大型室内水上娱乐场馆的空调系统设计

陆袁

同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司

随着我国国民经济的发展，人们对于娱乐需求的标准不断提高，全天候、全年段的室内水上娱乐场馆项目的建设越来越多。由于该类场馆空间高大、人员活动范围广泛、内部热湿环境复杂，该如何为此类建筑合理选择和设计暖通空调系统，受到了研究和工程设计人员的关注[1-4]。尽管如此，目前国内针对室内水上场馆的研究，其规模多在建筑面积 2 万～4 万平方米之间的中小型场馆，而对单体超5 万平方米的大型室内水上场馆的研究甚少，该类场馆占地面积更广、建筑跨度更大、内部游乐设施复杂多样，导致不能仅凭中小型场馆的设计经验来满足暖通空调的相关要求。本文以笔者设计的某建筑面积超5 万平方米的室内水上娱乐场馆为例，着重分析了合理选择和设计空调末端来满足大型水上场馆的人员舒适性要求，探讨了从空调水系统出发节省系统造价、节约能耗，以及介绍了满足通风及消防要求的自然通风排烟系统设计。

1 项目概况

1.1 建筑概况

本项目位于江苏省南京市，为龙之谷综合体的主要场馆之一—海洋馆，建筑面积64269.66 m2，其中地上建筑面积为60386.19 m2，地下建筑面积3883.47 m2，馆内水体面积约为2 万m2，图 1 为海洋馆的平面图。

该场馆为大跨建筑，建筑屋面最低处为 10m，局部最高处为36m。整体呈现类网壳形状的造型，采用空间大桁架结构形式，外部为钢结构网架，内部为钢筋混凝土框架，平面投影长轴方向长度约 310 m，短轴方向宽度约为210m，最大跨度约为110m。场馆设各大水上主题区域，含水寨、儿童滑道、冲浪模拟器、懒人河、人工造浪池、激光穿梭、互动水堡、广场旱喷跳跳泉等游乐设施，游乐人员的休闲区域主要分布在冲浪模拟器和旱喷广场附近。

图1 海洋馆平面图

1.2 运营概况

根据项目投资方的运营要求，海洋馆参考峰值人数为7670 人，正常使用时间为每年5 月至10 月，冬季不对外营业，即场馆仅需设计夏季和过渡季的空调通风系统，则无需考虑冬季的供热系统和防结露系统的设计。

2 室内设计参数及空调负荷

2.1 室内设计参数确定

该场馆建筑规模大，内部功能多样，虽然内部水体面积约占到总建筑面积的 1/3，但其并非完全意义上的泳池建筑，其室内设计参数不能完全参照游泳池建筑设计规范来确定[5]。为此，将场馆设计划分为“ 戏水区”和“休闲区”两大人员集中区域，戏水区为水上游玩以及水体周边区域，休闲区为人员用餐、非水上游玩等区域。其中戏水区在考虑满足人员舒适度并兼顾场馆运行能耗的情况下，其室内设计温度可高于水温 1～3 ℃[6]，相对湿度≤ 75%，控制在 60～70%之间[6-7]。休闲区实际参数的选择主要以提高室内人员的舒适度为主，具体室内设计参数如表1。

表1 室内设计参数

2.2 空调负荷计算

场馆正常使用时间为每年5 月至 10 月，可仅考虑空调冷负荷。除采用常规冷负荷计算法之外，计算时仍需注意以下几点：

1）戏水区由于大量水体的存在不可忽略由水蒸气的蒸发带入室内空气中的热量[6]。

2）场馆属于高大空间，建筑高度为 10～36 m，设计采用分层空调方式，空调区夏季分层空调冷负荷按全室空调冷负荷的0.7 计算[8]。

另外，在计算场馆散湿量时，考虑水体占场馆 1/3的面积，除人员散湿量外，还需计入场馆内水体及周边两部分的散湿量。

经过计算，空调冷负荷为 12700 kW，散湿量为4240 kg/h。空调冷源由建于场馆外的能源中心集中提供，能源中心采用冷水机组的能源供给方式，供冷期间由冷水机组提供6/14 ℃的空调冷冻水。

3 大空间空调末端设计

场馆内部以游艺设施为主，内部功能性建筑物较少且布置分散不均匀，常规的空调系统需将空调箱设置在空调机房内，并通过风管将处理过的空气送至各空调区，而场馆内无条件布置风管，即使采用喷口，其水平送风距离有限（最多为 50 m），也无法满足场馆短边210 m 的间距要求。另外，由于场馆为高大空间，为降低夏季空调系统能耗，通常采用分层空调方式来满足人员区域的空调效果。因此，设计采用岛式集成空调机组（图2）作为该场馆的主要空调末端。

图2 岛式集成空调机组

馆内大空间共设 70 台风量为 20000 m3/ h 的岛式集成空调机组，均匀布置在场馆各空调区内，同时为满足馆内新风要求，设 11 台风量为30000 m3/ h 的新风空调箱，其处理过的室外新风通过沿场馆一圈布置的圆形送风管，经喷口送至馆内。

各空调末端的空气处理特点如下：岛式集成空调机组仅处理室内回风，机组承担大部分的室内冷负荷和承担室内湿负荷。新风空调机组处理室外新风，将其状态点处理到室内等湿线，承担新风冷负荷和部分室内冷负荷，不承担室内湿负荷。

4 大空间空调气流组织设计

4.1 气流组织形式

根据馆内游艺路线及游艺设施布置，将岛式集成空调机组布置在人员主要活动的区域，如人员经常走动的游览道路两侧、人员较长时间停留的休闲广场。岛式集成空调机组采用孔板栅格风口上部侧送风的送风方式，回风采用下部格栅侧回风的方式。新风通过沿场馆一圈布置的圆形送风管，经喷口送至馆内。同时，场馆屋顶设有自然通风装置进行排风。

4.2 CFD 模拟分析

为验证上述气流组织形式的空调效果，本项目运用 CFD 技术建立了三维计算模型，对大空间的温度场、速度场进行了数值模拟。

经模拟，得到了场馆内部的温度和速度的分布情况。为反映人员所在空间的气流分布情况，本文选取了人站姿时的呼吸高度1.6 m 作为典型断面进行了具体分析。

图3 反映了地面上方 1.6 m 高度处的温度场，温度分布从空调末端往外渐渐升高；由于岛式集成空调机组的布置方式，休闲区的温度平均在26 ℃左右，造浪池等戏水区域的温度平均在28 ℃左右；如小水寨、儿童滑道、造浪池内远离沙滩水面等短期戏水区的局部温度超过30 ℃，在考虑游艺工艺的布置（游艺设备高度）、人员短暂停留等因素后，这一偏高的温度是在设计的接受范围内。

图3 高度1.6 m 处温度场

图4 反映了地面上方1.6 m 高度处的速度分布情况，人员休闲区长期停留区域的风速基本在0.3 m/s 以下，人员走动区域的风速在 0.5～0.6 m/s 左右，整体平均风速为0.3～0.5 m/s。另外，懒人河和舞台区域风速偏高，但由于今后这些区域实际活动高度都不在 1.6 m处，因此可以接受此区域风速偏高的情况。

图4 高度1.6 m 处速度场

综上CFD 模拟分析，场馆的气流组织设计合理，“休闲区”和“戏水区”的温度场和速度场均能满足人员的舒适性要求。

5 “大温差小流量”的空调水系统设计

本项目能源中心同时服务于地块多个单体（海洋馆属于其中之一），各单体与能源中心距离相差较大，故设计主机侧空调冷冻水为一级泵定流量、场馆二级泵变频变流量的二次泵系统。另外，根据场馆占地面积广，跨度大的特点，在空调能源中心分设两路空调水管。空调水系统末端为两管制异程式系统，同时，馆内的空调水管干管采用直埋的敷设方式。

为降低空调系统能耗和减少初投资，设计“ 大温差小流量”的空调水系统方案，即加大空调冷冻水供回水温差，减少水流量。空调冷冻水供回水温度设计为6/14 ℃（8 ℃温差），为验证此空调水系统方案在本项目设计应用的可行性，将常规空调冷冻水供回水温度7/12 ℃（5 ℃温差）和本方案在节能性和经济性上做对比分析。分析过程中做了以下规定和假设：

1）冷却水侧配置和投资均一致，仅分析空调冷冻水侧的情况。

2）冷水机组和一级泵的能耗和初投资按各场馆冷负荷比例分摊到本场馆。

3）场馆每年从 5 月运营至 10 月，每天开馆 10 小时，共计 1800 小时/ 年，且假定运营期间机组均满负荷运行。

经核算，得到两种方案在耗电量和初投资方面的对比情况，见表 2。

表2 两种方案在耗电量和初投资方面的对比

综上可见，在冷冻水侧年耗电量方面，设计方案比对比方案减少约 36 万 kW·h，其能耗明显低于对比方案。分析其中原因，设计方案由于空调冷冻水流量的降低，使得冷冻水侧的输配系统能耗减小，而空调冷冻水供回水温差的增大使得冷水机组的能耗反而增多，但增加的幅度没有输配系统的大。另外，在初投资方面，设计方案由于水流量的降低，从而减小了水泵的尺寸、管道的直径以及保温材料的用量等，从而使得其相比于对比方案减少了约91 万元的初投资。

以上从节能性和经济性方面充分表明了场馆设计“ 大温差小流量”的空调水系统方案是切实可行的。

6 大空间通风、排烟系统设计

6.1 大空间排烟设计

场馆大空间消防排烟系统采用自然排烟方式。场馆空间净高大于9m，按照规范[9]，自然排烟系统的具体设计如下：

1）以不超 2000 m2设置虚拟防烟分区，各防烟分区长边最大允许长度不大于60 m，防烟分区划分示意见图 5。

图5 防烟分区划分示意图

2）每个防烟分区在屋顶和（或）外墙布置排烟口，单个防烟分区的计算排烟量根据规范[9]中表 4.6.3 直接取值为211000m3/ h，按风速 1.01 m/s（外墙）和1.414 m/s（屋顶）分别计算自然排烟窗（口）的有效面积，计算公式如下：

式中：S为自然排烟窗（口）的有效面积，m2；V为计算排烟量，m3/ h；ν为计算风速。

3）防烟分区内任一点与最近的自然排烟窗（口）之间的水平距离不大于30m。

场馆中通过侧墙设置排烟窗、屋顶设置屋面高效通风采光装置来实现自然排烟。

6.2 大空间通风设计

在场馆大空间的屋顶设置屋面高效通风采光装置，通过合理利用风压和热压来进行自然通风。夏季根据需要开启部分装置排除上部积聚的热湿空气。过渡季可全部开启，减少人工冷源的使用，从而节约空调系统运行费用。

设计应用的屋面高效通风采光装置（图 6）既集成了普通通风器的通风性能和排烟天窗的排烟性能，同时又能保证较高的采光效率。此装置采用平移式阀板双侧出风，以此达到显著的通风效果。平时可打开若干用于通风，火灾时由消控中心打开用于排烟。

图6 屋面高效通风采光装置

7 结语

大型室内水上娱乐场馆项目在国内的工程实践较少，如何合理设计该项目的暖通空调系统给设计师带来了许多想法。笔者从设计参数、空调负荷、空调末端、气流组织、水系统、通风排烟系统等角度出发，介绍和分析了该场馆的空调系统设计思路和设计要点。目前该场馆尚未竣工，笔者会在该场馆运行后收集实际数据并加以分析和总结，以此验证空调系统的合理性，这样对今后类似项目更有指导意义。