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结合三维建模的某装配式项目暖通空调设计

结合三维建模的某装配式项目暖通空调设计

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  摘要  

介绍了某装配式项目的空调系统、通风系统及防排烟系统设计。重点讨论了中小型报告厅的空调座椅送风系统设计,以及座椅送风柱预埋件装配化生产及施工流程;同时着重介绍了空调地板送风系统土建风腔的设置方案,以及空调地板送风口配合展陈柜的布置方式。最后,给出了该项目的三维设计流程并展示了成果,分析了装配式项目中三维模型设计的必要性。


关键词

空调系统;防排烟系统;三维建模;装配式项目;送风方式


作者  

孙义豪1  潘大红1  王亚林1  万匡禹2  

(1.浙江大学建筑设计研究院有限公司;2.华东勘测设计研究院有限公司)


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项目概况


湖北工建机电科技产业园3#楼项目位于武汉市武昌区,主要功能为展厅,建筑面积约3 540 m2。建筑层数为地上2层、地下1层,建筑高度15.55 m。效果图见图1。该项目采用装配整体式混凝土结构技术,目标装配率设计值为91%。根据住房和城乡建设部对装配式建筑的评价等级划分,属于AAA级装配式项目。除要求建筑主体结构、围护结构、内隔墙等实现高度预制化外,设备管线也需要实现高度分离。

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空调系统设计


2.1 室内设计参数(见表1)

该项目空调室内设计参数主要依据GB 50736—2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》,具体数据见表1。

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2.2 负荷计算

空调系统的计算负荷根据各区域逐时冷、热负荷的综合最大值确定。经过专业软件热负荷和逐时逐项冷负荷计算,得出该项目水系统区域计算冷负荷为477.4 kW,计算热负荷为203.8 kW;变制冷剂流量多联式(VRF)空调系统区块计算冷负荷为49.7 kW,计算热负荷为30.7 kW。其主要房间的冷、热负荷计算结果见表2。


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2.3 空调冷热源

综合该项目建筑功能特点、使用需求、节能等各方面因素,进行冷热源方案比选后,确定采用空气源热泵+VRF空调系统的方案。办公室及休息室等区域单独配备VRF空调系统,使整个项目空调系统运行更加灵活,在不使用展厅及报告厅的时间段内,避免了制冷主机的运行,有利于减少项目后期空调运行能耗。


其中展厅、门厅、报告厅等区域采用水系统集中空调形式,空调冷热源选用2台单台制冷量为260 kW、制热量为270 kW的高效型电动螺杆式空气源热泵机组,装机总制冷量为520 kW。空调供冷供/回水温度为7 ℃/12 ℃,供热供/回水温度为45 ℃/40 ℃。另外,该项目办公室、休息室等空调房间采用1套VRF空调系统,该系统采用环保制冷剂R134a,室外机放置于通风散热良好的部位,制冷量总计50.4 kW,室内外机最大配比率为109∶100。该系统空调新风系统采用2台吊装式新风机组,单独配置室外机,其制冷量分别为22.4 kW和14 kW。
2.4 空气处理过程


该项目展厅、门厅、报告厅等区域采用卧式空气处理机组,对空气进行过滤、冷却(加热)等处理,新回风先混合后再经热湿处理由风管送至房间内。其中:门厅、展厅及主席台采用一次回风低速送风系统,其夏季空气处理流程见图2a,焓湿图见图3a;报告厅的观众席由于送风温差不宜过大,采用二次回风、座椅送风,其夏季空气处理流程见图2b,焓湿图见图3b。图2、3中的W为夏季空调室外空气状态点,N为室内空气状态点,N′为回风温升点,C为混合空气状态点,L为机器露点,O为送风状态点,ε为热湿比,M为二次回风混合点。


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空调送风温度参照《实用供热空调设计手册》选取,考虑到人员的舒适性,地板送风的送风温度一般不低于16~18 ℃,地板送风口的风速不宜超过2 m/s。


由于人员长时间停留静坐,座椅送风的送风温度和风速选择有更高的要求。根据相关文献和国内外设计经验,一般大型影剧院如北京国家大剧院等,设计送风温差通常为2~4 ℃,且座椅送风的出风速度一般为0.3~0.5 m/s,至人脚踝处不能超过0.2 m/s;有研究表明,当剧院冷负荷率为100%及75%时,送风温差宜控制在3 ℃,此时既能较好地满足室内观众的舒适度,又能降低空调能耗。


值得一提的是,上述数据是以大型、专业的影剧院为研究对象而得出的,多年以来的实际工程案例也证明其合理性。然而在一些中小型的剧场及报告厅的设计中,若直接套用上述数据会遇到一个问题:如果控制送风温差为2~4 ℃,则计算送风量往往会比较大,这会使座椅送风柱的出风风速远大于0.5 m/s。这主要是由于剧院内部的构造不同而导致的,简单来讲,大型影剧院设有楼座和池座,除座椅送风外,多余的空调送风量还可通过设置竖井进行顶送或者侧送来进行分流,进而保证座椅送风柱的出风风速在0.3~0.5 m/s之间,满足人体舒适度的需求。


普通的小剧场及报告厅没有上述可采用的分流送风措施,故需提高送风温差以降低送风量,送风温差在设计时一般可取5~6 ℃;座椅送风柱送风风速要求不大于0.5 m/s,即在距送风柱中心300 mm、高于地面150 mm处,送风风速不大于0.2 m/s,按上述设计原则也能达到较好的空调舒适度。该项目观众席共设置254个座椅送风柱,夏季空调送风温差为5 ℃,单个座椅送风柱的送风量为82 m3/h。


根据空调房间热湿负荷、送风温度及室内外设计参数,通过焓湿图计算,得出各空气处理状态点参数,见表3(仅附1层展厅及观众席数据),风量计算结果见表4。由于空调管路较长,综合风机及电动机发热,考虑了送、回风各有0.5 ℃的管道温升。


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2.5 空调末端


该建筑顶部为半圆造型,为凸显装配式结构美感,内部空间不设置吊顶。兼顾实用性和美观性,空调送风末端采用了地板送风和座椅送风相结合的方式。


门厅、展厅及主席台均采用地板送风系统。这里仅以展厅为例,介绍空调地板送风系统。展厅暖通空调风系统布置平面图见图4,1层展厅的空调送风管安装在地下车库内,2层展厅的风管在1层展厅顶部敷设,管线排列尽量做到简洁美观。空调回风设置在各层管井的侧墙上,不进入房间内部,采用带有造型且通透率≥70%的装饰百叶作为回风口。


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展厅的地板送风配合展陈柜布置,见图5a。在空调送风口下部设置土建静压腔,腔体宽度为0.5 m,深度为0.4 m,长度根据送风口的需求确定,腔体内部设置离心棉保温,并外贴铝箔保护,见图5b。


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一般地板送风的设置方式有2种:一种是如上所述的设置土建静压腔;另一种是在地板上直接开洞,风管直接接到地板送风口上。后者在送风效果上与前者差别不大,但从消防角度考虑,存在安全隐患,此做法变相贯通了上下层防火分区,不建议采用。


报告厅的观众席采用二次回风、座椅送风系统。经地下1层空调机房内的组合式空调机组对空气进行热湿处理后,送入座椅送风静压室内,见图4c。静压室内腔设置50 mm厚离心玻璃棉保温层,保温后外贴0.5 mm厚铝箔保护。


座椅送风装置构造见图6。由上下两部分圆柱组成,上部圆柱直径为0.25 m,均匀设置了1 008 只直径8 mm的圆孔,共18排、56列;下部圆柱直径为0.3 m,均匀设置了1 340只直径8 mm的圆孔,共20排、67列,柱内设有风量调节螺栓和调节滑板以调节每个送风柱的进风量。由于该项目为装配式项目,座椅送风柱的预埋件以预制件的形式经工厂统一生产后,运至现场进行组装。

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通风及防排烟系统设计


3.1 通风系统

该项目库房采用机械排风,换气次数不小于3 h-1;卫生间采用机械排风,换气次数不小于10 h-1。


考虑到展厅及报告厅等空调房间过渡季全新风运行,单独设置了过渡工况排风,风机吊装在地下室排烟(风)机房内。全新风工况送风量为夏季空调送风量的70%~80%,而过渡工况排风量为空调全新风工况送风量的70%~80%,具体风量见表4。由于该建筑布局较为紧凑,故展厅及报告厅的过渡工况排风考虑与空调系统的回风共用末端,在回风管路及排风管路汇总前分别设置电动风阀,在空调工况下关闭对应排风管道上的电动阀门;过渡季排风工况时关闭回风管道上的电动阀门。


上下2层展厅过渡工况排风量均为15 000 m3/h,这里选用1台双速离心风机作为排风机,风机高速排风量为30 000 m3/h,低速排风量为16 000 m3/h。当上下2层展厅需要同时排风时,风机高速运行;当仅有其中1层展厅需要排风时,风机低速运行。
3.2 防排烟系统


该项目楼梯间均具备自然开窗通风防烟的条件,采用开窗自然防烟。展厅、门厅、报告厅等区域采用机械排烟系统。由于该建筑不设吊顶,考虑到内部空间的美观性,除了1层展厅的排烟口设置在房间顶部,其余排烟口均设置在侧墙上。烟气由机房内的排烟井排出,排烟出口位于屋檐下方,满足人员疏散及消防扑救的需要。排烟系统流程见图7。


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1层展厅的室内净高未超过6 m,根据GB 51251—2017《建筑防烟排烟系统技术标准》(以下简称“防排烟标准”),其排烟量按60 m3/(m2·h)计算,计算结果为36 060 m3/h,设计风量不小于计算风量的1.2倍,最终风机选型风量为44 000 m3/h。2层展厅室内净高为7.75 m,排烟量按表格线性插值法和专业软件计算结果取大值,得出其计算排烟量为92 750 m3/h,风机选型风量为111 500 m3/h。门厅及报告厅也是净高超过6 m的高大空间,利用上述2层展厅的计算方法,得出二者的计算排烟量为122 000 m3/h,各自采用2台风机并联,单台排烟风机选型风量为73 200 m3/h。
  

在上述计算结果的基础上,还需对各房间排烟口的极限排烟量进行复核。采用如下公式计算:

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式中 Vmax为排烟口最大允许排烟量,m3/s;γ为排烟位置系数;db为排烟系统吸入口最低点之下的烟气层厚度,m;T为烟层的平均热力学温度,K;T0为环境的热力学温度,K。

根据式(1),排烟口设置位置越高、烟层厚度越大,则极限排烟量越大,从而保证在每个房间仅设置1个排烟口的情况下,满足极限排烟量。该项目排烟口的设计采取如下2个原则:1) 需将房间侧墙排烟口贴梁底设置,风口尽量做成扁长状;2) 在满足防排烟标准且不影响人员疏散的前提下,设计清晰高度应按最小值选取。上述排烟房间的净高均大于3 m,其最小清晰高度计算公式如下:

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式中 Hq为最小清晰高度,m;H为排烟空间的建筑净高度,m。
 

对于报告厅这类阶梯型空间,应按式(2)计算其最高地面标高处的清晰高度。
 

由上述方法进行计算,1层展厅Vmax=52 435 m3/h,大于44 000 m3/h;2层展厅Vmax=204 171 m3/h,大于92 750 m3/h;门厅Vmax=573 520 m3/h,大于122 000 m3/h;报告厅Vmax=309 638 m3/h,大于122 000 m3/h,均可满足要求。


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三维软件建模


该项目在二维设计的基础上,采用了专业的建模软件进行了全专业的BIM建模。BIM是以建筑工程项目的各项相关信息数据作为基础,进行建筑信息模型的搭建,通过数字仿真模拟建筑物的设计与建造。BIM技术的应用主要在以下方面:管线优化排布和碰撞检查、基于BIM的施工组织模拟、建筑全寿命周期管理等。BIM技术的引入极大增加了装配式建筑实现的可能性,同时实现了多专业协同的全过程设计,打破了传统二维设计中建筑、结构、机电等专业相互独立进行的模式。


该项目建模的主要步骤如下:1) 由建筑、结构专业先行搭建各自基本模型,然后合模、复核并调整,作为机电专业工作的基础;2) 机电专业采用中心文件参照的方式,在上述综合模型的基础上分别完成各自的模型;3) 建筑专业进行汇总与检查,提出所有碰撞等问题,与各专业协商优化调整方案,各专业实时修改模型;4) 将最终模型交由专业施工团队进行补充设计,主要内容有支吊架、预埋件等,最后提供给工厂进行预制件的设计、批量生产。


正向设计是未来的设计趋势,不仅能减少设计过程的管线碰撞问题,更能培养机电工程师的“空间思维”能力。遗憾的是,由于工期缩短等原因,该项目未能实现真正意义上的全专业正向设计,但是建模对二维设计的指导作用依然值得肯定。该项目部分三维模型见图8。

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设计体会


装配式建筑通过工厂大量生产预制件,运输到施工现场组装,极大减少了施工错误,并显著缩短施工工期,是国家未来建筑发展的主要趋势之一。相较于传统建筑建造方式,其更侧重于精细化的过程,包括精细化设计、精细化生产、精细化施工等,需要各方参与人员全过程紧密联系、互相配合。设计人员应在满足规范的基础上,力求设计内容简洁、实用、美观。


装配式建筑的设计需要投入更多的时间、精力和人力。就该项目来说,为配合实现建筑顶部半圆形的特殊造型结构美感,暖通空调专业传统顶送下回的空调方案及顶部排烟方案均无法实施,令设计难度增加。此外,机电专业管件种类繁多、生产材料驳杂、各类管件型号各异、施工空间不规则,也使得装配式机电具有独特的技术特点及施工难度,很难实现一套行业标准化生产及施工安装体系。需要从项目自身的特点出发,设计方与施工方进行有计划、阶段性地配合讨论,以落实各项技术措施,制定完备的施工方案。


三维模型是实现装配式建筑顺利完成的基础,也是设计施工人员实现创新、落实新技术的有力工具。设计院应加强对设计师的相关技术培训,积极落实装配式项目的正向三维设计,培养设计师正向设计意识和水平,才能更有利于后期的施工配合,使优秀的设计作品落地。


本文刊登于《暖通空调》2023年第1期


(责任编辑:何雯丽)



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