東、西人工島主體建筑夏季逐時冷負(fù)荷分析及空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計

許偉航，馮志強(qiáng)

（中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，廣東 廣州 510230）

0 引言

港珠澳大橋橋隧轉(zhuǎn)換人工島位于伶仃洋出海口，東、西人工島結(jié)合非通航孔橋和海底隧道實現(xiàn)橋隧轉(zhuǎn)換，島上建筑房建工程是島隧工程的配套設(shè)施，屬于港珠澳大橋房建工程標(biāo)段的一部分，主體建筑主要包括：隧道通風(fēng)排煙設(shè)施、供配電設(shè)施、消防救援設(shè)施；樓內(nèi)高速養(yǎng)護(hù)配置與各種行政機(jī)構(gòu)的辦公設(shè)施；東島商業(yè)等綜合服務(wù)設(shè)施，島上市政公用設(shè)施等。地處外海高溫高濕高鹽地區(qū)，夏季空調(diào)逐時冷負(fù)荷是空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計的重要依據(jù)，空調(diào)系統(tǒng)除了保障島上工作人員和游客的舒適性環(huán)境外，還保障隧道通風(fēng)安全的電氣設(shè)備用房制冷降溫，因此為功能復(fù)雜的主體建筑進(jìn)行空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計是一項重要且不同尋常的工作。

1 項目概況

港珠澳大橋東島主體建筑面積為41 133 m2，高度23.6 m，地下2層，地上4層，其中地下二層為設(shè)備用房，地下一層為車庫，首層為辦公區(qū)，二、三層為商業(yè)預(yù)留，四層為模型館。西島主體建筑面積32 122 m2，高度20.2 m，地下2層，地上3層，其中地下二層為設(shè)備用房，地下一層為車庫，首層為辦公區(qū)，二、三層為員工宿舍和辦公區(qū)。東、西人工島主體建筑均位于隧道暗埋段之上，與隧道結(jié)構(gòu)一體，兩島主體建筑隔海相望，建筑外形相似，方向相反。

2 空調(diào)冷負(fù)荷

2.1 設(shè)計參數(shù)

本項目毗鄰香港國際機(jī)場，室外計算參數(shù)參考香港地區(qū)，同時結(jié)合成島后3 a的觀測數(shù)據(jù)確定室外計算參數(shù)。

室外設(shè)計計算參數(shù)如表1所示。

表1 室外設(shè)計計算參數(shù)Table 1 Outdoor design&calculation parameters

室內(nèi)參數(shù)設(shè)計需考慮港澳人員工作習(xí)慣，表2是收集的三地以及相似區(qū)域的室內(nèi)設(shè)計溫度，室內(nèi)參數(shù)按三地標(biāo)準(zhǔn)就高不就低原則選取。

表2 室內(nèi)設(shè)計計算參數(shù)Table 2 Indoor design&calculation parameters

最終確定計算負(fù)荷時按室內(nèi)溫度24℃，相對濕度55%計算。

2.2 夏季逐時冷負(fù)荷組成

通過對兩島主體建筑夏季逐時冷負(fù)荷計算，主體建筑的空調(diào)冷負(fù)荷主要是由以下得熱量轉(zhuǎn)化而來：

1）通過外圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳入房間內(nèi)的熱量（約占總冷負(fù)荷10%）；

2）透過外窗進(jìn)入室內(nèi)的太陽輻射熱量（約占總冷負(fù)荷15%）；

3）新風(fēng)負(fù)荷（約占總冷負(fù)荷35%～40%）；

4）人體的散熱量（約占總冷負(fù)荷5%～10%）；

5）設(shè)備、家用電器或房間其他熱源所散出的熱量；

6）照明散熱量；

7）食物散熱量。

其中通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)入的不穩(wěn)定傳熱量、透過透明玻璃外窗進(jìn)入的太陽輻射熱量、人體的散熱量以及非全天使用的設(shè)備、照明燈具的散熱量等形成的冷負(fù)荷，應(yīng)按不穩(wěn)定傳熱方法計算；不應(yīng)把這些得熱量的逐時值直接作為相應(yīng)時刻冷負(fù)荷的即時值。

2.3 夏季逐時冷負(fù)荷分析

由逐時冷負(fù)荷計算可得，東、西島主體建筑空調(diào)逐時冷負(fù)荷曲線圖，東島空調(diào)冷負(fù)荷高峰出現(xiàn)在15∶00，見圖1。西島空調(diào)冷負(fù)荷高峰出現(xiàn)在9∶00，見圖2。東、西人工島主體建筑空調(diào)冷負(fù)荷高峰差異主要有3個原因：

圖1 東島主體建筑空調(diào)冷負(fù)荷曲線Fig.1 Air conditioning cooling load curve of east island main building

圖2 西島主體建筑空調(diào)冷負(fù)荷曲線Fig.2 Air conditioning cooling load curve of west island main building

1）東、西人工島主體建筑的使用空間都主要集中在島頭，西島島尾的大斜板和東島島尾的大臺階下幾乎沒有空調(diào)房間（由于房間不規(guī)則，作其他用途），但這些房間對內(nèi)部的房間有保溫效應(yīng)，因此島頭房間冷負(fù)荷對圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱量和太陽輻射較為敏感，而島尾的房間沒有太陽輻射得熱，且對圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱量不敏感。

2）東、西島主體建筑都采用大面積玻璃幕墻，玻璃幕墻輻射熱跟太陽的高度、角度密切相關(guān)，輻射熱通過室內(nèi)物體的吸收、再放熱的過程間接轉(zhuǎn)化為冷負(fù)荷，轉(zhuǎn)化的過程中存在一定的衰減和延滯現(xiàn)象，使得冷負(fù)荷的峰值小于得熱量的峰值，冷負(fù)荷峰值的出現(xiàn)時間晚于得熱量峰值的出現(xiàn)時間。

3）東、西島主體建筑外形相似，方向相反。西島主體建筑的島頭是朝東，上午的太陽對著島頭直射，見圖3；東島主體建筑的島頭是朝西，下午的太陽對著島頭直射，見圖4。

圖3 時刻9∶00太陽照射情況Fig.3 Sun exposure(9:00)

圖4 時刻15∶00太陽照射情況Fig.4 Sun exposure(15:00)

由此可見，東島主體建筑的冷負(fù)荷高峰值出現(xiàn)在15∶00，西島主體建筑的冷負(fù)荷高峰值出現(xiàn)在9∶00，與逐時冷負(fù)荷計算結(jié)果基本相符。

3 空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計

3.1 空調(diào)冷熱源

根據(jù)空調(diào)逐時冷負(fù)荷計算結(jié)果，東島主體空調(diào)冷負(fù)荷為4 350 kW，（其中地下室部分270 kW，地面部分為4 080 kW），選用4臺（其中2臺分期實施）制冷量為1 135 kW的螺桿式冷水機(jī)組，放置在負(fù)一層冷水機(jī)房，冷卻塔放置在屋面。西島主體建筑空調(diào)冷負(fù)荷為2 196 kW，（其中地下室部分為441 kW，地面部分為1 755 kW），選用2臺制冷量為1 126 kW的螺桿式冷水機(jī)組，放置在負(fù)一層冷水機(jī)房，冷卻塔放置在室外地面。房建網(wǎng)絡(luò)機(jī)房采用恒溫恒濕空調(diào)機(jī)組；東員工休息室設(shè)置獨(dú)立的多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)；同時為了保障隧道安全，地下二層電氣設(shè)備用房及監(jiān)控設(shè)備機(jī)房設(shè)有獨(dú)立的VRV多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)作為備用空調(diào)。

3.2 空調(diào)水系統(tǒng)

東、西島主體建筑空調(diào)水系統(tǒng)都采用兩管制一次泵定流量異程系統(tǒng)，空調(diào)冷水供/回水溫7/12°C，水系統(tǒng)采用全自動定壓補(bǔ)水罐進(jìn)行補(bǔ)水、定壓。其中東人工島水系統(tǒng)分為3個環(huán)路，一個環(huán)路為負(fù)二層35 kV干式變壓器室/35 kV高壓室、消防泵房控制室等設(shè)備房；一個環(huán)路為地面部分西側(cè)商業(yè)預(yù)留及首層設(shè)備用房等房間；還有一個環(huán)路為地面部分東側(cè)辦公室、食堂及東側(cè)商業(yè)預(yù)留等房間。西人工島水系統(tǒng)也分為3個環(huán)路，一個環(huán)路為負(fù)二層北側(cè)消防泵房控制室等設(shè)備房；一個環(huán)路為負(fù)二層南側(cè)35 kV干式變壓器室/35 kV高壓室等設(shè)備房；地面部分為一個環(huán)路。

3.3 空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)

1）建筑物內(nèi)如35 kV干式變壓器室/35 kV高壓室、10 kV高壓室/接地變室、風(fēng)機(jī)變壓器室/軸流風(fēng)機(jī)配電室等發(fā)熱量較大的電氣設(shè)備房，采用一次回風(fēng)全空氣空調(diào)系統(tǒng)，空調(diào)機(jī)組設(shè)在空調(diào)機(jī)房內(nèi)。

2）辦公區(qū)域小空間采用風(fēng)機(jī)盤管加新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)，新風(fēng)機(jī)及回排風(fēng)機(jī)設(shè)在一層空調(diào)機(jī)房內(nèi)。

3）大空間如多功能廳、模型館、門廳等區(qū)域采用一次回風(fēng)全空氣空調(diào)系統(tǒng)，空調(diào)機(jī)組設(shè)在空調(diào)機(jī)房內(nèi)。

3.4 空調(diào)控制策略

空調(diào)系統(tǒng)能耗約占整個建筑物能耗的45%，空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計一般按最大計算冷負(fù)荷來選擇冷水機(jī)組，但實際運(yùn)行于最大負(fù)荷工況的時間頻率是很少的，大多集中在額定負(fù)荷20%～70%的負(fù)荷段。根據(jù)負(fù)荷的變化，通過群控策略來控制冷水機(jī)組的投運(yùn)，合理控制冷水機(jī)組的運(yùn)行臺數(shù)的加/卸載，有利于整個空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能。

通常的控制策略是以空調(diào)的負(fù)荷來控制冷水機(jī)組的啟停，基本上未考慮單臺冷水機(jī)組的COP（制冷性能系數(shù)），根據(jù)夏季逐時冷負(fù)荷分析，兩島的冷負(fù)荷高峰期出現(xiàn)在不同的時間段，相對應(yīng)的主機(jī)控制方式也不相同，西島的最大冷負(fù)荷出現(xiàn)在上午9∶00，可在上午提前加載冷水機(jī)組，在單機(jī)最佳切換點(diǎn)切換2臺冷水機(jī)組，使得在線運(yùn)行的冷水機(jī)組的負(fù)荷率為63.3%～82.5%，在這個負(fù)荷段，冷水機(jī)組有較高的COP。盡量使冷水機(jī)組保持在最佳負(fù)荷率的工作狀態(tài)，從而提高整個冷水機(jī)組的工作效率。

由空調(diào)冷負(fù)荷構(gòu)成可知新風(fēng)冷負(fù)荷占了大部分的空調(diào)冷負(fù)荷，對發(fā)熱量較大的電氣設(shè)備用房、大空間區(qū)域空調(diào)季節(jié)最小新風(fēng)量運(yùn)行，過渡季節(jié)在室外空氣質(zhì)量合適的情況下全送全排，最大限度利用室外空氣降溫。

4 結(jié)語

港珠澳大橋東、西人工島主體建筑外形獨(dú)特，主體建筑豎向位于人工島隧道暗埋段上，平面圍繞隧道通排風(fēng)防排煙孔布置，兩島主體建筑雖然位置相近，外形相似，但朝向不同，夏季逐時冷負(fù)荷的高峰期也不同，在設(shè)計時應(yīng)對建筑方案進(jìn)行分析，得出適合本建筑的空調(diào)控制策略。同時因所處地區(qū)空氣相對濕度較高，新風(fēng)冷負(fù)荷在空調(diào)總冷負(fù)荷中占有更高的比重，新風(fēng)策略的不同直接影響到空調(diào)使用效果，設(shè)計時既要保證空調(diào)區(qū)域的舒適度要求，也要做到綠色節(jié)能。