大型多層地下空間空氣品質控制及整體性系統設計初探

鐘 樂

(華東建筑設計研究院有限公司,上海)

0 引言

隨著建筑多元化的發展,地下空間的規模性與功能性不斷增加,與地上建筑組成現代整體建筑。大型多層地下空間不僅保持著車庫、人防、設備用房等傳統建筑功能,還承擔著地下交通、商業、配套服務等新建筑需求。本文結合某大型多層地下空間項目中E段的實際情況,通過分析車庫及快速公共交通區域內空氣有害物情況及全年各時段室外溫濕度不同狀態,基于室內溫濕度與室外進風口處露點溫度的差值,制定合理的空氣環境品質控制措施;探討真空垃圾統一收集系統的架構及運行方式、各組成部分的設置要求、設備安裝空間的設計注意事項;以該地下空間集中冷熱源系統中服務于建筑高度為300 m的地上超高層辦公建筑的空調水系統為例,介紹集中冷熱源系統在此類項目中的優勢。

1 工程概況

該地塊項目為大型多層地下空間建筑,建筑總面積約為150萬m2,依照分批建設的原則分為若干區段。以E段地下空間為例,其建筑面積為20.66萬m2,共有7個樓層：地下6層為地鐵站臺層,地下5層為地鐵設備層,地下4層為地鐵站廳層(部分區域為地下4層和地下3層挑空),地下3層和地下2層為停車庫、地下環路車道及設備用房(包含人防),地下1層為商業、餐飲,地下1層夾層為非機動車庫、輔助用房及設備用房等,具體剖面圖見圖1。

圖1 E段地下空間剖面示意圖

2 地下空間車庫及快速公共交通區域空氣環境品質控制

設有舒適性空調的商業、服務用房等區域,在相對成熟的空調系統和自控系統的協同工作下,可實現令人相對滿意的空氣環境品質,但地下空間中車庫區域的空氣品質常被忽視。該大型多層地下空間中車庫與相鄰的車庫配套服務區形成復合多樣的建筑功能,通過設于地下2層環路中的快速公共電瓶車道,實現各區段在地下空間內的公共交通互通。對車庫及快速公共交通區域的空氣環境品質進行合理、有效控制是實現地下空間建筑功能多樣性的保障。

2.1 有害物濃度控制

地下空間車庫內有害物主要來自于機動車啟動、怠速和剎車時產生的發動機尾氣,其主要成分為燃油未完全燃燒而生成的CO、SO2、NOx、CmHn、甲醛和苯等。GB 50736—2012《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》條文說明第6.3.8條指出：采用CO作為有害物濃度控制參數,并按30 mg/m3作為控制限值[1]。而且隨著綠色建筑的普及,地下車庫設置與排風設備聯動的CO濃度監測裝置才可滿足GB/T 50378—2019《綠色建筑評價標準》第5.1.9條所規定的控制項要求[2]。該項目車庫按每300 m2設置1個CO傳感器,同一防煙分區內的傳感器形成1組系統,并將傳感器信號傳至系統主機統籌控制,以滿足有害物濃度控制及綠色建筑評價要求。

2.2 溫濕度及防結露措施

通過對該項目所在地附近已投入運營的地下車庫項目進行走訪,得知該地下車庫在悶熱的夏季或者梅雨季節,時常會出現地面潮濕、管線結露、墻面發霉等現象。不僅造成人員的不適感,還會造成行車因積水出現打滑、管線因結露造成短路、墻面因潮濕而產生霉菌等隱患。該地下車庫潮濕并易出現結露的主要原因為：

1) 此片區項目均靠近長江,地下車庫因貼鄰濕冷的土壤,外墻面、地面濕度較大,局部墻面和地面表面長期保持潮濕狀態,使地下空間長期處于濕冷狀態。

2) 該項目所在地區的室外空氣溫濕度較高,通過機械通風或自然風壓流動帶入地下的濕空氣較多。項目所在地南京地區1980—2010年室外平均相對濕度較大[3],夏季平均相對濕度基本保持在80%左右,春季、秋季、冬季也基本在70%以上;根據GB 50736—2012附錄A可查得南京夏季通風室外計算溫度為31.2 ℃。按通風干球溫度31.2 ℃、相對濕度80%,可粗略計算得到夏季室外新風的平均露點溫度約為27.3 ℃。

綜上,該地區夏季常年室外露點溫度處于較高的水平,而地下空間內的外墻面、地面因貼鄰富含地下水的土壤,一直保持著濕度大且溫度較低的狀態,一旦外墻面、地面的溫度低于進入地下室空氣的露點溫度,即會出現結露現象。梅雨季節時室外空氣溫度雖然不高但濕度極高,地下空間更為濕冷,地下車庫更容易發生結露現象。其余季節除個別年份外,室外相對濕度也保持在70%左右的高值,在暴雨或溫度驟變的天氣下,亦會出現結露現象。

經過對已建成項目的總結分析,大型多層地下空間項目采用以下措施,用于防止結露現象的產生。

1) 對重點區域增加隔熱措施以提高其表面溫度：① 靠近出入口的風管、橋架增加外隔熱包裹;② 貼鄰室外土壤的外墻面、地面增加內隔熱涂料;③ 金屬材質的指示牌、風口、燈具等更換為塑料材質。

2) 合理布置地下通風系統：① 排風口在不留排風死角的前提下,設置風口數量時向集水坑、冷水機房、鍋爐房、水泵房等重點區域傾斜,在這些區域附近多設排風口,將產生的濕空氣快速排出。② 通風系統常只設置1處補風口進行集中補風,該做法使大量潮濕的室外空氣被送入同一區域,增加該區域的結露風險。增加補風口數量,將集中在1處的補風口拆分為3～4個補風點進行分散送風,且補風點盡量設置在車庫內部,遠離外墻面及集水坑、冷水機房、鍋爐房、水泵房等區域。

3) 加強室內除濕能力：① 在車庫內預留除濕機的安裝機位、電源接口、排水點位等。除濕機的機位分為固定機位和臨時機位2種,固定機位長期放置除濕機,滿足隨時使用的需求,臨時機位可在濕度超標時快速增設除濕機,靈活多變處理實際情況,臨時機位需根據實際情況進行規劃設置,在靠近外墻面、出入口等結露危險性較大的區域,或人員流動性較大的區域應多設置。② 在人員長時間等待的區域(快速電瓶車候車區、車庫服務人員工作區等)設置局部舒適性空調,以保持溫濕度恒定。

2.3 綜合控制策略

結合地下空間車庫區域有害物濃度控制方法和溫濕度控制措施進行分析,兩者之間有關聯但又有部分矛盾。兩者都需要通過控制通風量來實現,排出有害物時需要保持一定的通風量,在避免結露時又需控制通風量以避免高溫高濕空氣大量進入。綜合考慮各方面情況并設置合理的控制策略,是保證地下空間車庫安全性和舒適性的關鍵。該項目擬定在以下部位設置探測器：室外進風處設置室外空氣溫濕度探測器;車庫內設置室內溫濕度探測器、CO濃度探測器;直接接觸土壤的外墻面、地面按點位安裝溫濕度探測器。以獲得實時狀態參數作為控制依據,并制定以下綜合控制策略：

1) CO質量濃度控制。隨著地下空間功能的拓展,地下車庫空間及相通配套服務區域內人員的滯留時間更長：如乘坐地下快速公共交通,等待機械立體車庫運行,對新能源汽車充電,進行汽車維護、保養等。較長時間地吸入濃度較高的CO對身體健康存在潛在威脅[4],在此類環境中,CO質量濃度低于18.75 mg/m3對人體更為安全[5-7]。且隨著新能源汽車數量的增加,車庫內CO實際排放量將更低,可能長時間無法達到30 mg/m3的CO質量濃度預設值,車庫通風機工作時間較短,也可能導致車庫內環境舒適度降低。所以設定當檢測到車庫室內CO質量濃度高于18 mg/m3時開啟風機,處于通風工況;當室內CO回落至5 mg/m3時,風機再繼續保持運行10 min后關閉,處于停機工況。

2) 溫濕度控制。實時測量室內空氣、墻面、地面等保護點位的溫度,并與室外進風口處空氣露點溫度進行對比,當室內保護點位的溫度高于進風口處空氣露點溫度3.0 ℃以上時為安全狀態,高于進風口處空氣露點溫度1.5～3.0 ℃時為黃色預警狀態,高于進風口處空氣露點溫度0～1.5 ℃時為紅色預警狀態;當室內保護點位的溫度低于進風口處空氣露點溫度時為報警狀態。

3) 依據以上內容,通風綜合控制措施參照表1實行。

表1 通風綜合控制措施

4) 夏季及梅雨季節原則上只在有害物濃度超標的情況下開啟車庫通風系統,除此之外不進行其他通風。當溫濕度監控處于預警及報警時開啟出入口風幕機,避免室外的高溫高濕空氣通過室外風壓滲透進入地下空間。

5) 秋季、冬季及除梅雨季節時段的春季,可在早、中、晚高峰時段內定時打開通風系統,加強空氣流通。此時相鄰防火分區的通風系統可兩兩交錯開啟,按每15 min輪換運行。如風機中午高峰期開啟的時間為11：00—13：00,A、B 2個相鄰防火分區中A的通風系統運行時間段為11：00—11：15,期間B的通風系統處于停機狀態;接著關閉A的通風系統,由B的通風系統在11：15—11：30 時間段內獨立運行;再關閉B的通風系統,重新開啟A的通風系統在11：30—11：45 時間段內運行;如此交替運行至13：00。此舉在提升高峰期舒適性的同時,也可達到一定程度的節能效果。

3 地下空間與地上建筑的整體性系統設計

該項目所對應的地上建筑為功能定位較高的超高層辦公、五星級酒店及高級公寓等,設置整體性系統可讓地下空間與地上建筑相輔相成,共同提升系統的合理性：1) 為滿足地下空間對風井、百葉的使用要求,可結合地上建筑、室外樓梯、園林造景等進行百葉與構筑物的一體化設計。在符合規范的要求下,將百葉對地上建筑立面的影響降到最低。2) 依據地上建筑對垃圾收集和空調供能的需求,在地下空間內設置真空垃圾統一收集系統和集中冷熱源系統的機房及水平管道,其負壓氣動真空垃圾管和能源站冷熱水供能管可經由地下空間實現整體性系統的搭建。

3.1 真空垃圾統一收集系統設計

辦公、酒店及公寓等公共建筑傳統垃圾收集、運輸的方式為：先由人工匯總至樓棟垃圾收集點,再通過機械、小型車輛運送至區域集中垃圾收集點,最后通過大型市政垃圾車轉運走。辦公的樓層集中垃圾收集點和酒店、公寓的樓棟集中垃圾收集點即便通過凈化系統進行處理,其垃圾暫放處也對建筑環境品質產生一定影響;保潔人員在收集、運輸垃圾的過程也難免會出現臭氣擴散、污物泄漏等情況,即便能及時清理也將降低人員的舒適性。真空垃圾統一收集系統屬于新型整體性的封閉運輸垃圾的系統,能夠較好地解決以上問題,具體系統流程見圖2。

注：5～7集中設置于中央垃圾收集站中。圖2 真空垃圾收集系統流程示意圖

真空垃圾統一收集系統通過室內垃圾收集點和室外垃圾收集點進行垃圾分類投放,經由豎向收集管道進入底部的臨時存儲裝置。當設置于豎向管道底部的重量傳感器探測到暫存于臨時存儲裝置中的垃圾達到一定重量時,或達到預先設定的排放時間時,通過計算機自動控制系統啟動終端風機機組,在管道內形成負壓氣流,將垃圾分種類送入水平輸送管道;再通過地塊間的管廊垃圾管道,將垃圾快速送至終端的中央垃圾收集站內,整個收運過程高效潔凈。中央垃圾收集站內垃圾隨空氣進入垃圾分離器,固體、液體垃圾從分離器下端進入壓實機壓實,裝入專用垃圾集裝箱中,最后通過專用垃圾集裝箱轉運車轉運至城市垃圾處理點;氣體從分離器上端進入處理裝置后通過原核心建筑的中央垃圾收集站排放至室外。

地下空間在配合真空垃圾統一收集系統進行設計時需考慮以下注意事項。

1) 收集系統豎向管道底部區域需設置控制閥門、排放閥及進風閥等。設計時需要規劃好安裝該部分設備的設備間。① 設備間需便于控制閥門的清理、檢修：控制閥門是垃圾收集系統豎向運輸與水平運輸的轉換部件,當垃圾投放時控制閥門關閉,垃圾暫存在豎直管道的暫存段內;當垃圾需進行水平方向運輸時控制閥門開啟。因控制閥門需頻繁開關且運輸物質為垃圾的工作特性,其需要清理、檢修的頻率較高。② 設備間內需要設有污水收集系統：排放閥設于控制閥底部,其功能是當暫存的垃圾泄漏的水分過多時,可以通過外接一根排水管把閥門底部的大部分污水排放到大樓的污水收集系統,降低傳輸時大量水分殘留在水平管道里的可能性,提高系統的運行穩定性。③ 設備間需要保證進風順暢：進風閥設置于垃圾收集系統水平管道的端頭,并連通水平管道和設備間補風管井,當水平管道內形成負壓時,進風閥需要根據終端風機實時風量調整相應開度。進風閥的作用為保證管道內補風量充足,如果補風量無法滿足終端風機排風量,輕則導致傳輸速度降低,噪聲增大;重則直接導致系統發生故障。

2) 地塊內的水平真空垃圾輸送管材質采用3層保護的低碳鋼并搭配鎳鉻耐磨件。由于此處管道尺寸較大且工作時會產生相應振動和噪聲,需要提前規劃管線路由,減少角度較大的翻彎,避免垃圾堵塞;避開設備管線較密集或有人員久留的區域,減少管道對地下空間凈高及人員的影響。

3) 地塊至垃圾收集站的總輸送管設于地下管廊中。管廊內管道的安裝條件需滿足后期檢修及維護的需求,管廊內需設有攝像機及管道壓力傳感器等監控設備,實現遠程值守。

當真空垃圾統一收集系統管段發生堵塞或系統出現故障時,如垃圾無法及時收集、轉運將影響服務區的環境,需制定臨時應對方案以保證秩序：1) 室外垃圾收集點可安排保潔人員按固定時間進行逐一收集、轉運;2) 地上室內垃圾收集點可參照表2的方案進行緊急情況下的垃圾收集、轉運。

表2 地上建筑內緊急情況下垃圾收集、轉運方案

3.2 集中冷熱源系統設計

對于大體量建筑群,集中設置區域能源站為更高效、合理的冷熱源方案。地上建筑無需擺放空氣源熱泵、冷卻塔等影響地上建筑環境的設備;地下空間可不設置冷水機房、鍋爐房等面積較大的單體冷熱源機房,使地下空間的面積利用更充分;能源站可通過調整各用能單位之間的不平衡率產生規模效應,并通過采用大型高效冷水機組、熱回收設備、蓄熱水池等設備,提高系統節能性、降低碳排放。該項目能源站通過集中供能管網可實現四管制全年8 760 h的不間斷供冷供熱,管網端冷水供/回水溫度為5 ℃/13 ℃,熱水供/回水溫度為50 ℃/41 ℃,工作壓力為1.0 MPa。

地下空間在集中冷熱源系統中實現串聯區域能源站和地上各用能建筑的作用,并設置計量、換熱、增程等作用的機房,由于能源站內采用二級泵系統,地下空間內同樣服務于能源站一次側供能系統的水泵命名為三級泵。在集中供能管網附近設置能源公司計量間和三級泵的共用機房,地上各用能建筑的換熱機房設置于相應建筑投影范圍的地下空間內。因為該地下空間體量較大,部分計量間與換熱機房距離較遠,部分高峰時段能源站提供的資用壓力可能無法滿足使用要求,此時可根據地塊實際情況開啟三級泵,保證供能的穩定性。

以服務于地上建筑高度為300 m的超高層辦公樓的1#地塊空調水系統為例,其豎向系統按承壓限制分為3個區,具體見表3。

表3 1#地塊空調水系統豎向分區

服務于1#地塊的集中冷熱源系統的原理圖見圖3。1) 計量間及三級泵房內可通過閥門的切換實現冬季、夏季工況切換。2) 計量間及三級泵房歸能源中心管理,反饋給能源站的數據信號包括供能主管供回水溫度、壓力,能量表計數,三級泵運行狀態;能源站可遠程控制冷水供水管、熱水供水管上各1處電動閥的開關、三級泵的啟停。3) 換熱機房為各用能建筑自行管理,相關控制納入各用能建筑的獨立自控系統中。

4 結論

1) 因室外空氣溫濕度較高,與地下空間外墻面、地面相貼鄰的土壤濕度較大等原因,造成地下空間車庫潮濕且防結露難度較大。新型地下空間建筑在延續傳統停車庫的作用外,還承擔了區域

圖3 1#地塊集中冷熱源系統原理圖

交通、配套服務等新功能,人員在地下空間內停留的時間將增加。伴隨著新能源技術的發展,新能源汽車在地下空間車輛中的占比逐漸加大,汽車污染物的排放情況也將發生改變,地下空間車庫及快速公共交通區域對污染物濃度的控制將有新要求?？稍贑O質量濃度不超過18 mg/m3的前提下,根據全年各時段的室外溫濕度特點,以實時測量溫濕度數據為依據,制定出適用于不同季節或室外狀態下的空氣環境品質綜合控制策略。

2) 依據地上建筑實際使用功能的需求,地下空間內設置服務于地上建筑的真空垃圾統一收集系統、集中冷熱源系統等整體性系統。在增加地下空間利用率的同時,避免在地上建筑設置散發異味的垃圾房和產生噪聲、廢熱、振動的空氣源熱泵或冷卻塔,進一步提升地上建筑的品質和使用環境,實現整體性系統設計的價值。