēng)冷螺桿與水冷螺桿部分負(fù)荷能效比對

2.2 輸配系統(tǒng)

該項目采用兩管制系統(tǒng)，夏季供冷、冬季供暖，并分別設(shè)置冷水和熱水循環(huán)泵?？照{(diào)制熱時選用3臺熱水泵(兩用一備)與風(fēng)冷螺桿式冷熱水機組，各自并聯(lián)后，通過母管連接，每臺風(fēng)冷熱泵水管路上均設(shè)電動蝶閥，保證主機與水泵一對一的連接方式。

冷凍水泵正常應(yīng)選用6臺水泵，3臺(兩用一備)供風(fēng)冷式冷熱水機組使用，3臺(兩用一備)供螺桿式冷水機組使用。經(jīng)水力計算顯示，空調(diào)制冷時風(fēng)冷式冷熱水機組環(huán)路(從集水器出發(fā)，經(jīng)風(fēng)冷式冷熱水機組，最后回到分水器)與螺桿式冷水機組環(huán)路(從集水器出發(fā)，經(jīng)螺桿式冷水機組，最后回到分水器)的設(shè)計流量、壓力損失基本一致。因此，該項目采用5臺冷凍水泵(四用一備)，風(fēng)冷式冷熱水機組環(huán)路與螺桿式冷水機組共用備用水泵。在保證系統(tǒng)合理、可靠前提下，節(jié)約了1臺水泵及相應(yīng)管路的初投資?？照{(diào)冷熱水系統(tǒng)圖如圖4所示。

2.3 末端系統(tǒng)

由于內(nèi)街商鋪面積較小，且往往隨著業(yè)主招商進(jìn)行重新分割，內(nèi)街商鋪采用風(fēng)機盤管加新風(fēng)機組的末端形式。主力店等人流多、大開間的區(qū)域采用單風(fēng)機全空氣空調(diào)系統(tǒng)，過渡季節(jié)可引入全新風(fēng)制冷。

3 問題分析及解決

3.1 夏季頂部公共區(qū)域過熱

由于采光和視覺效果的需求，商業(yè)MALL往往設(shè)計了較多跨樓層的中庭高大空間。貫通上下的中庭成為空氣的垂直通道。在熱壓的作用下，室內(nèi)的熱風(fēng)上浮并積聚在中庭頂部，出現(xiàn)明顯的溫度梯度分層。同時，中庭頂部存在大量玻璃天窗，為滿足節(jié)能要求，天窗采用Low-E玻璃，太陽的短波熱輻射可以透過Low-E玻璃照射到室內(nèi)建筑表面，而室內(nèi)建筑表面的長波二次輻射則無法穿過玻璃反射出去。因此大量熱量滯留在頂部，造成商業(yè)MALL頂部公共區(qū)域的高溫[7]。滯留在頂部的這部分熱量如果沒有及時排出，會與室內(nèi)的冷量進(jìn)行熱量交換，造成嚴(yán)重的能源浪費。因此，要降低頂層公共區(qū)域的溫度，首先要先將這部分熱量排出去。

商業(yè)步行街人流量大，需要設(shè)計較大風(fēng)量的新風(fēng)系統(tǒng)。合理設(shè)置排風(fēng)系統(tǒng)，才能使建筑維持微正壓，使新風(fēng)良好流通并順利送入商場內(nèi)。由于店鋪排風(fēng)與公共區(qū)域空氣頂部存在溫度差，可以引導(dǎo)這些低溫排風(fēng)進(jìn)入公共區(qū)域和公共區(qū)域滯留的熱量，以降低公共區(qū)域的溫度。采用該方案時，應(yīng)進(jìn)行嚴(yán)格的風(fēng)量平衡計算，將總新風(fēng)量扣除衛(wèi)生間排風(fēng)量及廚房負(fù)壓風(fēng)量后，剩余的風(fēng)量再通過設(shè)置于中庭外的風(fēng)機集中排出。經(jīng)計算，本項目在中庭設(shè)置3臺排風(fēng)量為11 850 m3/h的中庭排風(fēng)機，引導(dǎo)26℃的低溫排風(fēng)進(jìn)入中庭與中庭的高溫空氣混合后排出。此過程，空氣的含濕量保持不變，空氣混合前后為等濕升溫過程。

Q=cGΔt

(1)

式中：G——通風(fēng)換氣量,kg/s；

c——空氣比熱，kJ/(kg·℃)，一般取1.01；

Δt為排風(fēng)溫差，℃，本例為6℃。

根據(jù)以往項目實測，夏季中庭排風(fēng)溫度高達(dá)32℃，因此通過合理的氣流組織設(shè)計，本項目的中庭排風(fēng)機可帶走約65kW的負(fù)荷。該綜合體中庭投影面積約為630m2，每平方米可減少103W的負(fù)荷。另外，中庭天棚冷負(fù)荷(含輻射冷負(fù)荷)巨大，實際工程設(shè)計中應(yīng)仔細(xì)計算該負(fù)荷，并將70%的天棚負(fù)荷分配至頂部公共區(qū)域，通過加大頂部公共區(qū)域制冷量進(jìn)一步降低頂部區(qū)域溫度[8]。

3.2 冬季底部公共區(qū)域過冷

由于餐飲店鋪往往維持微負(fù)壓，廚房有組織的排風(fēng)，使得公共區(qū)域的氣流往餐飲店鋪流動。而餐飲店鋪往往設(shè)置在商場頂部，在冬季，公共區(qū)域的熱空氣被引導(dǎo)進(jìn)入商場頂部，前述的溫度梯度更為嚴(yán)重。伴隨著熱空氣上浮，大量冷風(fēng)通過頻繁進(jìn)出的出入口滲透、流入商場內(nèi)，造成冬季底部區(qū)域溫度過低，增加了冬季空調(diào)運行能耗。

如圖5所示，該項目在中庭與周圍場所之間的吊頂內(nèi)設(shè)置空氣幕，自上而下的氣流形成了有效阻絕各層熱空氣進(jìn)入各層的柔性風(fēng)幕，既阻擋了非餐飲樓層環(huán)廊及商鋪熱空氣進(jìn)入中庭區(qū)域，又避免了中庭熱空氣進(jìn)入餐飲樓層，減少由于中庭負(fù)壓，底部公共區(qū)域的冷風(fēng)滲透。該方案可以保證人們的視覺不被遮擋，公共區(qū)域整潔、美觀。

圖5 中庭氣流組織圖

3.3 過渡季節(jié)仍需開啟制冷機組制冷

以往項目設(shè)計中，為了不占用商業(yè)面積，室內(nèi)街公共區(qū)域常采用吊式空調(diào)機或風(fēng)機盤管的末端形式。這需要較多的末端設(shè)備及設(shè)置更多的檢修口和風(fēng)口，不但影響裝修效果，而且后期維護工作量大，且在過渡季節(jié)無法利用全新風(fēng)免費供冷。

綜合體內(nèi)不同的樓層、不同位置的商鋪，其商業(yè)價值也不同。為實現(xiàn)商業(yè)價值的最大化，爭取更多租金收益，本項目室內(nèi)街公共區(qū)域采用全空氣空調(diào)系統(tǒng)，將空調(diào)機房置于屋面以減少機房對商業(yè)的影響。新、回風(fēng)統(tǒng)一經(jīng)過全空氣空調(diào)箱進(jìn)行處理后，再通過垂直風(fēng)管將空調(diào)送、回風(fēng)引至各樓層，如圖6所示。雖然全空氣系統(tǒng)增加了空調(diào)機房及管井，但是空氣品質(zhì)較好、維護簡單、振動、噪音等易于控制，空調(diào)區(qū)的舒適性獲得較好的保障。同時新風(fēng)管尺寸加大，使得公共區(qū)域過渡季節(jié)可利用室外新風(fēng)作為免費冷源，在保證建筑內(nèi)部舒適性的同時，更好地減少運行能耗。

圖6 公共區(qū)域空調(diào)系統(tǒng)圖

3.4 廚房未補風(fēng)導(dǎo)致中庭滲透風(fēng)嚴(yán)重

餐飲廚房補風(fēng)量為設(shè)計排油煙量的80%～90%[9]，這部分風(fēng)量被用來補充廚房的排油煙，以減少餐飲廚房從公共區(qū)域補風(fēng)。然而，在過往項目的回訪中發(fā)現(xiàn)，出于減少運行費用的目的，大量餐飲商戶在使用排油煙機時并未開啟補風(fēng)機。當(dāng)缺乏有效廚房補風(fēng)系統(tǒng)時，排油煙系統(tǒng)的補風(fēng)來自公共區(qū)域，公共區(qū)域呈現(xiàn)負(fù)壓狀態(tài)，進(jìn)而導(dǎo)致大量未經(jīng)處理的室外風(fēng)滲透進(jìn)入公共區(qū)域，進(jìn)一步加劇了夏季頂部公共區(qū)域過熱、冬季底部公共區(qū)域過冷的現(xiàn)象。因此，餐飲的補風(fēng)系統(tǒng)應(yīng)與排油煙系統(tǒng)聯(lián)動，強制補風(fēng)機隨排油煙風(fēng)機開啟。

4 結(jié)語

通過對某夏熱冬冷地區(qū)商業(yè)MALL的暖通空調(diào)設(shè)計分析可見：

(1)應(yīng)從空調(diào)區(qū)的冬季熱負(fù)荷和夏季逐時冷負(fù)荷計算出發(fā)，有針對性地對不同產(chǎn)權(quán)、不同業(yè)態(tài)、不同運行時間的區(qū)域進(jìn)行冷熱源方案設(shè)計；在保證系統(tǒng)可靠性的前提下，使整個系統(tǒng)合理、經(jīng)濟。

(2)良好的氣流組織既能減少空調(diào)能耗，同時又能提高環(huán)境的舒適性。應(yīng)對商業(yè)綜合體MALL進(jìn)行整體風(fēng)量平衡計算，根據(jù)計算結(jié)果，合理選擇送排風(fēng)風(fēng)機及送排風(fēng)點，引導(dǎo)店鋪的低溫排風(fēng)進(jìn)入中庭公共區(qū)域，同時加大頂層制冷量，以緩解夏季商業(yè)MALL頂部過熱現(xiàn)象。

(3)對于中庭高大區(qū)域冬季底部過冷現(xiàn)象，可通過在中庭與周圍場所之間的吊頂內(nèi)設(shè)置空氣幕，來阻擋中庭區(qū)域的熱空氣進(jìn)入頂層店鋪。通過減少底部區(qū)域的冷風(fēng)滲透，在保證熱舒適性的前提下節(jié)約能源。

(4)中庭公共區(qū)域采用全空氣空調(diào)系統(tǒng)既能提升公共區(qū)域的空氣品質(zhì)，過渡季節(jié)時還能利用全新風(fēng)制冷，節(jié)能潛力巨大。

(5)在實際運營中，應(yīng)采取措施，保證廚房補風(fēng)與排油煙系統(tǒng)同時開啟，以減少由于補風(fēng)系統(tǒng)未開啟帶來的冷風(fēng)滲透。