H市圖書館空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

成明

中國(guó)中元國(guó)際工程有限公司 北京 100080

1 工程概況

南寧市圖書館是南寧市公共圖書館，坐落于南寧市五象新區(qū)，玉洞大道與玉象路交叉口的西南側(cè)。總用地面積39891.05m2，項(xiàng)目總建筑面積36109.3m2，其中地上建筑面積26439.33m2，地下建筑面積9669.97m2。建筑高度36m，建筑層數(shù)地上7層，地下1層。南寧市圖書館藏書300萬冊(cè)，閱覽座位約2500個(gè)。功能主要包括藏書區(qū)、借閱區(qū)、咨詢服務(wù)區(qū)、公告活動(dòng)輔助服務(wù)區(qū)、業(yè)務(wù)區(qū)、行政辦公區(qū)、技術(shù)設(shè)備區(qū)、后勤保障區(qū)、其他功能用房等。

2 冷熱源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本工程冷源采用離心冷水機(jī)組搭配風(fēng)冷冷水機(jī)組“兩大兩小”的形式。選用兩臺(tái)離心式冷水機(jī)組，兩臺(tái)螺桿式風(fēng)冷熱泵機(jī)組。風(fēng)冷機(jī)組采用熱泵型可兼顧冬季局部區(qū)域的供熱的需求，同時(shí)能夠滿足三層24小時(shí)運(yùn)營(yíng)區(qū)域所需的空調(diào)冷熱負(fù)荷。

白天優(yōu)先運(yùn)行離心式冷水機(jī)組、夜間優(yōu)先運(yùn)行風(fēng)冷機(jī)組。白天離心機(jī)組啟動(dòng)，如果末端負(fù)荷加大則開啟一臺(tái)風(fēng)冷機(jī)組，如果繼續(xù)加大開啟另一臺(tái)離心機(jī)組，風(fēng)冷機(jī)組停止運(yùn)行；負(fù)荷繼續(xù)加大直到滿負(fù)荷，再陸續(xù)開啟風(fēng)冷機(jī)組。夏季冷凍水供回水溫度為7/12℃。冬季熱水供回水溫度為45/40℃。

3 閱覽區(qū)高大空間空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 空調(diào)系統(tǒng)介紹

圖書館最核心的部分-文獻(xiàn)閱覽區(qū)設(shè)置在3層、4層及6層，其中4，5層及6,7層為高大貫通空間，以4,5層為例，閱覽區(qū)南北長(zhǎng)度90m，東西寬51.2m，高8.8m。設(shè)計(jì)時(shí)將東西分為兩個(gè)區(qū)，共設(shè)置4臺(tái)雙風(fēng)機(jī)組合式空調(diào)機(jī)組，風(fēng)機(jī)配變頻調(diào)速裝置，氣流組織采用上送+側(cè)送下回的方式，側(cè)送風(fēng)風(fēng)口采用噴口，上送風(fēng)風(fēng)口采用條形送風(fēng)口。閱覽區(qū)室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)：夏季25℃，相對(duì)濕度55%。

3.2 空調(diào)夏季工況模擬計(jì)算分析

3.2.1 模型建立

4層閱覽區(qū)南北對(duì)稱，在數(shù)值模擬計(jì)算過程中，取北側(cè)部分來進(jìn)行模擬，以下模擬分析均以一半的模型為依據(jù)。4層閱覽區(qū)北側(cè)玻璃幕墻長(zhǎng)90.2m，南北側(cè)玻璃幕墻長(zhǎng)18.65m，空間高度8.8m，南側(cè)中間3.0m～4.7m處為5層局部樓板及吊頂空間。

空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)風(fēng)口數(shù)量及位置如下：屋頂共設(shè)置60個(gè)條形送風(fēng)口，單個(gè)風(fēng)口尺寸為200mm×800mm。中部吊頂區(qū)域設(shè)置41個(gè)球形噴口，噴口尺寸為Φ315。樓板底面設(shè)置6個(gè)回風(fēng)口，風(fēng)口尺寸為1500mm×1000mm；室內(nèi)共布置26個(gè)書架，尺寸為450mm×7000mm×1800mm。布置17個(gè)小型書桌，尺寸為1800mm×900mm×800mm。布置8個(gè)大型書桌，尺寸為4500mm×1000mm×800mm；室內(nèi)共設(shè)置14名閱讀人員，并將人員簡(jiǎn)化為立方體的組合，每人高為1700mm，寬為600mm。

3.2.2 參數(shù)設(shè)置

該項(xiàng)目室外空調(diào)計(jì)算參數(shù)為：干球計(jì)算溫度：34.5℃，相對(duì)濕度68%；室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)：室內(nèi)溫度25℃，相對(duì)濕度55%。條形送風(fēng)口送風(fēng)速度為1.1m/s，送風(fēng)溫度為18℃；球形噴口送風(fēng)速度為2.85m/s，送風(fēng)溫度為18℃；回風(fēng)口風(fēng)速為1.24m/s。由于模型的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)中存在大面積的玻璃幕墻，為考慮太陽輻照對(duì)于室內(nèi)熱環(huán)境的影響，開啟DO輻射模型及太陽追蹤器，基于南寧的地理位置，選取上午10時(shí)作為模擬時(shí)刻。玻璃幕墻以混合邊界條件考慮，內(nèi)墻、吊頂、樓板及室內(nèi)陳設(shè)以絕熱邊界考慮，人體設(shè)為定熱流密度條件，材質(zhì)參考普通布料物性參數(shù)。圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)為：屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)：0.45W/（m2.K）,外墻傳熱系數(shù)0.5W/（m2.K），外窗傳熱系數(shù)2.0 W/（m2.K）。

3.2.3 模擬結(jié)果及分析

重點(diǎn)分析閱覽區(qū)室內(nèi)人員活動(dòng)區(qū)域的熱舒適情況（1.5m高度，圖1），圖1為閱覽區(qū)溫度分布平面圖，可以看出，夏季工況室內(nèi)1.5m高度處水平面溫度比較均勻，基本保持在23℃～26℃，室內(nèi)環(huán)境基本符合設(shè)計(jì)要求。圖2為閱覽區(qū)速度分布立面圖?？梢钥闯?，室內(nèi)速度場(chǎng)分布均勻，風(fēng)口位置處流速較大，在風(fēng)口附近的區(qū)域會(huì)產(chǎn)生不舒適的吹風(fēng)感，降低了該區(qū)域的舒適性。

圖1

根據(jù)CFD模擬得出的閱覽區(qū)空調(diào)系統(tǒng)夏季室內(nèi)溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)，針對(duì)速度場(chǎng)分布不均勻的問題，對(duì)風(fēng)口的位置、數(shù)量、送風(fēng)速度、送風(fēng)角度進(jìn)行了調(diào)整，使室內(nèi)速度場(chǎng)分布趨于均勻，減少吹風(fēng)感，提高閱覽區(qū)的熱舒適性，圖3為調(diào)整后的室內(nèi)速度場(chǎng)的分布圖。

圖3

4 中庭空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

中庭建筑會(huì)因?yàn)樘栞椛涞脽岙a(chǎn)生“溫室效應(yīng)”；同時(shí)中庭的豎向溫差會(huì)造成上下熱壓差，使得熱空氣向上流動(dòng)，形成上部空間熱量堆積現(xiàn)象。由于受“溫室效應(yīng)”和上部空間熱量堆積現(xiàn)象的影響比較顯著，中庭建筑的室內(nèi)熱環(huán)境具有特殊性，在設(shè)計(jì)中如果不能很好地把握，會(huì)導(dǎo)致熱舒適性差等問題，采用CFD軟件對(duì)該建筑的中庭夏季熱環(huán)境進(jìn)行數(shù)值模擬分析比較，得出此類中庭空調(diào)的設(shè)計(jì)方法，為高大空間降低建筑物能耗、改善室內(nèi)熱舒適性、提高空氣質(zhì)量提供依據(jù)。

夏季中庭的室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度均為25℃，且中庭高25.3m，因此夏季在“溫室效應(yīng)”和上部空間熱量堆積的聯(lián)合影響下，豎直方向溫度分層十分明顯，出現(xiàn)上熱下冷的現(xiàn)象。為使上、下部分的熱環(huán)境都能達(dá)到設(shè)計(jì)狀態(tài)，必須采取一些措施。經(jīng)過模擬計(jì)算分析，得出合理的設(shè)計(jì)方法為：將首層、2層作為一個(gè)整體空間；3層、4層作為一個(gè)整體空間；5層、6層作為一個(gè)整體空間，增大上部空間空調(diào)機(jī)組的負(fù)荷，降低下部空間空調(diào)機(jī)組的負(fù)荷；對(duì)于6層的高大中庭而言，首層、2層分別承擔(dān)整體冷負(fù)荷的25%，3層，4層承擔(dān)整體冷負(fù)荷的35%，5層，6層承擔(dān)整體冷負(fù)荷的40%，同時(shí)中庭利用熱氣流上升在屋頂設(shè)置電動(dòng)排風(fēng)窗，以排除中庭頂部聚集的熱量，在中庭頂部設(shè)置溫度傳感器，與電動(dòng)天窗連鎖，當(dāng)中庭頂部聚集的空氣溫度超過29℃時(shí)，自動(dòng)開啟電動(dòng)天窗排熱；當(dāng)中庭頂部溫度下降到26℃時(shí)，電動(dòng)天窗自動(dòng)關(guān)閉。使各區(qū)域的溫度基本滿足設(shè)計(jì)要求。

5 總結(jié)

本項(xiàng)目冷熱源采用“兩大兩小”的設(shè)置，根據(jù)末端負(fù)荷的變化，靈活運(yùn)行，提高運(yùn)行效率，從而達(dá)到節(jié)能的目的。

借用CFD數(shù)值模擬軟件，對(duì)高大空間室內(nèi)溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)進(jìn)行模擬計(jì)算，能夠有效地分析室內(nèi)溫度和氣流組織分布規(guī)律，運(yùn)用CFD模擬軟件，采用調(diào)整不同區(qū)域負(fù)荷比例及通過機(jī)械排風(fēng)的的方法，解決了該工程中庭溫度，速度分布不均勻的問題，很好地為實(shí)際工程服務(wù)。

利用自然通風(fēng)技術(shù)，降低建筑能耗，保證室內(nèi)空氣品質(zhì)，提高人體舒適度。通過合理的設(shè)計(jì)，為圖書館室內(nèi)營(yíng)造一個(gè)健康、舒適的室內(nèi)環(huán)境。

南寧市圖書館已投入運(yùn)行，閱覽區(qū)大空間、中庭夏季穩(wěn)定在25℃，相對(duì)濕度55%，為廣大讀者提供了舒適的學(xué)習(xí)環(huán)境，受到了廣泛的好評(píng)。