案例赏析 | 武汉光谷国际网球中心空调设计

来源：暖通空调

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1 工程概况

武汉光谷国际网球中心一期工程位于武汉东湖新技术开发区，包括15 000座网球主赛馆、5 000座网球场及赛事所需相关配套与运营设施，配套楼地下室设置制冷换热站作为区域冷热源中心，通过地下综合管沟分别与15 000座主赛馆及5 000座网球场相连，其区位示意见图1。15 000座网球馆是主要满足“WTA超五巡回赛”的比赛需求、同时兼顾开展其他体育赛事或大型活动双重要求的综合性场馆，地上共5层，建筑高度46.08 m，建筑面积54 339.42 m2，比赛大厅屋面是目前国内可开启面积最大的可开启屋盖结构(可开启尺寸60 m×70 m)，从而使网球馆可在体育馆及体育场两种模式之间切换使用，见图2，3。

图1 区位示意图

图2 体育馆模式(屋盖关闭)

图3 体育场模式(屋盖开启)

2 冷热源系统设计

15 000座网球馆具有一般体育馆建筑使用上明显的间歇性、低使用率等特点，在非比赛或活动期间只有部分运营管理用房正常使用，同时由于其可开启屋盖的存在，空调系统的设计还应考虑体育馆和体育场两种不同运行模式的区别，空调计算冷热负荷见表1。

表1 15 000座网球馆不同运行模式下空调冷热负荷 kW

该工程冷热源系统设计以既要保障赛事或演艺等的高峰空调需求，又要注重平时使用的节能、维护的便利为原则，结合项目具备市政热源(过热蒸汽管网)的有利条件，经多次方案比选，冷热源系统配置见表2，冷热源机组设于图1所示配套楼地下室的区域冷热源中心内。赛时、赛后运营分别设置独立的冷热源，可避免合用系统经常出现的“大马拉小车”的现象，也方便了后期维护管理工作；双回路燃气真空热水锅炉是保障重大赛事、避免蒸汽检修故障等的备用热源，同时也作为二期工程5 000座综合体育馆的备用热源。

表2 冷热源系统配置

3 空调水系统

空调水系统采用一级泵变流量两管制系统，由于系统输送半径较大，空调供回水按大温差设计，夏季5.5 ℃/12.5 ℃，冬季60 ℃/45 ℃。空调水管通过地下综合管沟从动力站接入15 000座网球馆，并在场馆地下形成环状通行地沟。主干管分为两路，主要负责功能区域见表3，可分别对应屋盖启、闭状态下的空调需求，在KT-2的1层系统中，又根据功能分区及赛后使用区域，进一步划分为若干个子系统，便于系统的运营管理。

表3 干管环路功能分区

由于主干管布置在地下环状通行地沟内，其形成的环形管网需解决好热补偿和固定支架设置的问题。该工程采用万向波纹补偿器的连接方式，每节直管段长度控制在6 m，4节为一组，每组之间采用万向波纹补偿器连接，中间设固定支架，保证每组管段之间的角向偏移量约为7°，直管段轴向偏移量≤300 mm。

4 比赛大厅空调风系统设计

4.1 气流组织设计

比赛大厅由直径72 m的圆形比赛场和观众区组成，其中观众区包含高、低区固定座椅及比赛场内固定、活动座椅等。综合考虑建筑使用特点和节能要求，结合气流环境CFD数值模拟分析结果，设计采用多种送、回风方式，共同保证比赛大厅的空调要求，最终确定的气流组织方式见表4。

表4 比赛大厅气流组织方式

观众区固定座椅采用座椅送风的方式，在观众席看台下方设整体式送风静压箱，处理过的冷空气经风道引入送风静压箱内，由阶梯旋流风口送出。座椅送风设计送风温度21 ℃(送风温差5 ℃)，由于静压箱内空气与周围建筑构件之间存在的换热会导致送风温度升高，《实用供热空调设计手册》（第二版）建议按照空气每流过1 m直线距离的温升为0.1～0.3 ℃进行估算，该项目考虑静压箱内送风温升为1 ℃，空调器设计出风温度20 ℃(含风机温升1 ℃)，空气处理采用二次回风无再热方式，处理过程见图4。二次回风空调机组需要同时控制回风温度和送风温度，采用回风温度控制水路电动阀的开度、送风温度控制二次回风阀开度的控制逻辑。

图4 二次回风无再热空气处理过程

比赛大厅共划分了31个空调系统，其中低区观众席及赛场部分共23个空调系统，分别设于1层11个空调机房内，高区观众席共8个空调系统，均匀分布在4层的8个空调机房内，形成了分区空调的系统形式，为赛时根据观众人数采取分区售票提供了可能，可降低空调系统运行成本，节约能源。

4.2 CFD数值模拟分析

设计阶段借助CFD软件对比赛大厅空调系统气流环境进行了模拟研究，分析了3种气流组织方式的温度场和速度场，并确定了表4所述的最终设计方案。

考虑到场馆几何尺寸在物理上的对称性，取其1/2场馆区作为模拟计算区域，设计方案气流组织方式的温度场和速度场CFD模拟结果见图5，6。座椅送风、赛场喷口和侧送风口的空调送风进入比赛大厅后，受人员、设备等排热的影响温度上升，并分为两股气流分别进入到下部和上部回风口，形成各自的气流路线，在座椅送风口和回风口的位置，风速较高，基本保持在0.8～1.2 m/s；观众席人员所在位置的风速基本在0.3 m/s左右，人体舒适感较好。观众席区域上方温度分层现象明显，上部积聚的热量可通过网架内排风机直接排至室外；人员区域空气温度基本保持在设计(26±1) ℃的可控范围内，具有较好的热舒适性。气流组织方案基本符合设计要求。

图5 x-z平面(y=0 m)上温度场分布

图6 x-z平面(y=0 m)上速度场分布

5 比赛大厅通风、自然排烟系统设计

比赛大厅屋面网架的设备平台处设8台柜式排风机，通过马道可以方便地检修和维护，总排风量按新风量的80%计算，采取台数控制方式调节风量，及时排除积聚在大厅上部的热量。为避免振动和噪声对馆内产生影响，风机采用减振台座的安装方式，表面用隔声材料包覆，在设备外壳上刷沥青胶，粘贴100 mm厚岩棉板(岩棉用玻璃布包裹)，然后用麻绳紧密缠绕，进、出风管除采用片式消声器消声外，同时采用30 mm厚橡塑保温材料包覆。

设计阶段拟利用可开启屋盖(8 min可全部打开)作为比赛大厅的自然排烟条件，由于这种自然排烟形式没有相关设计依据，需对其能否有效控制和排除火灾产生的烟气、保证其内部人员安全疏散进行论证。根据国家消防工程技术研究中心针对该项目编制的性能化防火设计报告的相关结论，比赛大厅利用可开启屋盖作为自然排烟条件是可行的，对屋盖开启装置采用双路供电，并与火灾自动报警系统联动，可在现场手动、消防控制室远程控制开启，控制信号采用闭环控制。

6 BIM技术应用

15 000座网球馆的BIM技术应用是集建模、检测、计算、模拟、数据集成等工作为一体的三维建筑信息管理工程，工作覆盖了工程的设计、深化设计、制造、施工管理乃至后期运营管理的建筑全寿命周期。基于Revit系列软件的BIM技术应用在本次设计中起了至关重要的作用，机电专业设计师在BIM协同设计过程中，共用一个中心文件，参照链接建筑与结构模型，通过协同和可视化，缩短了各专业间的信息传递链，实现了信息传递的准确、及时、完整性。

网球馆由64根自下而上向外倾斜的立柱形成“旋风球场”的造型意象，建筑造型及内部空间复杂，方面存在设备管线无法实现上下竖直贯穿、复杂空间管线综合考虑不周时易出现无法通过等问题，屋面不规则的钢结构网架也为风管布置造成了很大的三维想象障碍。利用BIM技术管线碰撞检测、可视化分析等功能这些问题都得到了妥善解决，部分BIM设计成果见图7～9。

图7 BIM模型可视化成果

图8 屋面网架风管布置示意图(BIM模型)

图9 屋面网架风管三维示意图

7 结语

该工程2015年9月竣工，投入使用以来成功举办了2015，2016年“WTA超五巡回赛”，空调运行效果良好，希望该工程空调系统设计能为类似工程提供借鉴参考。

全文刊登于《暖通空调》杂志2017年第10期