北京某交通樞紐暖通空調設計及若干問題思考

王平

北京市市政工程設計研究總院有限公司

1 工程概況

本工程為北京市某綜合交通樞紐工程（圖1），該交通樞紐主樓按不同功能分為東樓，北樓和南樓三個體塊，總建筑面積88122.57 m2，其中地上建筑面積50014.09 m2，地下建筑面積38108.48 m2。其中東樓地上一層為換乘廳、候車廳，層高達到10 m 左右，屬于高大空間，地下兩層主要為地下停車庫及設備用房。南樓地下兩層，地上六層，其中地下二層為停車庫，冷水機房和消防泵房也在地下二層，地下一層主要功能區有停車庫、鍋爐房和變配電室，地上層主要有到車區、商業區、餐飲區、辦公區、宿舍區。北樓地下一層，地上四層，其中地下一層主要為辦公區、廚房、變配電室，地上一層為發車區，其他為辦公區。

圖1 北京市某交通樞紐工程

2 冷熱源及空調系統介紹

2.1 冷熱源

本工程空調冷源采用電制冷冷水機組+冷卻塔的方式，在南樓地下二層空調冷水機房內設置三臺離心式冷水機組，冷水機組夏季空調冷凍水的冷媒參數為7/12 ℃，冷卻塔設置于南樓屋頂，冷卻水供回水溫度32/37 ℃。本工程室內空調系統冬季采暖熱源為設置在樞紐南樓地下一層鍋爐內的兩臺燃氣熱水鍋爐，一次熱水熱媒參數為85/60 ℃。經板式換熱器換熱后，冬季空調熱水的熱媒參數為60/45 ℃。

2.2 空調水系統

空調水系統為二級泵系統，二級泵系統在分集水器處按南北樓、東樓高大空間空調機組、東樓地板采暖系統劃分為三個支路（圖2）。

圖2 冷水機房系統原理圖

2.3 空調風系統

根據建筑功能的劃分，并考慮系統的管理方便和運行安全可靠，本工程空調系統主要設置了兩套系統，即低風速一次回風全空氣空調系統和風機盤管加新風系統（圖3）。系統劃分如下：東樓首層換乘廳、候車廳為高大空間，空調系統采用一次回風全空氣空調系統，全空氣系統采用可變新風比，過渡季可采用全新風送風。其他各空調房間均采用風機盤管加新風系統，達到操控靈活，并可同時滿足對室內溫濕度的不同要求。

圖3 空調系統平面圖

其他特殊房間采用相應的空調形式，樞紐主樓衛生間、設備用房等冬季采暖采用落地安裝風機盤管系統。樞紐東樓候車換乘大廳冬季設低溫地板輻射供暖，與空調系統互為補充。南北樓地下一層主副變配電室、弱電機房設置變頻多聯式中央變頻空調系統，作為消除室內余熱通風系統的補充，多聯機室外機均設置在屋頂。設備機房及電源室設計機房專用空調，消除室內設備余熱，室外機設于屋頂上。

2.4 通風與防排煙系統

地下層汽車庫，鍋爐房，變配電室，設備泵房，廚房操作間等分別設置機械送、排風系統。地下層汽車庫按每個防火分區設置一套機械排煙和機械補風系統；對不具備自然排煙條件的封閉樓梯間及合用前室均設置機械加壓送風的防煙設施。地下室的內走道和各房間總面積超過200 m2或單個房間面積超過50 m2，且經常有人停留或可燃物較多的房間設置機械排煙系統。

樞紐東樓換乘廳及長途候車廳，梁下最低點為12.6 m，為高大空間，整體采用自然排煙系統。由于該空間已超過12 m，其自然排煙口的有效面積需經計算確定。通過特殊消防設計，提出自然排煙設置方案，并進行模擬論證分析，以確保自然排煙設置方案的合理性及有效性。

3 暖通設計難點及解決方法

3.1 二次泵系統的選擇

據統計，空調冷/熱水輸配系統的能耗大約占整個空調系統能耗的15%～20%，優化設計水力輸配系統以減少水泵運轉能耗，對建筑節能有著重要意義。依據《公共建筑節能設計標準》（GB50189-2015）可知“系統作用半徑較大、設計水流阻力較高的大型工程，空調冷水宜采用變流量二級泵系統。當各環路的設計水溫一致且設計水流阻力接近時，二級泵宜集中設置；當環路的設計水流阻力相差較大或各系統水溫或溫差要求不同時，宜按區域或系統分別設置二級泵”。

根據前面介紹，本工程冷水機房設置于南樓地下二層，冷水機房的沒有設置在負荷中心位置。在選配空調冷（熱）水系統的循環水泵時，應計算空調冷（熱）水系統耗電輸冷（熱）比[EC(H)R-a]，計算結果如表1（以東樓為例）所示，從表中可知，采用一級泵系統，空調水系統耗電輸熱比EC(H)R 不滿足要求，二級泵系統的空調水系統耗電輸冷（熱）比EC(H)R 均滿足要求。因此本工程可考慮采用二級泵系統。

表1 空調水系統耗電輸冷(熱)比EC(H)R-a 計算

根據計算得知：北樓空調水環路阻力為：0.12 MPa，南樓空調水環路阻力為0.13 MPa，東樓空調水環路阻力為0.22 MPa，冬季地板采暖水環路阻力為0.12 MPa。從文獻[1]可知：5 m 可作為“阻力相差懸殊”的界限，因此本工程宜分區域設置二級泵系統，其中南、北樓環路阻力相差不大，集中設置一套二級泵。東樓與其他區域阻力差值超過5 m，單獨設置一套二級泵。東樓冬季地板采暖系統由于供暖水溫低于散熱器供暖甚至空調供暖的常規水溫，采用二級混水泵和混水三通閥的直接串聯系統。

從上面分析可知，現代交通樞紐占地面積大、功能復雜且多樣化，一般根據功能劃分不同區域，當同一供冷站或供熱站為不同區域服務時，若主機未設在建筑中心或負荷中心，或各區域距離相差較遠,使得各環路阻力相差懸殊,則可分區域分環路按阻力大小設置和選擇二級泵,比設置一組二級泵更節能。應注意，不同區域劃分或者不同使用時間段并不意味著需要分區域設置多套二級泵，例如本工程南、北樓就共用了一套二級泵。正如文獻[1]所述，若阻力相差不大且要求水溫一致，選用一套二級泵更加合理，這樣可有效避免低負荷時大流量小溫差的情況，即減少了投資且較節能。

3.2 高大空間射流角度優化設計

對于高大空間，分層空調是采用比較廣泛的一種空調方式，分層空調是指僅對下部區域進行空調，而對上部區域不空調的空調方式，與全室空調相比，因而節省初投資和運行能耗。分層空調通常采用噴口送風方式，做法是將噴口安裝在空間的周邊側墻，以4～12 m/s 的速度、8～12 ℃的溫差及一定的角度射流，經氣流衰減，使回流經過人員活動區帶走熱量和濕量。在本工程中，對于換乘廳這種跨度較大（50 m）且高大空間采用了雙側對噴的送風方式。從資料調研發現，噴射角度是影響送風效果的關鍵因素。在設計中，利用Fluent 對不同送風角度下，換乘廳的速度場及溫度場進行了模擬計算，得到了空氣流速及溫度的分布，分析研究了不同送風角度對室內氣流流動與溫度分布的影響。

3.2.1 構建模型

設計情況：東樓換乘廳跨距為50 m，兩側設置對噴球形風口，噴頭間距為2.4 m，噴口高度為4.5 m，噴口采用妥思DUK 型球形風口400，單個出風量為1500 m3/h，射程32 m，具體見圖4。

圖4 樞紐候車廳雙側對噴空調平面圖

構建CFD 模型如圖5 所示：

圖5 CFD 構建模型

3.2.2 模擬結果

由于空間大而高，氣流之間相互影響較大，因而不同的射流角度所產生的人員區（1.5 m 高）溫度速度分布不盡相同。在此，分別計算了0°、5°、10°、15°向下射流時，高度為1.5 m 的水平溫度分布（以夏季供冷工況為例）。

由圖6 可看出，水平射流或者向下角度較小時，由于冷空氣與上部熱空氣混合后向上流動，未能回流至下部空間，造成1.5 m 高度處平均溫度較高，且靠近外墻位置溫度高達31℃。隨著射流角度向下，1.5 m 高度處平均溫度逐漸降低。當向下15°射流時，溫度分布均勻，且外墻邊溫度也較適宜。可見射流角度增加，對1.5 m 人員活動區溫度分布有利，與文獻[2]結論一致。由文獻[2]可知，當送風角度在向下15～30°時，送風射流有可能與地面碰撞，射流仍具有較大動量并以較大的動量折回空氣中，使得冷射流混亂加劇，有可能無法滿足室內設計參數的要求。因此，結合模擬結果及參考文獻，推薦15°向下射流為較合理的射流角度。

圖6 CFD 模擬結果(1.5 m 高度處溫度分布)

這種分層空調系統用于夏季工況能出現比較明顯的分層效果，并且能夠較好的滿足室內舒適性要求。若冬季工況仍采用該分層空調系統，由于冬季熱空氣上浮現象嚴重，則該系統不適用于冬季。因此，本工程采用地板采暖系統輔助分層空調系統，以保證冬季的舒適性。

3.3 地下汽車庫通風排煙系統的思考

3.3.1 排煙方式

由文獻[3]可知，常見的汽車庫通風排煙主要方式有：1）排風、排煙系統完全分開。2）排風、排煙系統合用管道。3）排風、排煙系統合用風機。4）排煙系統+誘導通風系統。本工程采用了方式3+方式4，采用雙速風機為平時通風和排煙合用，采用誘導風機系統可以減少管道尺寸（排煙風速大），節省停車庫上部空間，提高地下車庫凈高正是業主所希望的。

3.3.2 排煙量

根據最新《汽車庫、修車庫、停車庫設計防火規范》GB50067-2014[4]可知：每個防煙分區排煙量與車庫凈高相關，例如本工程凈高為4.0 m，則每個防煙風區的排煙量為31500 m3/h。為了節省投資和空間，本工程采用2 個防煙分區合用1 套機械排煙兼排風系統，火災及車流高峰時風機高速運行，車流較少時風機低速運行。但對于這種合用方式，規范中沒有明確排煙量的計算方法。根據文獻[5]可知，有專家建議多個防火分區合用一臺排煙風機時，其風量可按最大一個防煙風區的排煙量和風管的漏風量，加上其他未開啟排煙閥或排煙口的漏風量之和計算。在設計中考慮到若火災正好發生在防煙分隔附近，煙氣有可能蔓延到兩個防煙分區內。從安全性上考慮，本工程的排煙量計算按兩個防煙分區排煙量疊加，當發生火災時，兩個防煙分區內的排煙口同時開啟。

4 設計后期的若干問題分析

目前本工程正處于設備安裝階段，在施工配合過程中，也發現了不少問題值得注意。結合在設備安裝階段遇到的問題，下面將闡述在大型交通樞紐綜合體設計中易被忽略的一些問題，并希望引起注意。

4.1 空氣熱回收問題

根據北京市節能要求[6]，全樓中對室內空氣進行冷/熱循環處理的末端設備加集中新風系統的空調系統，其設計最小新風總風量≥40000 m3/h 時，應有相當于總新風送風量至少25%的排風設置集中排風系統，并進行能量回收。

本工程總新風量超過40000 m3/h，因此設置了熱回收系統，并對每個空調區風機盤管加新風系統新風進行熱回收，集中排風比例按每個空調區新風量的25%考慮，并根據熱回收處理排風量選擇了空氣熱回收機組。這樣就造成了目前面臨的一個問題：市場上現有的空氣能量回收裝置排風量與新風量比值≥0.75，按照設計，則需要排風量與新風量比值為0.25，按熱回收處理排風量選擇的空氣熱回收機組的新風量偏小，不能滿足要求。究其原因就在于對規范的理解存在誤區，對總新風送風量至少25%的排風設置集中排風系統并不意味對每個空調區都要設置熱回收系統，可以某幾個空調區對75%新風量進行熱回收，某幾個不設置熱回收，使得熱回收處理排風量大于總新風送風量的25%，就滿足規范要求。

4.2 吊頂高度問題

吊頂高度一般由建筑專業考慮，但是會發現在設計中起決定作用是設備專業的管線，尤其空調風管尺寸。如果設計不合理就會造成吊頂高度偏低，甚至不滿足要求或者管線打架嚴重。因此在設計中各設備專業（電、暖、水）應相互配合，確定各自的路由，避免設計后期管線打架嚴重和設計返工。建筑專業確定吊頂高度時，應首先根據設備專業的管線綜合，合理確定吊頂高度。同時，設備專業應根據建筑功能、建筑需求合理選擇設計方式。例如在本工程中有許多區域考慮后期的商業功能，這就要求吊頂高度盡量提高。在初期設計中只是按照樞紐辦公要求，吊頂高度保持在2.4 m 左右，這高度對于商業功能區域就偏低了。到設計裝修階段，就要求盡量提高吊頂高度，為了提高吊頂高度多處下送下回空調系統更改為側送側回方式。對于吊頂高度等類似問題，設備專業與建筑專業應相互配合，已滿足建筑功能的要求。

4.3 屋頂設備基礎高度

在施工圖設計中，需要給結構專業提供屋頂設備基礎高度以便于其進行荷載計算，但是在實際設計中由于基礎高度沒有明文規定，這就使得其變成一個易被忽略的問題，有時也會采取隨意標注高度500 mm、高出完成面200 mm 等不負責的做法。屋面設備，包括風機，在保證便于安裝的前提下，基礎高度的作用主要是防止屋面積水浸濕設備機座。在本工程設計中，屋頂基礎高度的確定主要考慮三個因素。一是建筑完成面高度，因為設備基礎一般都坐落在結構基礎上，設備基礎應高出建筑完成面。二是屋面積水高度，在排水不利條件下，屋面可能會發生積水。考慮安全、可靠的基礎上，設備基礎高度應考慮積水高度，積水高度可根據相應計算得到，設備基礎高度可能隨建筑坡度變化，特別在積水低點處設備基礎高度最高。三是屋面防水卷材上翻高度，根據建筑要求，上翻高度需要高于積水高度200 mm。綜合考慮這三個因素確定了屋頂設備基礎的高度，根據不同工程，設備基礎高度存在差異，這里希望給大家提供一個參考。

5 結論

隨著城市的發展，大城市交通樞紐的功能不再單一化，它可集商業、餐飲、辦公、軌道交通于一身的綜合體，為了可以更好地滿足人員的舒適性要求以及多種功能的需要，合理設計暖通空調系統具有非常大的重要性。通過此案例分析了大型交通樞紐暖通空調系統設計中的各種設計因素，使得交通樞紐的空調通風系統與其多樣化的建筑功能合理結合。同時在本工程設計中采用了包括：過渡季節直接引用室外空氣作全新風運行。二次泵系統。高大空間射流角度優化設計；全熱回收等節能技術。在安全、可靠、使用靈活、滿足溫濕度及其他環境要求的基礎上，實現了減少交通樞紐空調系統投資、降低運行費用的目的。