杭州某高大空間游泳館的空調(diào)設(shè)計

周 磊，劉 輝

(1.浙江省建筑設(shè)計研究院，杭州 310006;2.浙江東南建筑設(shè)計有限公司，湖州 313000)

杭州某高大空間游泳館的空調(diào)設(shè)計

周 磊，劉 輝

(1.浙江省建筑設(shè)計研究院，杭州 310006;2.浙江東南建筑設(shè)計有限公司，湖州 313000)

文中介紹了杭州某高大空間游泳館的空調(diào)設(shè)計，重點分析了冷熱源、空調(diào)采暖系統(tǒng)、防結(jié)露和防滲透的設(shè)計計算。為減少泳池能耗，采用三集一體風(fēng)冷熱泵的節(jié)能措施來平衡室內(nèi)的溫濕度要求。最后進行節(jié)能措施總結(jié)，希望為以后同類型的空調(diào)設(shè)計提供參考。

高大空間;游泳館;低溫?zé)崴匕遢椛洳膳到y(tǒng);熱回收;防結(jié)露和防滲透;節(jié)能

0 引 言

該游泳館項目位于杭州市臨安，建筑為坡屋頂，最高點高度為15.3 m。游泳館主要包括泳池、更衣室和淋浴室。室內(nèi)泳池面積為250 m2，池水深度1.5 m。本設(shè)計的重點在于：高大空間泳池在冬季使用條件下，不僅滿足室內(nèi)干球溫度28 ℃ 和相對濕度65%的要求，還要滿足防結(jié)露的要求。池水不斷蒸發(fā)，吸收池水熱量，以及為改善泳池內(nèi)空氣質(zhì)量進行的通風(fēng)除濕都會造成大量能耗，因此，本設(shè)計還考慮了采用三集一體風(fēng)冷熱泵的節(jié)能措施來平衡室內(nèi)的溫濕度要求。

1 設(shè)計參數(shù)

1.1 室外設(shè)計參數(shù)

冬 季夏 季空調(diào)室外計算干球溫度-4℃空調(diào)室外計算干球溫度35．7℃空調(diào)室外計算相對濕度77%空調(diào)室外計算濕球溫度28．5℃采暖室外計算干球溫度-2℃空調(diào)室外計算相對濕度80%通風(fēng)干球溫度4℃通風(fēng)干球溫度33℃冬季大氣壓102090Pa夏季大氣壓100050Pa

1.2 室內(nèi)設(shè)計參數(shù)

房間名稱室內(nèi)溫度/℃室內(nèi)相對濕度/%夏季冬季夏季冬季新風(fēng)量(m3/hp)噪聲評價曲線/NR泳池302875652040泳池更衣室262065302040

冬季泳池室內(nèi)在干球溫度28 ℃和相對濕度65%的設(shè)計參數(shù)下，對應(yīng)的其他相關(guān)參數(shù)為：露點溫度20.81 ℃,水蒸氣分壓力2 487 Pa,濕球溫度22.84 ℃,含濕量15.47 g/kg,比焓67.60 kJ/(kg·干空氣)，密度1.16 kg/m3，飽和水蒸氣分壓力3 826 Pa。

2 冷熱源的選擇計算

夏季，僅游泳池區(qū)、更衣室及淋浴室考慮空調(diào)制冷負(fù)荷。過渡季考慮全新風(fēng)運行系統(tǒng)。

冬季，游泳池區(qū)要求為恒溫26 ℃,相比一般的公共建筑熱負(fù)荷的計算要復(fù)雜，包括：泳池初次加熱耗熱量計算、泳池恒溫耗熱量計算(水面蒸發(fā)損失的熱量、管道和設(shè)備的傳導(dǎo)熱損失和補充水加熱負(fù)荷)和空調(diào)供暖熱負(fù)荷。

本項目對游泳館進行了逐項逐時的冷熱負(fù)荷計算，夏季空調(diào)冷負(fù)荷為60 kW；冬季空調(diào)采暖熱負(fù)荷100 kW。參考相關(guān)公式計算得到：泳池最大除濕量為70.5 kg/h，初次加熱量為210 kW(48 h), 維持加熱量為60 kW，淋浴用熱220 kW。

泳池的冷熱源選擇：冷熱源為三集一體多功能風(fēng)冷熱泵(池水加熱、除濕及空氣調(diào)節(jié))，熱源為燃?xì)鉄崴魅_(99 kW×3)。三集一體多功能風(fēng)冷熱泵的工作原理：將空氣冷凝除濕的熱量首先通過熱交換器用來維持加熱池水，余熱經(jīng)空氣冷凝器加熱除濕后的室內(nèi)空氣和新風(fēng)，不足的熱量由燃?xì)鉄崴鱽磔o助加熱。

3 空調(diào)采暖系統(tǒng)

由于該室內(nèi)泳池凈高達(dá)11 m，屬于高大空間，所以采用旋流風(fēng)口頂送頂回的全空氣空調(diào)和地板輻射采暖結(jié)合的方式。有的項目采用分層空調(diào)的形式，鑒于室內(nèi)泳池的能耗主要在冬季：冬季送熱風(fēng)，熱風(fēng)密度小，會上浮到上部非空調(diào)區(qū)域，導(dǎo)致能源浪費，以及考慮到泳池防結(jié)露的特殊性，可見冬季采用分層空調(diào)并不節(jié)能[1]，氣流組織也不合理。更衣室和淋浴室采用變流量多聯(lián)機VRV系統(tǒng)，通風(fēng)方式采用獨立排風(fēng)和新風(fēng)補風(fēng)。

3.1 低溫?zé)崴匕遢椛洳膳到y(tǒng)

低溫?zé)崴匕遢椛洳膳到y(tǒng)的溫度分布比較均勻，熱量多集中在下部，溫度梯度小，給人以“腳暖頭涼”的舒適感，并且地板采暖50%以上的熱量是通過輻射傳送出去的，能以較小的耗熱量來達(dá)到相同的舒適條件。當(dāng)然地板輻射采暖的缺點就是沒有新風(fēng)和排風(fēng)，特別是泳池的空氣中含氯，影響人體健康，無法滿足空氣品質(zhì)需求，這就需要與全空氣空調(diào)系統(tǒng)相結(jié)合。

本項目只在泳池四周區(qū)域做地板輻射采暖系統(tǒng)，地板輻射采暖面積為 400 m2，確定地面散熱量時，應(yīng)校核地表面平均溫度(公式如下)，確保其不高于《地面輻射供暖技術(shù)規(guī)程》規(guī)定的最高限值32 ℃(人短期停留區(qū))。

(1)

式中：tpj為地表面平均溫度(℃)；tn為室內(nèi)計算溫度(℃)；qx為單位地面面積所需散熱量(W/m2)。

地面裝飾層均按瓷磚考慮，經(jīng)過計算校核和散熱損失附加，地面設(shè)計溫度為30 ℃，采暖負(fù)荷為 32 kW。該采暖系統(tǒng)供回水溫度為55/45 ℃，設(shè)計排管間距為 25 cm。為減少盤管回路損失，使供回水溫差不致過大，連接在同一分水器、集水器上的同一管徑的各環(huán)路的長度宜接近，并不宜超過120 m；本系統(tǒng)共設(shè)2組分集水器，16個環(huán)路。地板輻射采暖管采用PB管材，規(guī)格為φ16×2.0 mm。絕熱材料采用聚苯乙烯保溫板，厚度為30 mm，密度為25 kg/m3；地板輻射采暖設(shè)計流速不小于0.25 m/s；地板輻射采暖系統(tǒng)工作壓力不大于0.8 MPa。

3.2 一次回風(fēng)的全空氣空調(diào)系統(tǒng)

根據(jù)以上計算,需要空調(diào)系統(tǒng)承擔(dān)的熱負(fù)荷約為100 kW-32 kW=68 kW。由于泳池屬于濕熱的空氣環(huán)境，冬季采用全新風(fēng)直流系統(tǒng)會比較浪費，就采用一次回風(fēng)的全空氣空調(diào)系統(tǒng)，冷熱源為三集一體多功能風(fēng)冷熱泵(池水加熱、除濕及空氣調(diào)節(jié))。

3.2.1 新風(fēng)量的計算

泳池的處理過程會使池水含有大量的氯，并通過蒸發(fā)散濕到空氣中。因此，新風(fēng)量不小于人員所需新風(fēng)量和室內(nèi)空氣中的氯氣濃度在衛(wèi)生要求范圍內(nèi)所需風(fēng)量(即補償排風(fēng)和保持室內(nèi)正壓所需的新風(fēng)量)兩項中的較大值。

(1)人員所需新風(fēng)量=人數(shù)×每人所需最小新風(fēng)量[2]=40人×20 m3/(人·h)=800 m3/h

(2)室內(nèi)空氣中的氯氣濃度在衛(wèi)生要求范圍內(nèi)所需風(fēng)量=游泳館體積×換氣次數(shù)=7 150 m2×0.5次/h=3 575 m3/h，考慮10%的漏風(fēng)系數(shù)，排風(fēng)量取4 000 m3/h。

注：娛樂性的游泳館按1 h-1的換氣次數(shù)可以滿足此要求[3]。但此處為高大空間，換氣次數(shù)取0.5 h-1。由上述計算得出，最大新風(fēng)量為4 000 m3/h。

空氣處理過程為：新風(fēng)由狀態(tài)點W預(yù)熱到W’，與室內(nèi)空氣混合至狀態(tài)點C，再等焓加濕到機器露點L，再熱到送風(fēng)狀態(tài)點O，沿?zé)釢癖染€處理到室內(nèi)狀態(tài)點N。

圖1 空氣處理過程的焓濕圖

4 防結(jié)露和防滲透計算

結(jié)露和氯腐蝕是室內(nèi)游泳館普遍存在的問題。結(jié)露主要發(fā)生在冬季或梅雨季節(jié)。結(jié)露可以產(chǎn)生在圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)表面(結(jié)露), 也可以產(chǎn)生在圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)部(滲透)，所以應(yīng)校核圍護結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)是否滿足不結(jié)露的要求，否則應(yīng)采取必要的防護措施。

4.1 圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)表面結(jié)露驗算

結(jié)露的判定條件是：圍護結(jié)構(gòu)的內(nèi)表面溫度低于室內(nèi)濕空氣的露點溫度時，空氣中的水蒸汽就凝結(jié)成水珠附著在圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)表面上。熱工計算時，需要保證圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)表面的溫度高于館內(nèi)空氣露點溫度1～2 ℃。

根據(jù)熱量守恒方程，室內(nèi)外溫差的傳熱量等于圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)表面與室內(nèi)空氣間的傳熱量，即：

K(tn-tw)=αn(tn-tl)

(2)

可見，防結(jié)露就是要計算圍護結(jié)構(gòu)所需的最小熱阻或最大傳熱系數(shù)K。

圍護結(jié)構(gòu)的最小熱阻：

(3)

式中：Ro·min為圍護結(jié)構(gòu)最小傳熱阻,m2·℃/W;a為圍護結(jié)構(gòu)溫差修正系數(shù),外墻、外窗、屋面的修正系數(shù)均為1;tn為冬季室內(nèi)計算溫度,℃;tw為冬季圍護結(jié)構(gòu)室外計算溫度,℃;αn為圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)表面換熱系數(shù)，W/( m2·℃),平整的墻、窗、屋面按8.7 W/( m2·℃)取值；Rn為圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)表面換熱阻,m2·℃/W,平整的墻、窗、屋面按0.115 m2·℃/W取值;Δty為冬季室內(nèi)計算溫度與保證圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)表面不結(jié)露的最低溫度(按圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度高于露點溫度2 ℃計算)的差值,℃。

由上式計算得出：當(dāng)tn=28 ℃，Φ=65%時，Ro·min=0.71 m2·℃/W。

當(dāng)tn=28 ℃，Φ=70%時，Ro·min=0.92 m2·℃/W。

當(dāng)tn=28 ℃，Φ=75%時，Ro·min=1.32 m2·℃/W。

設(shè)計建筑的熱工參數(shù)見表1。

表1 設(shè)計建筑的熱工參數(shù)

通過對相對濕度為65%、70%、75%時所需的Ro·min計算，以及建筑提供的Rn相比較，可見，(1)外窗(包括透明幕墻)的Rn不滿足要求，需要對其表面做防結(jié)露的處理，如采用雙層玻璃窗，另設(shè)旋流風(fēng)口吹熱風(fēng)，提高窗表面溫度[4]。(2)當(dāng)tn=28 ℃，Φ=70%時，屋面和外墻也可以滿足防結(jié)露的要求，還可以節(jié)省能耗。

4.2 圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)部冷凝受潮驗算

對于外側(cè)有卷材或其他密閉防水層的平屋頂結(jié)構(gòu)，以及保溫層外側(cè)有密實保護層的多層墻體結(jié)構(gòu)，當(dāng)內(nèi)側(cè)結(jié)構(gòu)層為加氣混凝土和粘土磚等多孔材料時，由于采暖期間存在著由室內(nèi)向室外的水蒸氣分壓力差，在圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)部可能出現(xiàn)冷凝受潮，故應(yīng)進行防潮驗算[5]。

圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)部冷凝的判別條件：圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)部某處的水蒸氣分壓力大于該處飽和水蒸氣分壓力，則出現(xiàn)水蒸氣冷凝。

游泳館外墻的熱工參數(shù)見表2。

表2 外墻傳熱系數(shù)計算(頁巖多孔磚，內(nèi)保溫)

冷凝判別計算方法如下[6]：

(1)求出冷凝計算界面溫度，得出冷凝計算界面的飽和水蒸氣分壓力；

冷凝計算界面應(yīng)按下式計算：

注：冷凝計算界面的位置，應(yīng)取保溫層與外側(cè)密實材料層的交界處。

經(jīng)過計算得出，冷凝計算界面溫度θc=9.14 ℃， 冷凝計算界面的飽和水蒸氣分壓力為1 171 Pa。

(2)求出冷凝計算界面的實際水蒸氣分壓力；

式中：Pi、Pe為內(nèi)表面和外表面水蒸氣分壓力, 取室內(nèi)和室外空氣的水蒸氣分壓力，Pa；H1、H2、Hm-1為各層的水蒸氣滲透阻，m2·h·Pa/g；H0為結(jié)構(gòu)的總水蒸氣滲透阻，m2·h·Pa/g。

計算得出該界面的實際水蒸氣分壓力為2 360 Pa >1 171 Pa，可見圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)部會出現(xiàn)冷凝，必須設(shè)置隔汽層，并嚴(yán)格控制保溫層的施工濕度。(Pi=2 487 Pa,Pe=324 Pa)

5 結(jié)束語

(1)空調(diào)系統(tǒng)的冷熱源采用三集一體多功能風(fēng)冷熱泵(池水加熱、除濕及空氣調(diào)節(jié))，實現(xiàn)回收熱量和除濕的功能。

(2)冬季空調(diào)采暖形式，高大空間泳池采用低溫地板輻射采暖系統(tǒng)和一次回風(fēng)的全空氣空調(diào)系統(tǒng)相結(jié)合的方式，不僅優(yōu)化氣流組織環(huán)境，還可降低室內(nèi)設(shè)計溫度1～2 ℃，減少能耗。

(3)在給定室外計算溫度和室內(nèi)設(shè)計溫度的前提下，通過防結(jié)露計算，選擇合適的相對濕度，避免保守的相對濕度設(shè)計，降低能耗。

[1] 中華人民共和國建設(shè)部.公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)GB50189-2005[M]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2005.

[2] 北京市建筑設(shè)計研究院.JGJ31—2003體育建筑設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2003.

[3] 夏旭輝.塔里木油田生活基地游泳館暖通空調(diào)設(shè)計[J]．暖通空調(diào)， 2009，39( 6):91-94，128.

[4] 魏文宇, 劉 飛, 何海亮, 等. 大型游泳館空調(diào)設(shè)計應(yīng)注意的幾個問題[J]. 暖通空調(diào), 2001, 31(3):54-55.

[5] 中華人民共和國建設(shè)部.民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范(GB50176-93)[S].北京:中國計劃出版社,1993.

[6] 夏中亮,等．社區(qū)休閑游泳館冬季防結(jié)露設(shè)計分析[J]．河南建材，2011(3):43-44，46.

The HVAC Design of the Swimming Pool for the Large Space Building in Hangzhou

ZHOU Lei, LIU Hui

(1. Zhejiang Province Institute of Architectural Design and Research, Hangzhou 310006, China;2. Zhejiang Southeast Architectural Design Co., Ltd, Huzhou 313000, Zhejiang Province, China)

This paper introduces the HVAC design of the swimming pool for the large space building in Hangzhou, analyses emphatically the designing calculation of hot and cold source selection, air-conditioning&heating systems, anti-condensation and anti-infiltration. In order to reduce the energy of the swimming pool, the energy-saving measure of three-in-one air-source heat pump was used to meet the requirements of indoor emperature & humidity. Finally，sums up the energy-saving measure to provide a reference for the same design.

The large space building;The swimming pool; Floor heating system of low-temperature radiation; Heat recovery; Anti-condensation and anti-infiltration; Energy-saving

2015-05-11

2015-05-25

周磊(1981-)，男，同濟大學(xué)工學(xué)碩士，暖通工程師。

10.3969/j.issn.1009-3230.2015.06.008

TU831.3.5

B

1009-3230(2015)06-0036-05