北京某交通枢纽暖通空调设计及若干问题思考

王平

北京市市政工程设计研究总院有限公司

1 工程概况

本工程为北京市某综合交通枢纽工程（图1），该交通枢纽主楼按不同功能分为东楼，北楼和南楼三个体块，总建筑面积88122.57 m2，其中地上建筑面积50014.09 m2，地下建筑面积38108.48 m2。其中东楼地上一层为换乘厅、候车厅，层高达到10 m 左右，属于高大空间，地下两层主要为地下停车库及设备用房。南楼地下两层，地上六层，其中地下二层为停车库，冷水机房和消防泵房也在地下二层，地下一层主要功能区有停车库、锅炉房和变配电室，地上层主要有到车区、商业区、餐饮区、办公区、宿舍区。北楼地下一层，地上四层，其中地下一层主要为办公区、厨房、变配电室，地上一层为发车区，其他为办公区。

图1 北京市某交通枢纽工程

2 冷热源及空调系统介绍

2.1 冷热源

本工程空调冷源采用电制冷冷水机组+冷却塔的方式，在南楼地下二层空调冷水机房内设置三台离心式冷水机组，冷水机组夏季空调冷冻水的冷媒参数为7/12 ℃，冷却塔设置于南楼屋顶，冷却水供回水温度32/37 ℃。本工程室内空调系统冬季采暖热源为设置在枢纽南楼地下一层锅炉内的两台燃气热水锅炉，一次热水热媒参数为85/60 ℃。经板式换热器换热后，冬季空调热水的热媒参数为60/45 ℃。

2.2 空调水系统

空调水系统为二级泵系统，二级泵系统在分集水器处按南北楼、东楼高大空间空调机组、东楼地板采暖系统划分为三个支路（图2）。

图2 冷水机房系统原理图

2.3 空调风系统

根据建筑功能的划分，并考虑系统的管理方便和运行安全可靠，本工程空调系统主要设置了两套系统，即低风速一次回风全空气空调系统和风机盘管加新风系统（图3）。系统划分如下：东楼首层换乘厅、候车厅为高大空间，空调系统采用一次回风全空气空调系统，全空气系统采用可变新风比，过渡季可采用全新风送风。其他各空调房间均采用风机盘管加新风系统，达到操控灵活，并可同时满足对室内温湿度的不同要求。

图3 空调系统平面图

其他特殊房间采用相应的空调形式，枢纽主楼卫生间、设备用房等冬季采暖采用落地安装风机盘管系统。枢纽东楼候车换乘大厅冬季设低温地板辐射供暖，与空调系统互为补充。南北楼地下一层主副变配电室、弱电机房设置变频多联式中央变频空调系统，作为消除室内余热通风系统的补充，多联机室外机均设置在屋顶。设备机房及电源室设计机房专用空调，消除室内设备余热，室外机设于屋顶上。

2.4 通风与防排烟系统

地下层汽车库，锅炉房，变配电室，设备泵房，厨房操作间等分别设置机械送、排风系统。地下层汽车库按每个防火分区设置一套机械排烟和机械补风系统；对不具备自然排烟条件的封闭楼梯间及合用前室均设置机械加压送风的防烟设施。地下室的内走道和各房间总面积超过200 m2或单个房间面积超过50 m2，且经常有人停留或可燃物较多的房间设置机械排烟系统。

枢纽东楼换乘厅及长途候车厅，梁下最低点为12.6 m，为高大空间，整体采用自然排烟系统。由于该空间已超过12 m，其自然排烟口的有效面积需经计算确定。通过特殊消防设计，提出自然排烟设置方案，并进行模拟论证分析，以确保自然排烟设置方案的合理性及有效性。

3 暖通设计难点及解决方法

3.1 二次泵系统的选择

据统计，空调冷/热水输配系统的能耗大约占整个空调系统能耗的15%～20%，优化设计水力输配系统以减少水泵运转能耗，对建筑节能有着重要意义。依据《公共建筑节能设计标准》（GB50189-2015）可知“系统作用半径较大、设计水流阻力较高的大型工程，空调冷水宜采用变流量二级泵系统。当各环路的设计水温一致且设计水流阻力接近时，二级泵宜集中设置；当环路的设计水流阻力相差较大或各系统水温或温差要求不同时，宜按区域或系统分别设置二级泵”。

根据前面介绍，本工程冷水机房设置于南楼地下二层，冷水机房的没有设置在负荷中心位置。在选配空调冷（热）水系统的循环水泵时，应计算空调冷（热）水系统耗电输冷（热）比[EC(H)R-a]，计算结果如表1（以东楼为例）所示，从表中可知，采用一级泵系统，空调水系统耗电输热比EC(H)R 不满足要求，二级泵系统的空调水系统耗电输冷（热）比EC(H)R 均满足要求。因此本工程可考虑采用二级泵系统。

表1 空调水系统耗电输冷(热)比EC(H)R-a 计算

根据计算得知：北楼空调水环路阻力为：0.12 MPa，南楼空调水环路阻力为0.13 MPa，东楼空调水环路阻力为0.22 MPa，冬季地板采暖水环路阻力为0.12 MPa。从文献[1]可知：5 m 可作为“阻力相差悬殊”的界限，因此本工程宜分区域设置二级泵系统，其中南、北楼环路阻力相差不大，集中设置一套二级泵。东楼与其他区域阻力差值超过5 m，单独设置一套二级泵。东楼冬季地板采暖系统由于供暖水温低于散热器供暖甚至空调供暖的常规水温，采用二级混水泵和混水三通阀的直接串联系统。

从上面分析可知，现代交通枢纽占地面积大、功能复杂且多样化，一般根据功能划分不同区域，当同一供冷站或供热站为不同区域服务时，若主机未设在建筑中心或负荷中心，或各区域距离相差较远,使得各环路阻力相差悬殊,则可分区域分环路按阻力大小设置和选择二级泵,比设置一组二级泵更节能。应注意，不同区域划分或者不同使用时间段并不意味着需要分区域设置多套二级泵，例如本工程南、北楼就共用了一套二级泵。正如文献[1]所述，若阻力相差不大且要求水温一致，选用一套二级泵更加合理，这样可有效避免低负荷时大流量小温差的情况，即减少了投资且较节能。

3.2 高大空间射流角度优化设计

对于高大空间，分层空调是采用比较广泛的一种空调方式，分层空调是指仅对下部区域进行空调，而对上部区域不空调的空调方式，与全室空调相比，因而节省初投资和运行能耗。分层空调通常采用喷口送风方式，做法是将喷口安装在空间的周边侧墙，以4～12 m/s 的速度、8～12 ℃的温差及一定的角度射流，经气流衰减，使回流经过人员活动区带走热量和湿量。在本工程中，对于换乘厅这种跨度较大（50 m）且高大空间采用了双侧对喷的送风方式。从资料调研发现，喷射角度是影响送风效果的关键因素。在设计中，利用Fluent 对不同送风角度下，换乘厅的速度场及温度场进行了模拟计算，得到了空气流速及温度的分布，分析研究了不同送风角度对室内气流流动与温度分布的影响。

3.2.1 构建模型

设计情况：东楼换乘厅跨距为50 m，两侧设置对喷球形风口，喷头间距为2.4 m，喷口高度为4.5 m，喷口采用妥思DUK 型球形风口400，单个出风量为1500 m3/h，射程32 m，具体见图4。

图4 枢纽候车厅双侧对喷空调平面图

构建CFD 模型如图5 所示：

图5 CFD 构建模型

3.2.2 模拟结果

由于空间大而高，气流之间相互影响较大，因而不同的射流角度所产生的人员区（1.5 m 高）温度速度分布不尽相同。在此，分别计算了0°、5°、10°、15°向下射流时，高度为1.5 m 的水平温度分布（以夏季供冷工况为例）。

由图6 可看出，水平射流或者向下角度较小时，由于冷空气与上部热空气混合后向上流动，未能回流至下部空间，造成1.5 m 高度处平均温度较高，且靠近外墙位置温度高达31℃。随着射流角度向下，1.5 m 高度处平均温度逐渐降低。当向下15°射流时，温度分布均匀，且外墙边温度也较适宜。可见射流角度增加，对1.5 m 人员活动区温度分布有利，与文献[2]结论一致。由文献[2]可知，当送风角度在向下15～30°时，送风射流有可能与地面碰撞，射流仍具有较大动量并以较大的动量折回空气中，使得冷射流混乱加剧，有可能无法满足室内设计参数的要求。因此，结合模拟结果及参考文献，推荐15°向下射流为较合理的射流角度。

图6 CFD 模拟结果(1.5 m 高度处温度分布)

这种分层空调系统用于夏季工况能出现比较明显的分层效果，并且能够较好的满足室内舒适性要求。若冬季工况仍采用该分层空调系统，由于冬季热空气上浮现象严重，则该系统不适用于冬季。因此，本工程采用地板采暖系统辅助分层空调系统，以保证冬季的舒适性。

3.3 地下汽车库通风排烟系统的思考

3.3.1 排烟方式

由文献[3]可知，常见的汽车库通风排烟主要方式有：1）排风、排烟系统完全分开。2）排风、排烟系统合用管道。3）排风、排烟系统合用风机。4）排烟系统+诱导通风系统。本工程采用了方式3+方式4，采用双速风机为平时通风和排烟合用，采用诱导风机系统可以减少管道尺寸（排烟风速大），节省停车库上部空间，提高地下车库净高正是业主所希望的。

3.3.2 排烟量

根据最新《汽车库、修车库、停车库设计防火规范》GB50067-2014[4]可知：每个防烟分区排烟量与车库净高相关，例如本工程净高为4.0 m，则每个防烟风区的排烟量为31500 m3/h。为了节省投资和空间，本工程采用2 个防烟分区合用1 套机械排烟兼排风系统，火灾及车流高峰时风机高速运行，车流较少时风机低速运行。但对于这种合用方式，规范中没有明确排烟量的计算方法。根据文献[5]可知，有专家建议多个防火分区合用一台排烟风机时，其风量可按最大一个防烟风区的排烟量和风管的漏风量，加上其他未开启排烟阀或排烟口的漏风量之和计算。在设计中考虑到若火灾正好发生在防烟分隔附近，烟气有可能蔓延到两个防烟分区内。从安全性上考虑，本工程的排烟量计算按两个防烟分区排烟量叠加，当发生火灾时，两个防烟分区内的排烟口同时开启。

4 设计后期的若干问题分析

目前本工程正处于设备安装阶段，在施工配合过程中，也发现了不少问题值得注意。结合在设备安装阶段遇到的问题，下面将阐述在大型交通枢纽综合体设计中易被忽略的一些问题，并希望引起注意。

4.1 空气热回收问题

根据北京市节能要求[6]，全楼中对室内空气进行冷/热循环处理的末端设备加集中新风系统的空调系统，其设计最小新风总风量≥40000 m3/h 时，应有相当于总新风送风量至少25%的排风设置集中排风系统，并进行能量回收。

本工程总新风量超过40000 m3/h，因此设置了热回收系统，并对每个空调区风机盘管加新风系统新风进行热回收，集中排风比例按每个空调区新风量的25%考虑，并根据热回收处理排风量选择了空气热回收机组。这样就造成了目前面临的一个问题：市场上现有的空气能量回收装置排风量与新风量比值≥0.75，按照设计，则需要排风量与新风量比值为0.25，按热回收处理排风量选择的空气热回收机组的新风量偏小，不能满足要求。究其原因就在于对规范的理解存在误区，对总新风送风量至少25%的排风设置集中排风系统并不意味对每个空调区都要设置热回收系统，可以某几个空调区对75%新风量进行热回收，某几个不设置热回收，使得热回收处理排风量大于总新风送风量的25%，就满足规范要求。

4.2 吊顶高度问题

吊顶高度一般由建筑专业考虑，但是会发现在设计中起决定作用是设备专业的管线，尤其空调风管尺寸。如果设计不合理就会造成吊顶高度偏低，甚至不满足要求或者管线打架严重。因此在设计中各设备专业（电、暖、水）应相互配合，确定各自的路由，避免设计后期管线打架严重和设计返工。建筑专业确定吊顶高度时，应首先根据设备专业的管线综合，合理确定吊顶高度。同时，设备专业应根据建筑功能、建筑需求合理选择设计方式。例如在本工程中有许多区域考虑后期的商业功能，这就要求吊顶高度尽量提高。在初期设计中只是按照枢纽办公要求，吊顶高度保持在2.4 m 左右，这高度对于商业功能区域就偏低了。到设计装修阶段，就要求尽量提高吊顶高度，为了提高吊顶高度多处下送下回空调系统更改为侧送侧回方式。对于吊顶高度等类似问题，设备专业与建筑专业应相互配合，已满足建筑功能的要求。

4.3 屋顶设备基础高度

在施工图设计中，需要给结构专业提供屋顶设备基础高度以便于其进行荷载计算，但是在实际设计中由于基础高度没有明文规定，这就使得其变成一个易被忽略的问题，有时也会采取随意标注高度500 mm、高出完成面200 mm 等不负责的做法。屋面设备，包括风机，在保证便于安装的前提下，基础高度的作用主要是防止屋面积水浸湿设备机座。在本工程设计中，屋顶基础高度的确定主要考虑三个因素。一是建筑完成面高度，因为设备基础一般都坐落在结构基础上，设备基础应高出建筑完成面。二是屋面积水高度，在排水不利条件下，屋面可能会发生积水。考虑安全、可靠的基础上，设备基础高度应考虑积水高度，积水高度可根据相应计算得到，设备基础高度可能随建筑坡度变化，特别在积水低点处设备基础高度最高。三是屋面防水卷材上翻高度，根据建筑要求，上翻高度需要高于积水高度200 mm。综合考虑这三个因素确定了屋顶设备基础的高度，根据不同工程，设备基础高度存在差异，这里希望给大家提供一个参考。

5 结论

随着城市的发展，大城市交通枢纽的功能不再单一化，它可集商业、餐饮、办公、轨道交通于一身的综合体，为了可以更好地满足人员的舒适性要求以及多种功能的需要，合理设计暖通空调系统具有非常大的重要性。通过此案例分析了大型交通枢纽暖通空调系统设计中的各种设计因素，使得交通枢纽的空调通风系统与其多样化的建筑功能合理结合。同时在本工程设计中采用了包括：过渡季节直接引用室外空气作全新风运行。二次泵系统。高大空间射流角度优化设计；全热回收等节能技术。在安全、可靠、使用灵活、满足温湿度及其他环境要求的基础上，实现了减少交通枢纽空调系统投资、降低运行费用的目的。