东、西人工岛主体建筑夏季逐时冷负荷分析及空调系统设计

许伟航，冯志强

（中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广东 广州 510230）

0 引言

港珠澳大桥桥隧转换人工岛位于伶仃洋出海口，东、西人工岛结合非通航孔桥和海底隧道实现桥隧转换，岛上建筑房建工程是岛隧工程的配套设施，属于港珠澳大桥房建工程标段的一部分，主体建筑主要包括：隧道通风排烟设施、供配电设施、消防救援设施；楼内高速养护配置与各种行政机构的办公设施；东岛商业等综合服务设施，岛上市政公用设施等。地处外海高温高湿高盐地区，夏季空调逐时冷负荷是空调系统设计的重要依据，空调系统除了保障岛上工作人员和游客的舒适性环境外，还保障隧道通风安全的电气设备用房制冷降温，因此为功能复杂的主体建筑进行空调系统设计是一项重要且不同寻常的工作。

1 项目概况

港珠澳大桥东岛主体建筑面积为41 133 m2，高度23.6 m，地下2层，地上4层，其中地下二层为设备用房，地下一层为车库，首层为办公区，二、三层为商业预留，四层为模型馆。西岛主体建筑面积32 122 m2，高度20.2 m，地下2层，地上3层，其中地下二层为设备用房，地下一层为车库，首层为办公区，二、三层为员工宿舍和办公区。东、西人工岛主体建筑均位于隧道暗埋段之上，与隧道结构一体，两岛主体建筑隔海相望，建筑外形相似，方向相反。

2 空调冷负荷

2.1 设计参数

本项目毗邻香港国际机场，室外计算参数参考香港地区，同时结合成岛后3 a的观测数据确定室外计算参数。

室外设计计算参数如表1所示。

表1 室外设计计算参数Table 1 Outdoor design&calculation parameters

室内参数设计需考虑港澳人员工作习惯，表2是收集的三地以及相似区域的室内设计温度，室内参数按三地标准就高不就低原则选取。

表2 室内设计计算参数Table 2 Indoor design&calculation parameters

最终确定计算负荷时按室内温度24℃，相对湿度55%计算。

2.2 夏季逐时冷负荷组成

通过对两岛主体建筑夏季逐时冷负荷计算，主体建筑的空调冷负荷主要是由以下得热量转化而来：

1）通过外围护结构传入房间内的热量（约占总冷负荷10%）；

2）透过外窗进入室内的太阳辐射热量（约占总冷负荷15%）；

3）新风负荷（约占总冷负荷35%～40%）；

4）人体的散热量（约占总冷负荷5%～10%）；

5）设备、家用电器或房间其他热源所散出的热量；

6）照明散热量；

7）食物散热量。

其中通过围护结构进入的不稳定传热量、透过透明玻璃外窗进入的太阳辐射热量、人体的散热量以及非全天使用的设备、照明灯具的散热量等形成的冷负荷，应按不稳定传热方法计算；不应把这些得热量的逐时值直接作为相应时刻冷负荷的即时值。

2.3 夏季逐时冷负荷分析

由逐时冷负荷计算可得，东、西岛主体建筑空调逐时冷负荷曲线图，东岛空调冷负荷高峰出现在15∶00，见图1。西岛空调冷负荷高峰出现在9∶00，见图2。东、西人工岛主体建筑空调冷负荷高峰差异主要有3个原因：

图1 东岛主体建筑空调冷负荷曲线Fig.1 Air conditioning cooling load curve of east island main building

图2 西岛主体建筑空调冷负荷曲线Fig.2 Air conditioning cooling load curve of west island main building

1）东、西人工岛主体建筑的使用空间都主要集中在岛头，西岛岛尾的大斜板和东岛岛尾的大台阶下几乎没有空调房间（由于房间不规则，作其他用途），但这些房间对内部的房间有保温效应，因此岛头房间冷负荷对围护结构的传热量和太阳辐射较为敏感，而岛尾的房间没有太阳辐射得热，且对围护结构的传热量不敏感。

2）东、西岛主体建筑都采用大面积玻璃幕墙，玻璃幕墙辐射热跟太阳的高度、角度密切相关，辐射热通过室内物体的吸收、再放热的过程间接转化为冷负荷，转化的过程中存在一定的衰减和延滞现象，使得冷负荷的峰值小于得热量的峰值，冷负荷峰值的出现时间晚于得热量峰值的出现时间。

3）东、西岛主体建筑外形相似，方向相反。西岛主体建筑的岛头是朝东，上午的太阳对着岛头直射，见图3；东岛主体建筑的岛头是朝西，下午的太阳对着岛头直射，见图4。

图3 时刻9∶00太阳照射情况Fig.3 Sun exposure(9:00)

图4 时刻15∶00太阳照射情况Fig.4 Sun exposure(15:00)

由此可见，东岛主体建筑的冷负荷高峰值出现在15∶00，西岛主体建筑的冷负荷高峰值出现在9∶00，与逐时冷负荷计算结果基本相符。

3 空调系统设计

3.1 空调冷热源

根据空调逐时冷负荷计算结果，东岛主体空调冷负荷为4 350 kW，（其中地下室部分270 kW，地面部分为4 080 kW），选用4台（其中2台分期实施）制冷量为1 135 kW的螺杆式冷水机组，放置在负一层冷水机房，冷却塔放置在屋面。西岛主体建筑空调冷负荷为2 196 kW，（其中地下室部分为441 kW，地面部分为1 755 kW），选用2台制冷量为1 126 kW的螺杆式冷水机组，放置在负一层冷水机房，冷却塔放置在室外地面。房建网络机房采用恒温恒湿空调机组；东员工休息室设置独立的多联机空调系统；同时为了保障隧道安全，地下二层电气设备用房及监控设备机房设有独立的VRV多联机空调系统作为备用空调。

3.2 空调水系统

东、西岛主体建筑空调水系统都采用两管制一次泵定流量异程系统，空调冷水供/回水温7/12°C，水系统采用全自动定压补水罐进行补水、定压。其中东人工岛水系统分为3个环路，一个环路为负二层35 kV干式变压器室/35 kV高压室、消防泵房控制室等设备房；一个环路为地面部分西侧商业预留及首层设备用房等房间；还有一个环路为地面部分东侧办公室、食堂及东侧商业预留等房间。西人工岛水系统也分为3个环路，一个环路为负二层北侧消防泵房控制室等设备房；一个环路为负二层南侧35 kV干式变压器室/35 kV高压室等设备房；地面部分为一个环路。

3.3 空调风系统

1）建筑物内如35 kV干式变压器室/35 kV高压室、10 kV高压室/接地变室、风机变压器室/轴流风机配电室等发热量较大的电气设备房，采用一次回风全空气空调系统，空调机组设在空调机房内。

2）办公区域小空间采用风机盘管加新风空调系统，新风机及回排风机设在一层空调机房内。

3）大空间如多功能厅、模型馆、门厅等区域采用一次回风全空气空调系统，空调机组设在空调机房内。

3.4 空调控制策略

空调系统能耗约占整个建筑物能耗的45%，空调系统设计一般按最大计算冷负荷来选择冷水机组，但实际运行于最大负荷工况的时间频率是很少的，大多集中在额定负荷20%～70%的负荷段。根据负荷的变化，通过群控策略来控制冷水机组的投运，合理控制冷水机组的运行台数的加/卸载，有利于整个空调系统的节能。

通常的控制策略是以空调的负荷来控制冷水机组的启停，基本上未考虑单台冷水机组的COP（制冷性能系数），根据夏季逐时冷负荷分析，两岛的冷负荷高峰期出现在不同的时间段，相对应的主机控制方式也不相同，西岛的最大冷负荷出现在上午9∶00，可在上午提前加载冷水机组，在单机最佳切换点切换2台冷水机组，使得在线运行的冷水机组的负荷率为63.3%～82.5%，在这个负荷段，冷水机组有较高的COP。尽量使冷水机组保持在最佳负荷率的工作状态，从而提高整个冷水机组的工作效率。

由空调冷负荷构成可知新风冷负荷占了大部分的空调冷负荷，对发热量较大的电气设备用房、大空间区域空调季节最小新风量运行，过渡季节在室外空气质量合适的情况下全送全排，最大限度利用室外空气降温。

4 结语

港珠澳大桥东、西人工岛主体建筑外形独特，主体建筑竖向位于人工岛隧道暗埋段上，平面围绕隧道通排风防排烟孔布置，两岛主体建筑虽然位置相近，外形相似，但朝向不同，夏季逐时冷负荷的高峰期也不同，在设计时应对建筑方案进行分析，得出适合本建筑的空调控制策略。同时因所处地区空气相对湿度较高，新风冷负荷在空调总冷负荷中占有更高的比重，新风策略的不同直接影响到空调使用效果，设计时既要保证空调区域的舒适度要求，也要做到绿色节能。