H市圖書館空調系統設計

成明

中國中元國際工程有限公司 北京 100080

1 工程概況

南寧市圖書館是南寧市公共圖書館，坐落于南寧市五象新區，玉洞大道與玉象路交叉口的西南側。總用地面積39891.05m2，項目總建筑面積36109.3m2，其中地上建筑面積26439.33m2，地下建筑面積9669.97m2。建筑高度36m，建筑層數地上7層，地下1層。南寧市圖書館藏書300萬冊，閱覽座位約2500個。功能主要包括藏書區、借閱區、咨詢服務區、公告活動輔助服務區、業務區、行政辦公區、技術設備區、后勤保障區、其他功能用房等。

2 冷熱源系統設計

本工程冷源采用離心冷水機組搭配風冷冷水機組“兩大兩小”的形式。選用兩臺離心式冷水機組，兩臺螺桿式風冷熱泵機組。風冷機組采用熱泵型可兼顧冬季局部區域的供熱的需求，同時能夠滿足三層24小時運營區域所需的空調冷熱負荷。

白天優先運行離心式冷水機組、夜間優先運行風冷機組。白天離心機組啟動，如果末端負荷加大則開啟一臺風冷機組，如果繼續加大開啟另一臺離心機組，風冷機組停止運行；負荷繼續加大直到滿負荷，再陸續開啟風冷機組。夏季冷凍水供回水溫度為7/12℃。冬季熱水供回水溫度為45/40℃。

3 閱覽區高大空間空調系統設計

3.1 空調系統介紹

圖書館最核心的部分-文獻閱覽區設置在3層、4層及6層，其中4，5層及6,7層為高大貫通空間，以4,5層為例，閱覽區南北長度90m，東西寬51.2m，高8.8m。設計時將東西分為兩個區，共設置4臺雙風機組合式空調機組，風機配變頻調速裝置，氣流組織采用上送+側送下回的方式，側送風風口采用噴口，上送風風口采用條形送風口。閱覽區室內設計參數：夏季25℃，相對濕度55%。

3.2 空調夏季工況模擬計算分析

3.2.1 模型建立

4層閱覽區南北對稱，在數值模擬計算過程中，取北側部分來進行模擬，以下模擬分析均以一半的模型為依據。4層閱覽區北側玻璃幕墻長90.2m，南北側玻璃幕墻長18.65m，空間高度8.8m，南側中間3.0m～4.7m處為5層局部樓板及吊頂空間。

空調系統設計風口數量及位置如下：屋頂共設置60個條形送風口，單個風口尺寸為200mm×800mm。中部吊頂區域設置41個球形噴口，噴口尺寸為Φ315。樓板底面設置6個回風口，風口尺寸為1500mm×1000mm；室內共布置26個書架，尺寸為450mm×7000mm×1800mm。布置17個小型書桌，尺寸為1800mm×900mm×800mm。布置8個大型書桌，尺寸為4500mm×1000mm×800mm；室內共設置14名閱讀人員，并將人員簡化為立方體的組合，每人高為1700mm，寬為600mm。

3.2.2 參數設置

該項目室外空調計算參數為：干球計算溫度：34.5℃，相對濕度68%；室內設計參數：室內溫度25℃，相對濕度55%。條形送風口送風速度為1.1m/s，送風溫度為18℃；球形噴口送風速度為2.85m/s，送風溫度為18℃；回風口風速為1.24m/s。由于模型的外圍護結構中存在大面積的玻璃幕墻，為考慮太陽輻照對于室內熱環境的影響，開啟DO輻射模型及太陽追蹤器，基于南寧的地理位置，選取上午10時作為模擬時刻。玻璃幕墻以混合邊界條件考慮，內墻、吊頂、樓板及室內陳設以絕熱邊界考慮，人體設為定熱流密度條件，材質參考普通布料物性參數。圍護結構參數為：屋面傳熱系數：0.45W/（m2.K）,外墻傳熱系數0.5W/（m2.K），外窗傳熱系數2.0 W/（m2.K）。

3.2.3 模擬結果及分析

重點分析閱覽區室內人員活動區域的熱舒適情況（1.5m高度，圖1），圖1為閱覽區溫度分布平面圖，可以看出，夏季工況室內1.5m高度處水平面溫度比較均勻，基本保持在23℃～26℃，室內環境基本符合設計要求。圖2為閱覽區速度分布立面圖。可以看出，室內速度場分布均勻，風口位置處流速較大，在風口附近的區域會產生不舒適的吹風感，降低了該區域的舒適性。

圖1

根據CFD模擬得出的閱覽區空調系統夏季室內溫度場、速度場，針對速度場分布不均勻的問題，對風口的位置、數量、送風速度、送風角度進行了調整，使室內速度場分布趨于均勻，減少吹風感，提高閱覽區的熱舒適性，圖3為調整后的室內速度場的分布圖。

圖3

4 中庭空調系統設計

中庭建筑會因為太陽輻射得熱產生“溫室效應”；同時中庭的豎向溫差會造成上下熱壓差，使得熱空氣向上流動，形成上部空間熱量堆積現象。由于受“溫室效應”和上部空間熱量堆積現象的影響比較顯著，中庭建筑的室內熱環境具有特殊性，在設計中如果不能很好地把握，會導致熱舒適性差等問題，采用CFD軟件對該建筑的中庭夏季熱環境進行數值模擬分析比較，得出此類中庭空調的設計方法，為高大空間降低建筑物能耗、改善室內熱舒適性、提高空氣質量提供依據。

夏季中庭的室內設計溫度均為25℃，且中庭高25.3m，因此夏季在“溫室效應”和上部空間熱量堆積的聯合影響下，豎直方向溫度分層十分明顯，出現上熱下冷的現象。為使上、下部分的熱環境都能達到設計狀態，必須采取一些措施。經過模擬計算分析，得出合理的設計方法為：將首層、2層作為一個整體空間；3層、4層作為一個整體空間；5層、6層作為一個整體空間，增大上部空間空調機組的負荷，降低下部空間空調機組的負荷；對于6層的高大中庭而言，首層、2層分別承擔整體冷負荷的25%，3層，4層承擔整體冷負荷的35%，5層，6層承擔整體冷負荷的40%，同時中庭利用熱氣流上升在屋頂設置電動排風窗，以排除中庭頂部聚集的熱量，在中庭頂部設置溫度傳感器，與電動天窗連鎖，當中庭頂部聚集的空氣溫度超過29℃時，自動開啟電動天窗排熱；當中庭頂部溫度下降到26℃時，電動天窗自動關閉。使各區域的溫度基本滿足設計要求。

5 總結

本項目冷熱源采用“兩大兩小”的設置，根據末端負荷的變化，靈活運行，提高運行效率，從而達到節能的目的。

借用CFD數值模擬軟件，對高大空間室內溫度場和速度場進行模擬計算，能夠有效地分析室內溫度和氣流組織分布規律，運用CFD模擬軟件，采用調整不同區域負荷比例及通過機械排風的的方法，解決了該工程中庭溫度，速度分布不均勻的問題，很好地為實際工程服務。

利用自然通風技術，降低建筑能耗，保證室內空氣品質，提高人體舒適度。通過合理的設計，為圖書館室內營造一個健康、舒適的室內環境。

南寧市圖書館已投入運行，閱覽區大空間、中庭夏季穩定在25℃，相對濕度55%，為廣大讀者提供了舒適的學習環境，受到了廣泛的好評。