冷热源和水系统在图书馆暖通工程中的应用

摘要　介绍了该工程的空调冷热源系统和水系统的设计,模拟了中庭分层空调和阅览室地板送风的室内温度场、速度场和气流组织,论文范文根据模拟结果确定了中庭冬、夏季的送风温度和夏季的冷负荷。

关键词　图书馆 空调 模拟 地板送风系统

1　工程概况
该图书馆总建筑面积80 538 m2,地上5层,地下3层,建筑高度27 m,为一类高层公共建筑。地下2层和地下3层主要为密集书库和设备机房,地下1层主要为数字图书馆用网络管理中心、数据资源储藏管理中心及四库全书库区和报纸、期刊中转库, 1~5层主要为各类阅览室,建筑核心区域有一高约31 m的大中庭,如图1所示。

2　冷热源和水系统本工程和原图书馆旧馆合用冷源,制冷站单建。共设4 676 kW(1 330 rt)和2 408 kW(685 rt)的离心式冷水机组各2台,冷水进出水温度为6℃/11℃。因本工程和原图书馆旧馆的冷水环路的阻力相差较大,故冷水系统采用二次泵系统,二图1　大中庭全景次泵根据供回水末端的压差进行变频控制。本工程的锅炉房单建(二期独用),设置2台2 800 kW的真空锅炉,提供60℃/50℃的空调热水,热水泵也实行变频控制。

3　空调设计图书馆内部多为书库、阅览室等,房间面积较大,故一般均采用全空气定风量系统或全空气变风量系统(靠外墙的卫生间设置风机盘管,主要是出 于冬季夜间的防冻考虑,此外电梯厅也设置风机盘管)。为建筑物外区服务的空调系统在过渡季及为建筑物内区服务的空调系统在过渡季和冬季可以调节新风量进行“免费冷却”。此外,为维持室内适当正压值,相应地设计了空调季和过渡季用的排风机。
3.1　大中庭送风温度选择和CFD模拟大中庭从地下1层~地上3层均有使用层面,应设空调,4,5层无使用层面,故不设空调。初步设计时地下1层~地上2层拟采用喷口送风,3层采用地板送风。在考虑了分层空调的因素后,对全室空调冷负荷进行了一定的折减。各层空调系统的送风温度如下:地下1层为15.5℃,1层和2层为17.5℃,3层为21℃。为了验证各层送风温度的合理性,进行了CFD模拟,模拟结果见图2。从图2可以看出,中庭下部地下1层和1层的房间温度偏低,约为19~21℃。于是对送风方式和送风温度进行了调整,改为格栅风口送风,重新模拟时的送风温度如下:地下1层为17℃,1层和2层为19℃,3层为21℃,模拟结果如图3所示。可以看出,3层以下使用层面的温度约为24~25℃,且在室内形成了稳定的温度分层,贴近大玻璃顶的温度达31℃。进一步的数据分析表明,工作区的空调冷负荷约为全室未折减时空调冷负荷的63%,说明了分层空调的节能性。大中庭基本处于建筑的内区,仅有大玻璃顶与室外接触,对中庭下部使用层面冬季时应送冷风还是热风很难判断。初步设计认为其使用层面为内区,冬季应按夏季的送风参数送风,但CFD模拟的结果如图4所示,室内温度偏低,约为17℃左右。因此决定冬季按外区系统设计,提高送风温度,将地下1层~地上3层各系统的送风温度调整到21~22℃,模拟结果如图5所示,室温基本在20℃左右,未出现上热下冷现象。分析认为这主要是由于中庭中部的热空气上升到大玻璃顶被冷却后沿中庭四周下沉,形成了自然对流,使室内空气温度趋于均匀。模拟实验也表明,玻璃顶(其传热系数为2.2 W/(m2·K))没有出现表面结露现象。
大中庭基本处于建筑的内区,仅有大玻璃顶与室外接触,对中庭下部使用层面冬季时应送冷风还是热风很难判断。初步设计认为其使用层面为内区,冬季应按夏季的送风参数送风,但CFD模拟的结果如图4所示,室内温度偏低,约为17℃左右。因此决定冬季按外区系统设计,提高送风温度,将地下1层~地上3层各系统的送风温度调整到21~22℃,模拟结果如图5所示,室温基本在20℃左右,未出现上热下冷现象。分析认为这主要是由于中庭中部的热空气上升到大玻璃顶被冷却后沿中庭四周下沉,形成了自然对流,使室内空气温度趋于均匀。模拟实验也表明,玻璃顶(其传热系数为2.2 W/(m2·K))没有出现表面结露现象。
3.2　阅览室地板送风3层层高为8.8 m,其中阅览区域面积约为3 200 m2。考虑到系统节能与热舒适性,空调采用地板送风。位于地下室带有高中效过滤器的组合式空调箱通过送风管道将处理后的空气送入3层地板下。
3.2.1　送风温度选择与温度场阅览室夏季设计温度为26℃。由于阅览时人体的姿态是坐姿,头部离地面较近,故要求地面风口的送风温度较高。以某阅览室为例,该阅览室的计算冷负荷为22 kW,一次风送风量计算公式为
式中　L1为一次风计算送风量,m3/s;Q为室内冷负荷,kW;ρ为空气密度,取1.2 kg/m3;Δh为送风比焓差,kJ/kg。若从减少空调器送风量的角度出发,取Δh=10.1 kJ/kg,送风温差Δt=8.3℃,送风量L1=1.8 m3/s(6 480 m3/h),空调器的送风温度t1=17.7℃。如按此温度直接送入室内,会给读者造成冷感。因此,设计采用带混风的地板送风装置,使温度较低的一次风(空调器送风)与室内二次风(室内空气)混合。如按PMV-PPD指标,末端装置的送风温度ts可取21℃;如按下送风舒适性研究结果,人体脚到头部的温差不大于3℃,则送风温度ts可取23℃,后考虑到送风口布置在离固定座位2 m远处,所以最终确定送风温度为ts=21℃。于是根据一次风送风温度t1=17.7℃,室内二次风温度th=26℃,混合后的送风温度ts=21℃,由热平衡式L1t1+Lhth=(L1+L 湿度要求,在事先确定书库风量(即换气次数)的情况下,如简单地采用常规的回风和新风混合后经表冷器冷却、再经加热器加热送至室内这种处理方式,再热量较大,冷热抵消浪费较多,所以在图8所示的组合式空调器中设计内旁通,让一部分风量旁通,这样就减少了冷热抵消,节约了能量。
3.4　有温、湿度精度要求用房空调网络管理中心、数据资源储藏管理中心及四库全书库区对温、湿度有一定的精度要求,均采用恒温恒湿机进行空调,其中网络管理中心、数据资源储藏管理中心等采用地板送风,架空地板高400mm,混凝土楼板下表面保温以防结露和减少热损失。因本建筑体量较大,若采用风冷型恒温恒湿机组则制冷剂管太长,所以采用水冷型,并在冷却塔底盘内设电热装置供冬季停机时防冻用。考虑到工程所在地沙尘暴的影响,恒温恒湿机配两级空气过滤器,其中高中效过滤器的比色法效率应大于90%。为避免有害气体对四库藏书的损害,四库全书库区的恒温恒湿机组配置折叠式活性炭过滤吸附装置以替代粗效过滤器,可清除大气中的氧化硫、氧化氮与氯气等有害气体。
3.5　小中庭空调建筑物东侧2~4层有一个小中庭,直接与主入口连接,考虑到冬季时的热压作用,为减弱大门的冷风渗透和上热下冷现象,在顶部(3层吊顶内)加设循环风机作强制循环,将顶部热空气送往下部,以保持2层门厅下部冬季不致过冷。
3.6　空调机房、进排风处理为配合建筑对阅览空间的布局及规范要求空调机房应远离阅览区,1~3层的空调机房和排风机房基本上均设置于地下2层。进排风均通过土建管井接至远离建筑的通风竖井,所以本建筑很难看到进排风百叶,完全满足了建筑专业对立面的要求。由于地下风道壁面极容易受潮滋生细菌,为此,设计考虑进风道表面涂刷防菌涂料,并要求建筑设置检修门,以方便管理人员进行风道保洁工作。当其他层的空调机房距阅览区较近时,为控制噪声,对机房隔墙提出了隔声要求,并且设置了两道隔声门。

4　结语
4.1　采用CFD技术,确定了大中庭在夏季和冬季时的送风温度、大中庭在夏季时的冷负荷,减弱了大中庭在冬季上热下冷现象,避免了玻璃顶结露等问题的出现。
4.2　根据CFD模拟的结果,水平方向距地板送风末端0.5 m处的风速约为0.204 m/s,因此平面布置中使地板送风末端与阅览座椅保持0.5 m以上的间距,以防止吹冷风感。
4.3　密集书库的空调采用内旁通空调器,让一部分风量旁通,可减少冷热抵消,节约能量。

参考文献:
[1]　中国建筑西北设计研究院.JGJ 38—99　图书馆建筑设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,1999
[2]　苏鹰,沈国民,谢军龙.地板送风空调系统的室内空气品质研究[J].制冷空调与电力机械,2004,25(1):37-40