冬季北方某水公园暖通设计

摘要：中国气候四季分明，北方地区冬季寒冷，多风，对旅游产业产生不利影响。如何在北方建成室内戏水乐园，并满足建筑美观、运行节能、人员舒适的要求，是暖通人员需要解决的问题。本文就天津某水上娱乐公园，介绍该项目的暖通设计。

关键词：暖通设计；水公园；模拟

Abstract: China climate, four distinct seasons in north cold winter, windy, to produce unfavorable effects on tourism industry. How to built in the north of indoor water park, and meet the building energy saving, beautiful, operation personnel comfortable request, is the hvac personnel need to solve the problem. In this paper a tianjin water amusement park, this paper introduces the project hvac design.

Keywords: hvac design; Water park; simulation.

中图分类号：[F213.2] 文献标识码：A文章编号：2095-2104（2013）

中国气候四季分明，北方地区冬季寒冷，多风，对旅游产业产生不利影响。如何在北方建成室内戏水乐园，并满足建筑美观、运行节能、人员舒适的要求，是暖通人员需要解决的问题。本文就天津某水上娱乐公园，介绍该项目的暖通设计。

该水公园位于天津，建筑面积约1.7万平，建筑高度32.6m。南北方向进深115m，东西长约200m。水面面积约4000平方米。

水公园大馆建筑采用全透明的护结构，其优点是采光面积大、美观，并将建筑护结构的防风、遮雨、隔热、防噪声、防冷风渗透等使用功能和建筑装饰功能有机的结合在了一起。但是膜结构存在传热系数大且热惰性小，冬季会产生壁面温度低，人体舒适度差，内表面结露等不良影响。

为了更合理的完成暖通设计任务，我们请北京清华城市规划设计研究院城市建筑环境与能源研究所为我们做了《壳体建筑能耗与自然室温分析研究》、《水公园冬季采暖负荷分析》《水公园室内自然温度分析》等室内环境模拟报告。

冬季室内设计参数:

池水温度：26℃ 空气温度：28℃ 相对湿度：70%

热源的确定

东丽区地区地下热源丰富，同时地源热泵属于可再生能源利用技术。地下水源热泵机组利用地下热源的热量，提高了热泵循环的蒸发温度，使机组的COP提高。与锅炉供热相比，减小了占地面积，减少了环境污染。

所以本项目采用地下深井地热水，地下水出水温度95度左右。分为3套不同水温的循环系统。高温系统：75/55供给后勤区及陆公园散热器系统；中温系统：65/55，供给水处理加热系统及入口洗浴用热；低温系统50/40供给全公园的风机盘管及组合式空调箱系统。

为了提高热能利用率，高温系统采用地热水直接换热，中温系统为高温回水及部分地热水混合提供，低温系统由地源热泵将回水再加热之后提供。

围护结构的确定

建筑围护结构的性能是影响室内热舒适性的主要因素之一。建筑围护结构优化设计应考虑的主要因素包括：

采光性能：建筑围护结构透明区域在满足隔热性能的前提下应兼顾可见光透过性，使建筑物可充分利用太阳光，提高舒适性并减少照明能耗。

隔热性能：建筑物在夏季的隔热性能对建筑物室内舒适度及空调能耗是至关重要的，在幕墙结构中，隔热性能主要体现在减少夏季日照得热，也就是透明幕墙的遮阳系数SC值。

保温性能：在采暖建筑中，围护结构应有较好的保温性能。对水公园来说，由于体量较大，室内设计温度高，水份蒸发量大，冬季建筑能耗很大。而夏季室内大部分空间不使用空调器而是通过自然通风或者机械通风将室内多余的热量带走。因此应从全年的角度出发，分析论证保温性能优劣对建筑能耗的影响。

通风性能：对建筑可利用自然通风的区段和时间段，尽可能考虑使用自然通风来带走室内的热量，满足室内温度要求，提高舒适度，降低空调能耗。

项目采用的围护结构：

根据节能要求及人员舒适度要求，冬季围护结构传热系数需要满足室内外温差小于6度，内表面不结露。经过计算，护结构传热系数低于1.5W/m2时才能保证内表面不结露。根据厂家的膜结构产品参数及成本，最终采用三层ETFE膜结构，传热系数1.94W/m2，内表面会有轻微结露现象，在可以接受的范围内。

对于水公园，夏季有隔热需求，冬季有采暖能耗要求。遮阳系数小透明部分多的话会增加夏季日照得热，影响夏季公园的热舒适性。如果遮阳系数比较大透明部分少则会使冬季的日照得热减少，增加冬季采暖负荷。经过一次投资、使用费用及建筑美观要求的权衡判断，最终采用全透明幕墙结构，遮阳系数小于0.35。

新风量的确定

建筑新风量是根据人员所需新风量、过渡季节除湿所需新风量、卫生要求所需新风量的最大值，来确定大馆最终的送风量。

水公园的室内最高人数为4337人，按照《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范GB50736-2012》要求，高密建筑人群每人所需最小新风量19m3/h人（体育馆）。人员新风所需新风量为8.2万立方米每小时。水公园室内大馆由于夏季没有空调系统，过渡季节需要采用通风除湿，根据全年气候分析，10月份是室外湿度最大的季节（6~9月大馆敞开），除湿所需新风量为13~20万风量。同时考虑到水处理散发的有害气体，最终水大馆的通风量按照最大16万设计，4台4万风量组合式空调箱，新风量调节范围从30%~100%。

根据天津市《公共建筑节能设计标准》4.3.13规定：排风量大于等于3000m3/h的直流式空气调节系统，宜设置排风热回收装置。新风热回收的设置能显著减少冬季采暖能耗，水公园需要通风除湿，所以采用非接触式转轮热回收方式。

冬季采暖热负荷

建筑采暖热负荷指标是针对建筑内供热系统的负荷指标，其主要影响因素为室外气象参数、建筑围护结构、室内人员、设备负荷等。设计负荷是一个重要参数，它决定设备系统的容量、规模和初投资。水公园形状复杂，围护结构特殊，所以采用清华大学能耗模拟软件Dest软件进行了全年采暖能耗模拟。

模拟边界条件：非透明部分0.6W/m2k；透明部分1.7W/m2k，遮阳系数0.35

室内温度控制：09：00~21:00 室内温度28度；21:00~09:00 室内不低于5度。

不考虑室内人员散热，新风量按照0.75次/h换气次数计算。

建筑模型如下：

根据水公园采暖季逐时负荷分布变化曲线。冬季采暖季最高负荷为5800KW，采用冬季历年不保证5天温度，得出该建筑采暖负荷为5600KW。采暖负荷在1月中下旬达到最大负荷，11月以前和3月以后，室外温度升高，采暖热负荷降低。系统半负荷运行时间较长，因此采暖采用变流量热水系统。

由于模拟采用的是间歇运行模式，即晚上只开启地板采暖和部分风机盘管，以保证室内温度不低于5度。所以第二天营业之前需要提前预热运行，使室内温度升高到28度。开机时间定为早上6:00~9:00。

夏季自然通风研究

水公园夏季没有设计空调系统，需要对夏季大馆室内热舒适性进行分析。自然通风动力为风压通风和热压通风，但是风压是不稳定因素，一般的设计中只考虑热压作用引起的自然通风，也就是最不利的情况。水大馆是全透明结构，在夏季太阳辐射得热参考了天津地区全年的辐射情况，根据不满足全年100小时太阳辐射指标，选取了880W/m2作为模拟计算的边界输入条件。为保证室内与室外温差小于6度，需要约10次换气的通风量。按照洞口风速0.5m/s，1m/s，1.5m/s，2m/s计算出所需要的可拆卸幕墙面积分别为2130平方米、1070平方米、710平方米、535平方米。考虑到人体舒适度要求风速，大馆选择了2170平方米的可拆拆卸幕墙面积。

天津夏季主导风向是南风，所以大馆可拆卸幕墙设置在南侧。为了使气流组织更合理，我们考虑了几种不同的通风方式。

大馆高度30m，南侧拆卸2370平米的幕墙，通风下进上出通风方式。经计算换气次数为8.2次，小于需要的10次换气次数。室内平均温度有些偏高。

为增加换气次数，在北侧顶部增加1000平米的侧窗，以实现对流及增加热压作用。

如图所示，大管内整体气流速度增加，换气次数9.9次，室内平均温度下降，基本满足室内外温差小于6度的要求。但是两个两侧的小球内部有局部的涡流，空气不流动。

东西各增加100平方米的侧窗。以改善气流分布情况。

经过两侧增加侧窗，两侧的气流明显改善，减少了局部的温度过高情况。

结论

经过各种考虑，最终确定的水公园夏季不空调，依靠自然通风降温。冬季设有采暖系统，包括4台40000风量的组合式空调箱、60台落地式风柜（循环风量8000立方每小时）和地板采暖系统。

寒冷地区冬季室内水公园项目比较少，设计中可借鉴的经验较少，利用计算机模拟技术可以为设计人员提供一些理论参考。本项目利用模拟技术进行了围护结构优化设计，自然通风设计，大空间空调设计优化，重点区域室内环境舒适性以及建筑能耗分析。

参考资料：

[1]《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》

[2]《公共建筑节能设计标准》

[3]《水公园室内自然温度分析》清华大学

[4]《壳体建筑能耗与自然室温分析研究》清华大学

[5]《水公园冬季采暖负荷分析》清华大学

[6]《娱乐岛温泉水世界室内热舒适及围护结构优化设计咨询研究》清华大学.