夏熱冬冷地區某商業綜合體公共區域的暖通設計探析

潘智捷

(廈門合立道工程設計集團股份有限公司 福建廈門 361000)

0 引言

夏熱冬冷地區人口與國民生產總值分別占全國的45%和48%。該區域夏季炎熱、冬季濕冷，建筑供暖與空調需求并存，是我國實行建筑節能減排的重要區域之一[1-2]。商業綜合體是由人類不同層次、需求所衍生出來的城市生活設施，集購物、餐飲、住宿、辦公休閑等于一體的空間[3]。由于商業綜合體具有人口密度大、業態多樣化、運營時間不統一、舒適性要求高、商戶需求不穩定的特點，因此，對暖通空調設計有著更高的要求。

張建軍對富力辦公商業綜合體項目的暖通空調設計進行了闡述[4]；李雪薇等人對合肥某商業綜合體暖通空調系統進行詳細說明并介紹了一些節能措施[5]。這些均為典型的優秀工程實例，但并沒有說明為何如此設計。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機，通過溫度較低的室外新風與中庭頂部高溫氣體混合,雖然緩解了商場頂部過熱的現象[6]，但也造成了能源浪費。

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

1 某夏熱冬冷地區某商業綜合體簡介

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

2 夏熱冬冷地區商業MALL設計方案

2.1 冷熱源形式

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

根據圖1負荷柱狀圖顯示，夏季冷負荷約4011 kW，冬季熱負荷約2000 kW。因當地無市政熱力管網，且業主在立項之初已明確不采用鍋爐系統，故本項目熱源選用兩臺單機制熱量為977 kW(制冷量為1004 kW)的風冷螺桿式冷熱水機組。

根據圖2冷負荷分布圖可知，夏季空調約有76%的運行時段集中在0～2000 kW的負荷區間，約24%的運行時段在2000～4000 kW的負荷區間。除了上述兩臺風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冷螺桿式冷水機組,如圖3所示，故當系統冷量需求小于2000 kW時，優先運行水冷螺桿式冷水機組。當系統冷量需求大于2000 kW時，再開啟風冷螺桿式冷熱水機組作為補充，以降低運行費用。夏季，當1臺冷水機組檢修或者故障時，另外3臺主機可滿足約95%時刻內的負荷需求，保證空調系統運行的穩定性。

圖1 負荷柱狀圖

圖2 冷負荷分布圖

圖3 風冷螺桿與水冷螺桿部分負荷能效比對

2.2 輸配系統

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

冷凍水泵正常應選用6臺水泵，3臺(兩用一備)供風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。經水力計算顯示，空調制冷時風冷式冷熱水機組環路(從集水器出發，經風冷式冷熱水機組，最后回到分水器)與螺桿式冷水機組環路(從集水器出發，經螺桿式冷水機組，最后回到分水器)的設計流量、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)，風冷式冷熱水機組環路與螺桿式冷水機組共用備用水泵。在保證系統合理、可靠前提下，節約了1臺水泵及相應管路的初投資。空調冷熱水系統圖如圖4所示。

2.3 末端系統

由于內街商鋪面積較小，且往往隨著業主招商進行重新分割，內街商鋪采用風機盤管加新風機組的末端形式。主力店等人流多、大開間的區域采用單風機全空氣空調系統，過渡季節可引入全新風制冷。

3 問題分析及解決

3.1 夏季頂部公共區域過熱

由于采光和視覺效果的需求，商業MALL往往設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，室內的熱風上浮并積聚在中庭頂部，出現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玻璃照射到室內建筑表面，而室內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MALL頂部公共區域的高溫[7]。滯留在頂部的這部分熱量如果沒有及時排出，會與室內的冷量進行熱量交換，造成嚴重的能源浪費。因此，要降低頂層公共區域的溫度，首先要先將這部分熱量排出去。

商業步行街人流量大，需要設計較大風量的新風系統。合理設置排風系統，才能使建筑維持微正壓，使新風良好流通并順利送入商場內。由于店鋪排風與公共區域空氣頂部存在溫度差，可以引導這些低溫排風進入公共區域和公共區域滯留的熱量，以降低公共區域的溫度。采用該方案時，應進行嚴格的風量平衡計算，將總新風量扣除衛生間排風量及廚房負壓風量后，剩余的風量再通過設置于中庭外的風機集中排出。經計算，本項目在中庭設置3臺排風量為11 850 m3/h的中庭排風機，引導26℃的低溫排風進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——通風換氣量,kg/s；

c——空氣比熱，kJ/(kg·℃)，一般取1.01；

Δt為排風溫差，℃，本例為6℃。

根據以往項目實測，夏季中庭排風溫度高達32℃，因此通過合理的氣流組織設計，本項目的中庭排風機可帶走約65kW的負荷。該綜合體中庭投影面積約為630m2，每平方米可減少103W的負荷。另外，中庭天棚冷負荷(含輻射冷負荷)巨大，實際工程設計中應仔細計算該負荷，并將70%的天棚負荷分配至頂部公共區域，通過加大頂部公共區域制冷量進一步降低頂部區域溫度[8]。

3.2 冬季底部公共區域過冷

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

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

圖5 中庭氣流組織圖

3.3 過渡季節仍需開啟制冷機組制冷

以往項目設計中，為了不占用商業面積，室內街公共區域常采用吊式空調機或風機盤管的末端形式。這需要較多的末端設備及設置更多的檢修口和風口，不但影響裝修效果，而且后期維護工作量大，且在過渡季節無法利用全新風免費供冷。

綜合體內不同的樓層、不同位置的商鋪，其商業價值也不同。為實現商業價值的最大化，爭取更多租金收益，本項目室內街公共區域采用全空氣空調系統，將空調機房置于屋面以減少機房對商業的影響。新、回風統一經過全空氣空調箱進行處理后，再通過垂直風管將空調送、回風引至各樓層，如圖6所示。雖然全空氣系統增加了空調機房及管井，但是空氣品質較好、維護簡單、振動、噪音等易于控制，空調區的舒適性獲得較好的保障。同時新風管尺寸加大，使得公共區域過渡季節可利用室外新風作為免費冷源，在保證建筑內部舒適性的同時，更好地減少運行能耗。

圖6 公共區域空調系統圖

3.4 廚房未補風導致中庭滲透風嚴重

餐飲廚房補風量為設計排油煙量的80%～90%[9]，這部分風量被用來補充廚房的排油煙，以減少餐飲廚房從公共區域補風。然而，在過往項目的回訪中發現，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機。當缺乏有效廚房補風系統時，排油煙系統的補風來自公共區域，公共區域呈現負壓狀態，進而導致大量未經處理的室外風滲透進入公共區域，進一步加劇了夏季頂部公共區域過熱、冬季底部公共區域過冷的現象。因此，餐飲的補風系統應與排油煙系統聯動，強制補風機隨排油煙風機開啟。

4 結語

通過對某夏熱冬冷地區商業MALL的暖通空調設計分析可見：

(1)應從空調區的冬季熱負荷和夏季逐時冷負荷計算出發，有針對性地對不同產權、不同業態、不同運行時間的區域進行冷熱源方案設計；在保證系統可靠性的前提下，使整個系統合理、經濟。

(2)良好的氣流組織既能減少空調能耗，同時又能提高環境的舒適性。應對商業綜合體MALL進行整體風量平衡計算，根據計算結果，合理選擇送排風風機及送排風點，引導店鋪的低溫排風進入中庭公共區域，同時加大頂層制冷量，以緩解夏季商業MALL頂部過熱現象。

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

(4)中庭公共區域采用全空氣空調系統既能提升公共區域的空氣品質，過渡季節時還能利用全新風制冷，節能潛力巨大。

(5)在實際運營中，應采取措施，保證廚房補風與排油煙系統同時開啟，以減少由于補風系統未開啟帶來的冷風滲透。