大型多层地下空间空气品质控制及整体性系统设计初探

钟 乐

(华东建筑设计研究院有限公司,上海)

0 引言

随着建筑多元化的发展,地下空间的规模性与功能性不断增加,与地上建筑组成现代整体建筑。大型多层地下空间不仅保持着车库、人防、设备用房等传统建筑功能,还承担着地下交通、商业、配套服务等新建筑需求。本文结合某大型多层地下空间项目中E段的实际情况,通过分析车库及快速公共交通区域内空气有害物情况及全年各时段室外温湿度不同状态,基于室内温湿度与室外进风口处露点温度的差值,制定合理的空气环境品质控制措施;探讨真空垃圾统一收集系统的架构及运行方式、各组成部分的设置要求、设备安装空间的设计注意事项;以该地下空间集中冷热源系统中服务于建筑高度为300 m的地上超高层办公建筑的空调水系统为例,介绍集中冷热源系统在此类项目中的优势。

1 工程概况

该地块项目为大型多层地下空间建筑,建筑总面积约为150万m2,依照分批建设的原则分为若干区段。以E段地下空间为例,其建筑面积为20.66万m2,共有7个楼层：地下6层为地铁站台层,地下5层为地铁设备层,地下4层为地铁站厅层(部分区域为地下4层和地下3层挑空),地下3层和地下2层为停车库、地下环路车道及设备用房(包含人防),地下1层为商业、餐饮,地下1层夹层为非机动车库、辅助用房及设备用房等,具体剖面图见图1。

图1 E段地下空间剖面示意图

2 地下空间车库及快速公共交通区域空气环境品质控制

设有舒适性空调的商业、服务用房等区域,在相对成熟的空调系统和自控系统的协同工作下,可实现令人相对满意的空气环境品质,但地下空间中车库区域的空气品质常被忽视。该大型多层地下空间中车库与相邻的车库配套服务区形成复合多样的建筑功能,通过设于地下2层环路中的快速公共电瓶车道,实现各区段在地下空间内的公共交通互通。对车库及快速公共交通区域的空气环境品质进行合理、有效控制是实现地下空间建筑功能多样性的保障。

2.1 有害物浓度控制

地下空间车库内有害物主要来自于机动车启动、怠速和刹车时产生的发动机尾气,其主要成分为燃油未完全燃烧而生成的CO、SO2、NOx、CmHn、甲醛和苯等。GB 50736—2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》条文说明第6.3.8条指出：采用CO作为有害物浓度控制参数,并按30 mg/m3作为控制限值[1]。而且随着绿色建筑的普及,地下车库设置与排风设备联动的CO浓度监测装置才可满足GB/T 50378—2019《绿色建筑评价标准》第5.1.9条所规定的控制项要求[2]。该项目车库按每300 m2设置1个CO传感器,同一防烟分区内的传感器形成1组系统,并将传感器信号传至系统主机统筹控制,以满足有害物浓度控制及绿色建筑评价要求。

2.2 温湿度及防结露措施

通过对该项目所在地附近已投入运营的地下车库项目进行走访,得知该地下车库在闷热的夏季或者梅雨季节,时常会出现地面潮湿、管线结露、墙面发霉等现象。不仅造成人员的不适感,还会造成行车因积水出现打滑、管线因结露造成短路、墙面因潮湿而产生霉菌等隐患。该地下车库潮湿并易出现结露的主要原因为：

1) 此片区项目均靠近长江,地下车库因贴邻湿冷的土壤,外墙面、地面湿度较大,局部墙面和地面表面长期保持潮湿状态,使地下空间长期处于湿冷状态。

2) 该项目所在地区的室外空气温湿度较高,通过机械通风或自然风压流动带入地下的湿空气较多。项目所在地南京地区1980—2010年室外平均相对湿度较大[3],夏季平均相对湿度基本保持在80%左右,春季、秋季、冬季也基本在70%以上;根据GB 50736—2012附录A可查得南京夏季通风室外计算温度为31.2 ℃。按通风干球温度31.2 ℃、相对湿度80%,可粗略计算得到夏季室外新风的平均露点温度约为27.3 ℃。

综上,该地区夏季常年室外露点温度处于较高的水平,而地下空间内的外墙面、地面因贴邻富含地下水的土壤,一直保持着湿度大且温度较低的状态,一旦外墙面、地面的温度低于进入地下室空气的露点温度,即会出现结露现象。梅雨季节时室外空气温度虽然不高但湿度极高,地下空间更为湿冷,地下车库更容易发生结露现象。其余季节除个别年份外,室外相对湿度也保持在70%左右的高值,在暴雨或温度骤变的天气下,亦会出现结露现象。

经过对已建成项目的总结分析,大型多层地下空间项目采用以下措施,用于防止结露现象的产生。

1) 对重点区域增加隔热措施以提高其表面温度：① 靠近出入口的风管、桥架增加外隔热包裹;② 贴邻室外土壤的外墙面、地面增加内隔热涂料;③ 金属材质的指示牌、风口、灯具等更换为塑料材质。

2) 合理布置地下通风系统：① 排风口在不留排风死角的前提下,设置风口数量时向集水坑、冷水机房、锅炉房、水泵房等重点区域倾斜,在这些区域附近多设排风口,将产生的湿空气快速排出。② 通风系统常只设置1处补风口进行集中补风,该做法使大量潮湿的室外空气被送入同一区域,增加该区域的结露风险。增加补风口数量,将集中在1处的补风口拆分为3～4个补风点进行分散送风,且补风点尽量设置在车库内部,远离外墙面及集水坑、冷水机房、锅炉房、水泵房等区域。

3) 加强室内除湿能力：① 在车库内预留除湿机的安装机位、电源接口、排水点位等。除湿机的机位分为固定机位和临时机位2种,固定机位长期放置除湿机,满足随时使用的需求,临时机位可在湿度超标时快速增设除湿机,灵活多变处理实际情况,临时机位需根据实际情况进行规划设置,在靠近外墙面、出入口等结露危险性较大的区域,或人员流动性较大的区域应多设置。② 在人员长时间等待的区域(快速电瓶车候车区、车库服务人员工作区等)设置局部舒适性空调,以保持温湿度恒定。

2.3 综合控制策略

结合地下空间车库区域有害物浓度控制方法和温湿度控制措施进行分析,两者之间有关联但又有部分矛盾。两者都需要通过控制通风量来实现,排出有害物时需要保持一定的通风量,在避免结露时又需控制通风量以避免高温高湿空气大量进入。综合考虑各方面情况并设置合理的控制策略,是保证地下空间车库安全性和舒适性的关键。该项目拟定在以下部位设置探测器：室外进风处设置室外空气温湿度探测器;车库内设置室内温湿度探测器、CO浓度探测器;直接接触土壤的外墙面、地面按点位安装温湿度探测器。以获得实时状态参数作为控制依据,并制定以下综合控制策略：

1) CO质量浓度控制。随着地下空间功能的拓展,地下车库空间及相通配套服务区域内人员的滞留时间更长：如乘坐地下快速公共交通,等待机械立体车库运行,对新能源汽车充电,进行汽车维护、保养等。较长时间地吸入浓度较高的CO对身体健康存在潜在威胁[4],在此类环境中,CO质量浓度低于18.75 mg/m3对人体更为安全[5-7]。且随着新能源汽车数量的增加,车库内CO实际排放量将更低,可能长时间无法达到30 mg/m3的CO质量浓度预设值,车库通风机工作时间较短,也可能导致车库内环境舒适度降低。所以设定当检测到车库室内CO质量浓度高于18 mg/m3时开启风机,处于通风工况;当室内CO回落至5 mg/m3时,风机再继续保持运行10 min后关闭,处于停机工况。

2) 温湿度控制。实时测量室内空气、墙面、地面等保护点位的温度,并与室外进风口处空气露点温度进行对比,当室内保护点位的温度高于进风口处空气露点温度3.0 ℃以上时为安全状态,高于进风口处空气露点温度1.5～3.0 ℃时为黄色预警状态,高于进风口处空气露点温度0～1.5 ℃时为红色预警状态;当室内保护点位的温度低于进风口处空气露点温度时为报警状态。

3) 依据以上内容,通风综合控制措施参照表1实行。

表1 通风综合控制措施

4) 夏季及梅雨季节原则上只在有害物浓度超标的情况下开启车库通风系统,除此之外不进行其他通风。当温湿度监控处于预警及报警时开启出入口风幕机,避免室外的高温高湿空气通过室外风压渗透进入地下空间。

5) 秋季、冬季及除梅雨季节时段的春季,可在早、中、晚高峰时段内定时打开通风系统,加强空气流通。此时相邻防火分区的通风系统可两两交错开启,按每15 min轮换运行。如风机中午高峰期开启的时间为11：00—13：00,A、B 2个相邻防火分区中A的通风系统运行时间段为11：00—11：15,期间B的通风系统处于停机状态;接着关闭A的通风系统,由B的通风系统在11：15—11：30 时间段内独立运行;再关闭B的通风系统,重新开启A的通风系统在11：30—11：45 时间段内运行;如此交替运行至13：00。此举在提升高峰期舒适性的同时,也可达到一定程度的节能效果。

3 地下空间与地上建筑的整体性系统设计

该项目所对应的地上建筑为功能定位较高的超高层办公、五星级酒店及高级公寓等,设置整体性系统可让地下空间与地上建筑相辅相成,共同提升系统的合理性：1) 为满足地下空间对风井、百叶的使用要求,可结合地上建筑、室外楼梯、园林造景等进行百叶与构筑物的一体化设计。在符合规范的要求下,将百叶对地上建筑立面的影响降到最低。2) 依据地上建筑对垃圾收集和空调供能的需求,在地下空间内设置真空垃圾统一收集系统和集中冷热源系统的机房及水平管道,其负压气动真空垃圾管和能源站冷热水供能管可经由地下空间实现整体性系统的搭建。

3.1 真空垃圾统一收集系统设计

办公、酒店及公寓等公共建筑传统垃圾收集、运输的方式为：先由人工汇总至楼栋垃圾收集点,再通过机械、小型车辆运送至区域集中垃圾收集点,最后通过大型市政垃圾车转运走。办公的楼层集中垃圾收集点和酒店、公寓的楼栋集中垃圾收集点即便通过净化系统进行处理,其垃圾暂放处也对建筑环境品质产生一定影响;保洁人员在收集、运输垃圾的过程也难免会出现臭气扩散、污物泄漏等情况,即便能及时清理也将降低人员的舒适性。真空垃圾统一收集系统属于新型整体性的封闭运输垃圾的系统,能够较好地解决以上问题,具体系统流程见图2。

注：5～7集中设置于中央垃圾收集站中。图2 真空垃圾收集系统流程示意图

真空垃圾统一收集系统通过室内垃圾收集点和室外垃圾收集点进行垃圾分类投放,经由竖向收集管道进入底部的临时存储装置。当设置于竖向管道底部的重量传感器探测到暂存于临时存储装置中的垃圾达到一定重量时,或达到预先设定的排放时间时,通过计算机自动控制系统启动终端风机机组,在管道内形成负压气流,将垃圾分种类送入水平输送管道;再通过地块间的管廊垃圾管道,将垃圾快速送至终端的中央垃圾收集站内,整个收运过程高效洁净。中央垃圾收集站内垃圾随空气进入垃圾分离器,固体、液体垃圾从分离器下端进入压实机压实,装入专用垃圾集装箱中,最后通过专用垃圾集装箱转运车转运至城市垃圾处理点;气体从分离器上端进入处理装置后通过原核心建筑的中央垃圾收集站排放至室外。

地下空间在配合真空垃圾统一收集系统进行设计时需考虑以下注意事项。

1) 收集系统竖向管道底部区域需设置控制阀门、排放阀及进风阀等。设计时需要规划好安装该部分设备的设备间。① 设备间需便于控制阀门的清理、检修：控制阀门是垃圾收集系统竖向运输与水平运输的转换部件,当垃圾投放时控制阀门关闭,垃圾暂存在竖直管道的暂存段内;当垃圾需进行水平方向运输时控制阀门开启。因控制阀门需频繁开关且运输物质为垃圾的工作特性,其需要清理、检修的频率较高。② 设备间内需要设有污水收集系统：排放阀设于控制阀底部,其功能是当暂存的垃圾泄漏的水分过多时,可以通过外接一根排水管把阀门底部的大部分污水排放到大楼的污水收集系统,降低传输时大量水分残留在水平管道里的可能性,提高系统的运行稳定性。③ 设备间需要保证进风顺畅：进风阀设置于垃圾收集系统水平管道的端头,并连通水平管道和设备间补风管井,当水平管道内形成负压时,进风阀需要根据终端风机实时风量调整相应开度。进风阀的作用为保证管道内补风量充足,如果补风量无法满足终端风机排风量,轻则导致传输速度降低,噪声增大;重则直接导致系统发生故障。

2) 地块内的水平真空垃圾输送管材质采用3层保护的低碳钢并搭配镍铬耐磨件。由于此处管道尺寸较大且工作时会产生相应振动和噪声,需要提前规划管线路由,减少角度较大的翻弯,避免垃圾堵塞;避开设备管线较密集或有人员久留的区域,减少管道对地下空间净高及人员的影响。

3) 地块至垃圾收集站的总输送管设于地下管廊中。管廊内管道的安装条件需满足后期检修及维护的需求,管廊内需设有摄像机及管道压力传感器等监控设备,实现远程值守。

当真空垃圾统一收集系统管段发生堵塞或系统出现故障时,如垃圾无法及时收集、转运将影响服务区的环境,需制定临时应对方案以保证秩序：1) 室外垃圾收集点可安排保洁人员按固定时间进行逐一收集、转运;2) 地上室内垃圾收集点可参照表2的方案进行紧急情况下的垃圾收集、转运。

表2 地上建筑内紧急情况下垃圾收集、转运方案

3.2 集中冷热源系统设计

对于大体量建筑群,集中设置区域能源站为更高效、合理的冷热源方案。地上建筑无需摆放空气源热泵、冷却塔等影响地上建筑环境的设备;地下空间可不设置冷水机房、锅炉房等面积较大的单体冷热源机房,使地下空间的面积利用更充分;能源站可通过调整各用能单位之间的不平衡率产生规模效应,并通过采用大型高效冷水机组、热回收设备、蓄热水池等设备,提高系统节能性、降低碳排放。该项目能源站通过集中供能管网可实现四管制全年8 760 h的不间断供冷供热,管网端冷水供/回水温度为5 ℃/13 ℃,热水供/回水温度为50 ℃/41 ℃,工作压力为1.0 MPa。

地下空间在集中冷热源系统中实现串联区域能源站和地上各用能建筑的作用,并设置计量、换热、增程等作用的机房,由于能源站内采用二级泵系统,地下空间内同样服务于能源站一次侧供能系统的水泵命名为三级泵。在集中供能管网附近设置能源公司计量间和三级泵的共用机房,地上各用能建筑的换热机房设置于相应建筑投影范围的地下空间内。因为该地下空间体量较大,部分计量间与换热机房距离较远,部分高峰时段能源站提供的资用压力可能无法满足使用要求,此时可根据地块实际情况开启三级泵,保证供能的稳定性。

以服务于地上建筑高度为300 m的超高层办公楼的1#地块空调水系统为例,其竖向系统按承压限制分为3个区,具体见表3。

表3 1#地块空调水系统竖向分区

服务于1#地块的集中冷热源系统的原理图见图3。1) 计量间及三级泵房内可通过阀门的切换实现冬季、夏季工况切换。2) 计量间及三级泵房归能源中心管理,反馈给能源站的数据信号包括供能主管供回水温度、压力,能量表计数,三级泵运行状态;能源站可远程控制冷水供水管、热水供水管上各1处电动阀的开关、三级泵的启停。3) 换热机房为各用能建筑自行管理,相关控制纳入各用能建筑的独立自控系统中。

4 结论

1) 因室外空气温湿度较高,与地下空间外墙面、地面相贴邻的土壤湿度较大等原因,造成地下空间车库潮湿且防结露难度较大。新型地下空间建筑在延续传统停车库的作用外,还承担了区域

图3 1#地块集中冷热源系统原理图

交通、配套服务等新功能,人员在地下空间内停留的时间将增加。伴随着新能源技术的发展,新能源汽车在地下空间车辆中的占比逐渐加大,汽车污染物的排放情况也将发生改变,地下空间车库及快速公共交通区域对污染物浓度的控制将有新要求。可在CO质量浓度不超过18 mg/m3的前提下,根据全年各时段的室外温湿度特点,以实时测量温湿度数据为依据,制定出适用于不同季节或室外状态下的空气环境品质综合控制策略。

2) 依据地上建筑实际使用功能的需求,地下空间内设置服务于地上建筑的真空垃圾统一收集系统、集中冷热源系统等整体性系统。在增加地下空间利用率的同时,避免在地上建筑设置散发异味的垃圾房和产生噪声、废热、振动的空气源热泵或冷却塔,进一步提升地上建筑的品质和使用环境,实现整体性系统设计的价值。