深圳国际会展中心空调及通风设计

深圳市欧博工程设计顾问有限公司 廖晓华 吴少光 蔡戈锋 张 艳

1 工程概况

深圳国际会展中心地处粤港澳大湾区北部，珠三角中心和广东自贸区中心，广深港核心发展走廊和东西向发展走廊交汇处，是“三城一港”(国际会展城、海洋新城、会展田园城与综合港区)的主体建筑之一。项目集展览、会议、商务、餐饮、娱乐、体育等功能，总建筑面积约154万m2，包括16个2.0万m2的标准展厅，2个2.0万m2的多功能展厅，1个5.3万m2的超大展厅及2个6.6万m2的登录大厅。项目鸟瞰图见图1。

图1 项目鸟瞰图

2 空调冷源及空调水系统设计

2.1 空调冷源设计

该项目跨度较大，南北长约1 700 m，东西宽约472 m。展厅及登录大厅均布置在中央廊道两侧，考虑到展览规模及展厅单元划分、系统可靠性、展览运营模式适用性、运营管理便捷性及项目本身的特点，采用分散式制冷站，制冷站数量、分布位置与后期运营模式相匹配，使制冷站始终处于高效的运行工况。

结合项目的工程特点，经多方讨论和研究，该项目共规划了5个独立制冷站，如图2所示。

注：A1～A11、C1～C4、C6～C9、C11、C12为展厅单元编号。图2 制冷站分布

其中，1#、3#、4#制冷站为常规水冷式电制冷站，每个制冷站分别服务4个标准展厅，且位于服务区中心区域的地下室。因A5(南登录大厅)和A10(北登录大厅)地下室分别设有有效蓄水容积约7 300 m3和7 800 m3的消防水池，因此2#和5#制冷站采用水蓄冷式制冷站。

展厅空调负荷随室外气象参数、参展人数、设备灯光负荷(不同类型展览的差异较大)等多种不确定因素变化而变化，因此空调系统的实际运行工况比设计工况更为复杂。2#和5#制冷站的蓄冷量约为设计日总冷负荷的25%，各制冷站白天大部分空调负荷主要由制冷主机承担。近年来，变频离心式冷水机组因其部分负荷工况下仍然可以维持较高COP的特性，逐步得到广泛应用，其节能性在实际运行项目中得到了验证。因此，集中空调系统通常配置1台或多台变频式冷水机组。本节以1#制冷站为分析对象，参考国内某主流品牌的价格及性能参数，对比分析变频和定频离心式冷水机组在不同组合下的初投资及能耗。

1#制冷站共选用4台离心式冷水机组：3台单台制冷量5 626 kW、1台制冷量2 814 kW。4种制冷主机的搭配方案及相应初投资如表1所示。其中方案1初投资最低，为776万元，方案4初投资最高，为860万元，两者相差84万元。

表1 1#制冷站变频和定频离心机组搭配方案及初投资

为便于对比，分别选取100%、75%、50%及25%负荷4种工况。此外，鉴于展览建筑的特殊性，结合深圳的气候条件，取年空调使用时间为160 d。经计算，4种方案不同负荷率下的日运行能耗如表2所示。

表2 1#制冷站不同制冷主机搭配方案能耗对比

深圳市供电局现行工商业峰平谷电价如下：峰段电价0.907 2元/(kW·h)，平段电价0.602 4元/(kW·h)，谷段电价0.218 4元/(kW·h)。各方案不同负荷率下的空调日运行电费如表3所示。

表3 1#制冷站不同制冷主机搭配方案运行电费对比

以方案1作为基准方案，方案2～4相对方案1每年节省的运行电费及其静态投资回收期如表4所示。参考蓄冷相关规范要求，蓄冷系统的静态投资回收年限宜小于5 a[1]，4种方案的静态投资回收期基本符合要求。此外，在现行电价下，方案4在全寿命周期(以20 a计)内相对方案3可节省运行费用69.4万元。因此，方案4的节能性更优。

表4 1#制冷站方案2～4费用与静态投资回收期

基于以上能耗分析及经济性分析，结合运营方对于空调节能性的要求，该项目1#～5#制冷站的离心式冷水机组均采用变频机组。

实际运行工况中，借助“机房群控系统”预设计算程序及系统运行中的自我修正功能，对系统的运行能效进行实时优化控制，以获取系统任一时刻的最佳运行工况，进一步提升系统的运行能效。

各区域空调负荷及各制冷站冷源设备的配置如表5所示。

2.2 空调水系统设计及空调末端性能分析

2.2.1空调水系统设计

表5 各区域空调负荷及各制冷站冷源设备配置

近年来，随着主机制冷效率的提高、水泵变频技术的成熟，大温差供冷技术使得空调水系统输送能耗逐渐下降。而以往制约大温差应用的盘管换热能力也有较大提升，进一步推动了大温差供冷技术的应用。该项目蓄冷系统采用间接性供冷(蓄冷水池和用户侧通过板式换热器隔开)，蓄冷水池设计供/回水温度为5 ℃/14 ℃，用户侧设计供/回水温度为6 ℃/15 ℃。

各制冷站位于所服务区域的几何中心，供冷半径小于400 m，为简化系统水泵的运行策略，避免因串联水泵运行失调导致“大流量小温差”现象，且一级泵空调水系统较二级泵空调水系统有明显的节能优势[2]，故该项目各空调水系统均采用一级泵变流量水系统。

因1#、3#和4#制冷站服务的4个展厅末端的阻力特性均相同，故系统仅在分集水器处设置一级静态平衡阀即可。

2#和5#制冷站末端阻力特性复杂，系统采用两级平衡：第一级平衡阀设于分集水器处，第二级平衡阀设于各楼层连接末端的主干管上，且风机盘管和组合式空调机组分开设置环路。

2.2.2空调末端性能分析

该项目集中空调系统主要服务对象为展厅，展厅空调系统采用一次回风全空气系统。而大温差空调水系统对空调末端的换热能力有一定影响，为此，各主流厂家也对盘管进行了改进。以展厅选用的额定风量25 000 m3/h和60 000 m3/h的组合式空调机组(下称机组1和机组2)为对象，以国内某主流品牌的组合式空调机组性能参数为依据，对比分析进/出水温度6 ℃/15 ℃和常规进/出水温度7 ℃/12 ℃下新风工况和回风工况的换热能力，见表6、7。

表6 组合式空调机组(机组1)不同温差的换热能力对比

2) 回风工况进风干球温度和湿球温度参照文献[4]的回风测试工况进风参数。

以6排管为例，相对7 ℃/12 ℃进/出水温度，当进/出水温度为6 ℃/15 ℃时，新风工况下机组1的全热换热能力和潜热换热能力分别衰减11.23%和12.11%，机组2的全热换热能力和潜热换热能力分别衰减1.78%和1.94%。由此可以看出，新风工况下大温差空调水系统的表冷器全热换热能力和潜热换热能力随进出水温差变化的衰减幅度基本相同。而回风工况下，机组1的全热换热能力和潜热换热能力分别衰减17.64%和36.51%，机组2的全热换热能力和潜热换热能力分别衰减13.91%和28.03%。由此可以看出，回风工况下大温差空调水系统的表冷器潜热换热能力随进出水温差的增加而衰减得更大。

表7 组合式空调机组(机组2)不同温差的换热能力对比

根据焓湿图可得，展厅室内状态点(干球温度25 ℃、相对湿度55%)的等湿状态点为干球温度17 ℃、湿球温度15.9 ℃。因此，大温差空调水系统新风机组的表冷器盘管排数仍可选用6排。

鉴于进出水温差达到9 ℃时，组合式空调机组回风工况下除湿能力衰减幅度较大，为满足机组的除湿能力要求，回风机组的表冷器盘管排数需增加至8排。

大温差空调水系统对于风机盘管换热能力的影响如表8所示。因此，风机盘管选型需要放大20%，以确保供冷能力。

表8 某厂家的大温差风机盘管的制冷修正系数

3 展厅气流组织设计

3.1 展厅气流组织

首先，展览建筑类甲等展厅室内净高不小于12 m[5]，高大展厅高度甚至可达30 m，因此采用分层空调系统可减少空调运行能耗，在气流组织设计良好的情况下可减少30%的冷量[6]。

其次，目前展览类型和展览品种持续增长，对展览的环境要求也随之提高，除温湿度等要求之外，还需要保证展品的安全性。若将风管和风口设在展厅顶部，因屋顶附近的空气露点温度高，在极端天气下容易导致风管表面结露，严重影响展台、参展和观展人员。

再次，该项目展厅均为单层，单个面积大、空间大、体量大，展厅主体采用钢结构框架，利用钢柱支撑屋顶立体桁架。桁架间距18 m，若顶送风管布置在桁架内，则会导致空调主风管与主体钢柱和桁架下弦位置冲突，若风管布置在桁架之间，存在高空施工缺少施工平台、支吊架生根困难、安装施工周期长等不利因素。

最后，因展厅使用的特殊性，展厅内部通常不允许设置风柱等“障碍物”，以确保使用空间的完整和灵活性。

综合以上各因素，该项目展厅(桁架下沿距地面高度为17 m)采用侧送侧回的分层空调系统，送风口和回风口均设在展厅的2个长边，两侧风口距离约97 m，展厅平面图及气流组织分别如图3和图4所示。

图4 气流组织示意图

另外，据该项目美国运营方反馈，侧送风气流对桁架下悬挂广告牌的抖动影响是可接受的，对其广告功能和效果无明显影响。

3.2 送风高度的确定及气流组织模拟

根据国内某主流球形喷口厂商产品规格，球形喷口最大尺寸为D630，对应的最大送风量为6 000 m3/h，根据焓湿图计算，送风温差Δt=8 ℃，人员活动区高度1.7 m，射程45.0 m，采用多股平行非等温射流计算公式组计算[7]，风口安装高度为13.5 m。为改善送风口附近区域的气流组织，下侧球形喷口规格为D400，安装高度拟定为10.0 m。

为了更好地确定送风口高度，并研究展板高度对空调送风气流组织的影响，该项目采用Fluent软件进行模拟，经过多次计算及微调，最终确定送风高度分别为13.5 m和10.5 m。

在实地考察深圳会展中心时，从会展运营方得知，展板的存在是影响展厅气流组织的重要因素，深圳本地对展板的限高为7 m，大多数展览使用的展板高度为3～6 m。

因展板对室内气流组织有一定的阻挡影响，对该项目有/无展板的展厅的气流组织进行了数值模拟。其中，有展板展厅的数值计算模型如图5所示。

图5 有展板展厅气流组织数值模拟计算模型

气流组织模拟结果如图6、7所示。速度场和温度场云图显示：2种模拟工况下的室内平均温度和平均气流速度基本符合设计要求；无展板模拟工况下的室内温度和气流流速分布更为均匀，但室内平均气流流速更高；有展板模拟工况，室内人员活动区在展板处因展板的阻挡而出现局部的涡流，进而导致各展板附近局部气流速度较大。图7显示了人员活动高度多处出现高流速气流，速度约1.5 m/s。

4 特殊场合空调设计

4.1 国际报告厅空调设计

为满足大型国际性质的报告和会议需求，在北登录大厅(A10)设有可容纳1 920人的国际报告厅。

图6 无展板的展厅室内气流组织

图7 有展板的展厅室内气流组织

根据运营方的要求，该报告厅的空调设计应满足室内全年温湿度要求(室内温度24 ℃，相对湿度50%)，且空调系统应设有空气净化措施。

该项目集中空调采用大温差供冷，除湿能力相对较差，在夏季极端天气下，难以满足运营方对室内相对湿度的要求。通常在每年2—4月深圳会出现“回南天”气候，室外空气相对湿度可高达80%～90%(对应干球温度为18～25 ℃)，除湿难度非常大，若采用冷冻除湿难以保证除湿效果，且需要再热以满足室内温度要求。

综合对比深度冷冻除湿、转轮除湿及溶液除湿，并实地考察其他相关项目，该项目最终采用热泵热回收型溶液调湿空调，并内置表冷器(非大温差型)，利用集中空调系统的大温差冷水消除显热，新风及室内空调负荷中的潜热利用溶液进行消除，实现温湿度独立控制，精确控制室内的温度和湿度。

冬天，集中空调冷源关闭的情况下，机组可通过热泵和溶液单元实现加热加湿功能，以满足室内温湿度要求。在“回南天”，机组也可以在集中冷源关闭的情况下实现机组的除湿功能。

因盐溶液具有杀菌除尘(可吸入颗粒物PM10和细颗粒物PM2.5)功能[7]，可代替空气净化器，满足室内的空气品质要求。

4.2 日常使用房间的空调设计

因标准展厅配套用房(办公室、小会议室、洽谈室及卫生间等)的总冷负荷约为展厅负荷的18%，而1#、3#和4#制冷站为常规集中空调系统，为满足配套用房的灵活使用需求，并避免集中空调系统处于低效率运行，A1、A2、C1、C2、A6～A9、C6～C9等标准展厅的配套用房采用VRF+新风系统。

根据建筑功能布局，非展览功能的日常使用房间(办公、会议、餐厅、厨房等)主要集中布置在南、北登录大厅，非办展期间的空调负荷比例较大。为该区域服务的2#和5#制冷站均为蓄冷空调系统，可以通过消防水池在夜间进行蓄冷，白天仅运行空调放冷水泵即可实现制冷功能，充分利用深圳蓄冷空调峰谷电价的优惠政策，节约空调运行费用。

4.3 数据中心的空调设计

该项目在南登录大厅和北登录大厅各设有1个数据中心，采用精密空调维持室内的温度和湿度。

空调末端采用水冷型列间精密空调，设备设置于每列机架之间，采用N+1配置；空调冷源采用风冷式涡旋冷水机组，两用一备；空调水系统采用闭式环状循环管网，满足数据机房区在线维护需求。

5 布展和撤展期间的通风设计

非展览阶段，展厅的空调往往处于非工作状态。据深圳会展中心等已投入使用的会展中心运营方反馈，以往大多数会展建筑的展厅未设置合理的通风系统，导致在布展和撤展期间室内环境闷热且扬尘严重，影响工作人员的身心健康。因此，运营方建议设计阶段对通风量进行严格计算，以改善布展和撤展期间室内的工作环境。

5.1 热平衡通风量计算

重点研究了布展和撤展阶段基于消除余热、满足人员工作环境的通风系统。室外设计参数取夏季通风设计温度31.2 ℃，工作人员的室内环境温度取33.0 ℃[8]。室内热源主要为高度6 m以下的围护结构和室内工作人员，经计算室内显热负荷约280 kW，需通风量约462 000 m3/h，设计选用8台单台通风量65 000 m3/h的低噪声变频离心风机，室内换气次数约2 h-1。

因布展和撤展期间展厅进出货车的大门均敞开，故送风系统利用大门洞口自然进风，门洞口总面积为432 m2，进风风速约为0.3 m/s。

5.2 除尘量校核

布展和撤展期间室内空气污染物主要为PM10，表9给出了深圳生态环境局公布的近5年PM10的全年平均质量浓度监测值，5年平均值为46.6 μg/m3，而工作场所室内PM10的质量浓度为0.15 mg/m3[9]。经计算，每小时可消除的PM10总量约54 kg，即在布展和撤展期间，每小时可消除室内装饰材料产生的约54 kg发尘量，大大改善了室内卫生条件和工作环境。

表9 2014—2018年深圳室外空气PM10年平均质量浓度 μg/m3

因该项目展厅空调系统均可全新风运行，排风系统也兼作展览期间空调过渡季通风用途。

6 实际运行效果

深圳国际会展中心自2019年9月竣工并投入使用以来，多次成功举办了宝安区产业发展博览会、深圳国际智能装备产业博览会、2019大湾区工业博览会等各类展览会，各空调系统和通风系统运行效果良好，得到运营单位和各参展单位的好评。

2019年11月26—29日，深圳国际会展中心迎来了自运营以来最大规模的展会——2019大湾区工业博览会，使用了10个标准展厅和南登录大厅，分设十大主题，总展览面积达到20万m2，如图8、9所示。展览期间白天深圳室外气温约为24～27 ℃。每隔1～2 h对展厅内多个点室内温度进行测试，取平均值，室内平均温度为21.5～24.5 ℃。

图8 2019大湾区工业博览会展厅分布

图9 2019大湾区工业博览会展厅现场

7 结语

1) 该项目共设置了5个区域制冷站，其中3个为常规式制冷站，2个为基于消防水池的蓄冷式制冷站。为实现全寿命周期的高效节能，所有制冷主机均选用变频机组。

2) 该项目采用6 ℃/15 ℃的一级泵变流量空调水系统，与传统的7 ℃/12 ℃供/回水温度相比，对新风工况下空调机组表冷器的全热换热能力及潜热换热能力影响较小；但回风工况下，潜热换热能力比全热换热能力的衰减幅度更大。因此，回风工况的机组的表冷器盘管排数应适当增加，以满足室内的除湿需求。而风机盘管的选型应放大20%。

3) 展厅气流组织采用侧送侧回形式，通过专业气流组织模拟软件Fluent优化确定送风口高度，以获取最佳空调效果。

4) 针对国际报告厅的空调负荷特性及运营要求，设计了可满足全年工况室内温湿度要求的空调系统——热泵热回收式溶液调湿空调系统。

5) 展厅多功能排风系统的设计同时兼顾了布展和撤展满足工作人员卫生要求、过渡季展览期间室内空调全新风运行要求，既可改善目前会展建筑布展和撤展期间的工作环境，也为实现过渡季空调系统全新风运行创造了良好条件。