大型室內水上娛樂場館的空調系統設計

陸袁

同濟大學建筑設計研究院（集團）有限公司

隨著我國國民經濟的發展，人們對于娛樂需求的標準不斷提高，全天候、全年段的室內水上娛樂場館項目的建設越來越多。由于該類場館空間高大、人員活動范圍廣泛、內部熱濕環境復雜，該如何為此類建筑合理選擇和設計暖通空調系統，受到了研究和工程設計人員的關注[1-4]。盡管如此，目前國內針對室內水上場館的研究，其規模多在建筑面積 2 萬～4 萬平方米之間的中小型場館，而對單體超5 萬平方米的大型室內水上場館的研究甚少，該類場館占地面積更廣、建筑跨度更大、內部游樂設施復雜多樣，導致不能僅憑中小型場館的設計經驗來滿足暖通空調的相關要求。本文以筆者設計的某建筑面積超5 萬平方米的室內水上娛樂場館為例，著重分析了合理選擇和設計空調末端來滿足大型水上場館的人員舒適性要求，探討了從空調水系統出發節省系統造價、節約能耗，以及介紹了滿足通風及消防要求的自然通風排煙系統設計。

1 項目概況

1.1 建筑概況

本項目位于江蘇省南京市，為龍之谷綜合體的主要場館之一—海洋館，建筑面積64269.66 m2，其中地上建筑面積為60386.19 m2，地下建筑面積3883.47 m2，館內水體面積約為2 萬m2，圖 1 為海洋館的平面圖。

該場館為大跨建筑，建筑屋面最低處為 10m，局部最高處為36m。整體呈現類網殼形狀的造型，采用空間大桁架結構形式，外部為鋼結構網架，內部為鋼筋混凝土框架，平面投影長軸方向長度約 310 m，短軸方向寬度約為210m，最大跨度約為110m。場館設各大水上主題區域，含水寨、兒童滑道、沖浪模擬器、懶人河、人工造浪池、激光穿梭、互動水堡、廣場旱噴跳跳泉等游樂設施，游樂人員的休閑區域主要分布在沖浪模擬器和旱噴廣場附近。

圖1 海洋館平面圖

1.2 運營概況

根據項目投資方的運營要求，海洋館參考峰值人數為7670 人，正常使用時間為每年5 月至10 月，冬季不對外營業，即場館僅需設計夏季和過渡季的空調通風系統，則無需考慮冬季的供熱系統和防結露系統的設計。

2 室內設計參數及空調負荷

2.1 室內設計參數確定

該場館建筑規模大，內部功能多樣，雖然內部水體面積約占到總建筑面積的 1/3，但其并非完全意義上的泳池建筑，其室內設計參數不能完全參照游泳池建筑設計規范來確定[5]。為此，將場館設計劃分為“ 戲水區”和“休閑區”兩大人員集中區域，戲水區為水上游玩以及水體周邊區域，休閑區為人員用餐、非水上游玩等區域。其中戲水區在考慮滿足人員舒適度并兼顧場館運行能耗的情況下，其室內設計溫度可高于水溫 1～3 ℃[6]，相對濕度≤ 75%，控制在 60～70%之間[6-7]。休閑區實際參數的選擇主要以提高室內人員的舒適度為主，具體室內設計參數如表1。

表1 室內設計參數

2.2 空調負荷計算

場館正常使用時間為每年5 月至 10 月，可僅考慮空調冷負荷。除采用常規冷負荷計算法之外，計算時仍需注意以下幾點：

1）戲水區由于大量水體的存在不可忽略由水蒸氣的蒸發帶入室內空氣中的熱量[6]。

2）場館屬于高大空間，建筑高度為 10～36 m，設計采用分層空調方式，空調區夏季分層空調冷負荷按全室空調冷負荷的0.7 計算[8]。

另外，在計算場館散濕量時，考慮水體占場館 1/3的面積，除人員散濕量外，還需計入場館內水體及周邊兩部分的散濕量。

經過計算，空調冷負荷為 12700 kW，散濕量為4240 kg/h?？照{冷源由建于場館外的能源中心集中提供，能源中心采用冷水機組的能源供給方式，供冷期間由冷水機組提供6/14 ℃的空調冷凍水。

3 大空間空調末端設計

場館內部以游藝設施為主，內部功能性建筑物較少且布置分散不均勻，常規的空調系統需將空調箱設置在空調機房內，并通過風管將處理過的空氣送至各空調區，而場館內無條件布置風管，即使采用噴口，其水平送風距離有限（最多為 50 m），也無法滿足場館短邊210 m 的間距要求。另外，由于場館為高大空間，為降低夏季空調系統能耗，通常采用分層空調方式來滿足人員區域的空調效果。因此，設計采用島式集成空調機組（圖2）作為該場館的主要空調末端。

圖2 島式集成空調機組

館內大空間共設 70 臺風量為 20000 m3/ h 的島式集成空調機組，均勻布置在場館各空調區內，同時為滿足館內新風要求，設 11 臺風量為30000 m3/ h 的新風空調箱，其處理過的室外新風通過沿場館一圈布置的圓形送風管，經噴口送至館內。

各空調末端的空氣處理特點如下：島式集成空調機組僅處理室內回風，機組承擔大部分的室內冷負荷和承擔室內濕負荷。新風空調機組處理室外新風，將其狀態點處理到室內等濕線，承擔新風冷負荷和部分室內冷負荷，不承擔室內濕負荷。

4 大空間空調氣流組織設計

4.1 氣流組織形式

根據館內游藝路線及游藝設施布置，將島式集成空調機組布置在人員主要活動的區域，如人員經常走動的游覽道路兩側、人員較長時間停留的休閑廣場。島式集成空調機組采用孔板柵格風口上部側送風的送風方式，回風采用下部格柵側回風的方式。新風通過沿場館一圈布置的圓形送風管，經噴口送至館內。同時，場館屋頂設有自然通風裝置進行排風。

4.2 CFD 模擬分析

為驗證上述氣流組織形式的空調效果，本項目運用 CFD 技術建立了三維計算模型，對大空間的溫度場、速度場進行了數值模擬。

經模擬，得到了場館內部的溫度和速度的分布情況。為反映人員所在空間的氣流分布情況，本文選取了人站姿時的呼吸高度1.6 m 作為典型斷面進行了具體分析。

圖3 反映了地面上方 1.6 m 高度處的溫度場，溫度分布從空調末端往外漸漸升高；由于島式集成空調機組的布置方式，休閑區的溫度平均在26 ℃左右，造浪池等戲水區域的溫度平均在28 ℃左右；如小水寨、兒童滑道、造浪池內遠離沙灘水面等短期戲水區的局部溫度超過30 ℃，在考慮游藝工藝的布置（游藝設備高度）、人員短暫停留等因素后，這一偏高的溫度是在設計的接受范圍內。

圖3 高度1.6 m 處溫度場

圖4 反映了地面上方1.6 m 高度處的速度分布情況，人員休閑區長期停留區域的風速基本在0.3 m/s 以下，人員走動區域的風速在 0.5～0.6 m/s 左右，整體平均風速為0.3～0.5 m/s。另外，懶人河和舞臺區域風速偏高，但由于今后這些區域實際活動高度都不在 1.6 m處，因此可以接受此區域風速偏高的情況。

圖4 高度1.6 m 處速度場

綜上CFD 模擬分析，場館的氣流組織設計合理，“休閑區”和“戲水區”的溫度場和速度場均能滿足人員的舒適性要求。

5 “大溫差小流量”的空調水系統設計

本項目能源中心同時服務于地塊多個單體（海洋館屬于其中之一），各單體與能源中心距離相差較大，故設計主機側空調冷凍水為一級泵定流量、場館二級泵變頻變流量的二次泵系統。另外，根據場館占地面積廣，跨度大的特點，在空調能源中心分設兩路空調水管?？照{水系統末端為兩管制異程式系統，同時，館內的空調水管干管采用直埋的敷設方式。

為降低空調系統能耗和減少初投資，設計“ 大溫差小流量”的空調水系統方案，即加大空調冷凍水供回水溫差，減少水流量?？照{冷凍水供回水溫度設計為6/14 ℃（8 ℃溫差），為驗證此空調水系統方案在本項目設計應用的可行性，將常規空調冷凍水供回水溫度7/12 ℃（5 ℃溫差）和本方案在節能性和經濟性上做對比分析。分析過程中做了以下規定和假設：

1）冷卻水側配置和投資均一致，僅分析空調冷凍水側的情況。

2）冷水機組和一級泵的能耗和初投資按各場館冷負荷比例分攤到本場館。

3）場館每年從 5 月運營至 10 月，每天開館 10 小時，共計 1800 小時/ 年，且假定運營期間機組均滿負荷運行。

經核算，得到兩種方案在耗電量和初投資方面的對比情況，見表 2。

表2 兩種方案在耗電量和初投資方面的對比

綜上可見，在冷凍水側年耗電量方面，設計方案比對比方案減少約 36 萬 kW·h，其能耗明顯低于對比方案。分析其中原因，設計方案由于空調冷凍水流量的降低，使得冷凍水側的輸配系統能耗減小，而空調冷凍水供回水溫差的增大使得冷水機組的能耗反而增多，但增加的幅度沒有輸配系統的大。另外，在初投資方面，設計方案由于水流量的降低，從而減小了水泵的尺寸、管道的直徑以及保溫材料的用量等，從而使得其相比于對比方案減少了約91 萬元的初投資。

以上從節能性和經濟性方面充分表明了場館設計“ 大溫差小流量”的空調水系統方案是切實可行的。

6 大空間通風、排煙系統設計

6.1 大空間排煙設計

場館大空間消防排煙系統采用自然排煙方式。場館空間凈高大于9m，按照規范[9]，自然排煙系統的具體設計如下：

1）以不超 2000 m2設置虛擬防煙分區，各防煙分區長邊最大允許長度不大于60 m，防煙分區劃分示意見圖 5。

圖5 防煙分區劃分示意圖

2）每個防煙分區在屋頂和（或）外墻布置排煙口，單個防煙分區的計算排煙量根據規范[9]中表 4.6.3 直接取值為211000m3/ h，按風速 1.01 m/s（外墻）和1.414 m/s（屋頂）分別計算自然排煙窗（口）的有效面積，計算公式如下：

式中：S為自然排煙窗（口）的有效面積，m2；V為計算排煙量，m3/ h；ν為計算風速。

3）防煙分區內任一點與最近的自然排煙窗（口）之間的水平距離不大于30m。

場館中通過側墻設置排煙窗、屋頂設置屋面高效通風采光裝置來實現自然排煙。

6.2 大空間通風設計

在場館大空間的屋頂設置屋面高效通風采光裝置，通過合理利用風壓和熱壓來進行自然通風。夏季根據需要開啟部分裝置排除上部積聚的熱濕空氣。過渡季可全部開啟，減少人工冷源的使用，從而節約空調系統運行費用。

設計應用的屋面高效通風采光裝置（圖 6）既集成了普通通風器的通風性能和排煙天窗的排煙性能，同時又能保證較高的采光效率。此裝置采用平移式閥板雙側出風，以此達到顯著的通風效果。平時可打開若干用于通風，火災時由消控中心打開用于排煙。

圖6 屋面高效通風采光裝置

7 結語

大型室內水上娛樂場館項目在國內的工程實踐較少，如何合理設計該項目的暖通空調系統給設計師帶來了許多想法。筆者從設計參數、空調負荷、空調末端、氣流組織、水系統、通風排煙系統等角度出發，介紹和分析了該場館的空調系統設計思路和設計要點。目前該場館尚未竣工，筆者會在該場館運行后收集實際數據并加以分析和總結，以此驗證空調系統的合理性，這樣對今后類似項目更有指導意義。