杭州某高大空间游泳馆的空调设计

周 磊，刘 辉

(1.浙江省建筑设计研究院，杭州 310006;2.浙江东南建筑设计有限公司，湖州 313000)

杭州某高大空间游泳馆的空调设计

周 磊，刘 辉

(1.浙江省建筑设计研究院，杭州 310006;2.浙江东南建筑设计有限公司，湖州 313000)

文中介绍了杭州某高大空间游泳馆的空调设计，重点分析了冷热源、空调采暖系统、防结露和防渗透的设计计算。为减少泳池能耗，采用三集一体风冷热泵的节能措施来平衡室内的温湿度要求。最后进行节能措施总结，希望为以后同类型的空调设计提供参考。

高大空间;游泳馆;低温热水地板辐射采暖系统;热回收;防结露和防渗透;节能

0 引 言

该游泳馆项目位于杭州市临安，建筑为坡屋顶，最高点高度为15.3 m。游泳馆主要包括泳池、更衣室和淋浴室。室内泳池面积为250 m2，池水深度1.5 m。本设计的重点在于：高大空间泳池在冬季使用条件下，不仅满足室内干球温度28 ℃ 和相对湿度65%的要求，还要满足防结露的要求。池水不断蒸发，吸收池水热量，以及为改善泳池内空气质量进行的通风除湿都会造成大量能耗，因此，本设计还考虑了采用三集一体风冷热泵的节能措施来平衡室内的温湿度要求。

1 设计参数

1.1 室外设计参数

冬 季夏 季空调室外计算干球温度-4℃空调室外计算干球温度35．7℃空调室外计算相对湿度77%空调室外计算湿球温度28．5℃采暖室外计算干球温度-2℃空调室外计算相对湿度80%通风干球温度4℃通风干球温度33℃冬季大气压102090Pa夏季大气压100050Pa

1.2 室内设计参数

房间名称室内温度/℃室内相对湿度/%夏季冬季夏季冬季新风量(m3/hp)噪声评价曲线/NR泳池302875652040泳池更衣室262065302040

冬季泳池室内在干球温度28 ℃和相对湿度65%的设计参数下，对应的其他相关参数为：露点温度20.81 ℃,水蒸气分压力2 487 Pa,湿球温度22.84 ℃,含湿量15.47 g/kg,比焓67.60 kJ/(kg·干空气)，密度1.16 kg/m3，饱和水蒸气分压力3 826 Pa。

2 冷热源的选择计算

夏季，仅游泳池区、更衣室及淋浴室考虑空调制冷负荷。过渡季考虑全新风运行系统。

冬季，游泳池区要求为恒温26 ℃,相比一般的公共建筑热负荷的计算要复杂，包括：泳池初次加热耗热量计算、泳池恒温耗热量计算(水面蒸发损失的热量、管道和设备的传导热损失和补充水加热负荷)和空调供暖热负荷。

本项目对游泳馆进行了逐项逐时的冷热负荷计算，夏季空调冷负荷为60 kW；冬季空调采暖热负荷100 kW。参考相关公式计算得到：泳池最大除湿量为70.5 kg/h，初次加热量为210 kW(48 h), 维持加热量为60 kW，淋浴用热220 kW。

泳池的冷热源选择：冷热源为三集一体多功能风冷热泵(池水加热、除湿及空气调节)，热源为燃气热水器三台(99 kW×3)。三集一体多功能风冷热泵的工作原理：将空气冷凝除湿的热量首先通过热交换器用来维持加热池水，余热经空气冷凝器加热除湿后的室内空气和新风，不足的热量由燃气热水器来辅助加热。

3 空调采暖系统

由于该室内泳池净高达11 m，属于高大空间，所以采用旋流风口顶送顶回的全空气空调和地板辐射采暖结合的方式。有的项目采用分层空调的形式，鉴于室内泳池的能耗主要在冬季：冬季送热风，热风密度小，会上浮到上部非空调区域，导致能源浪费，以及考虑到泳池防结露的特殊性，可见冬季采用分层空调并不节能[1]，气流组织也不合理。更衣室和淋浴室采用变流量多联机VRV系统，通风方式采用独立排风和新风补风。

3.1 低温热水地板辐射采暖系统

低温热水地板辐射采暖系统的温度分布比较均匀，热量多集中在下部，温度梯度小，给人以“脚暖头凉”的舒适感，并且地板采暖50%以上的热量是通过辐射传送出去的，能以较小的耗热量来达到相同的舒适条件。当然地板辐射采暖的缺点就是没有新风和排风，特别是泳池的空气中含氯，影响人体健康，无法满足空气品质需求，这就需要与全空气空调系统相结合。

本项目只在泳池四周区域做地板辐射采暖系统，地板辐射采暖面积为 400 m2，确定地面散热量时，应校核地表面平均温度(公式如下)，确保其不高于《地面辐射供暖技术规程》规定的最高限值32 ℃(人短期停留区)。

(1)

式中：tpj为地表面平均温度(℃)；tn为室内计算温度(℃)；qx为单位地面面积所需散热量(W/m2)。

地面装饰层均按瓷砖考虑，经过计算校核和散热损失附加，地面设计温度为30 ℃，采暖负荷为 32 kW。该采暖系统供回水温度为55/45 ℃，设计排管间距为 25 cm。为减少盘管回路损失，使供回水温差不致过大，连接在同一分水器、集水器上的同一管径的各环路的长度宜接近，并不宜超过120 m；本系统共设2组分集水器，16个环路。地板辐射采暖管采用PB管材，规格为φ16×2.0 mm。绝热材料采用聚苯乙烯保温板，厚度为30 mm，密度为25 kg/m3；地板辐射采暖设计流速不小于0.25 m/s；地板辐射采暖系统工作压力不大于0.8 MPa。

3.2 一次回风的全空气空调系统

根据以上计算,需要空调系统承担的热负荷约为100 kW-32 kW=68 kW。由于泳池属于湿热的空气环境，冬季采用全新风直流系统会比较浪费，就采用一次回风的全空气空调系统，冷热源为三集一体多功能风冷热泵(池水加热、除湿及空气调节)。

3.2.1 新风量的计算

泳池的处理过程会使池水含有大量的氯，并通过蒸发散湿到空气中。因此，新风量不小于人员所需新风量和室内空气中的氯气浓度在卫生要求范围内所需风量(即补偿排风和保持室内正压所需的新风量)两项中的较大值。

(1)人员所需新风量=人数×每人所需最小新风量[2]=40人×20 m3/(人·h)=800 m3/h

(2)室内空气中的氯气浓度在卫生要求范围内所需风量=游泳馆体积×换气次数=7 150 m2×0.5次/h=3 575 m3/h，考虑10%的漏风系数，排风量取4 000 m3/h。

注：娱乐性的游泳馆按1 h-1的换气次数可以满足此要求[3]。但此处为高大空间，换气次数取0.5 h-1。由上述计算得出，最大新风量为4 000 m3/h。

空气处理过程为：新风由状态点W预热到W’，与室内空气混合至状态点C，再等焓加湿到机器露点L，再热到送风状态点O，沿热湿比线处理到室内状态点N。

图1 空气处理过程的焓湿图

4 防结露和防渗透计算

结露和氯腐蚀是室内游泳馆普遍存在的问题。结露主要发生在冬季或梅雨季节。结露可以产生在围护结构内表面(结露), 也可以产生在围护结构内部(渗透)，所以应校核围护结构的传热系数是否满足不结露的要求，否则应采取必要的防护措施。

4.1 围护结构内表面结露验算

结露的判定条件是：围护结构的内表面温度低于室内湿空气的露点温度时，空气中的水蒸汽就凝结成水珠附着在围护结构内表面上。热工计算时，需要保证围护结构内表面的温度高于馆内空气露点温度1～2 ℃。

根据热量守恒方程，室内外温差的传热量等于围护结构内表面与室内空气间的传热量，即：

K(tn-tw)=αn(tn-tl)

(2)

可见，防结露就是要计算围护结构所需的最小热阻或最大传热系数K。

围护结构的最小热阻：

(3)

式中：Ro·min为围护结构最小传热阻,m2·℃/W;a为围护结构温差修正系数,外墙、外窗、屋面的修正系数均为1;tn为冬季室内计算温度,℃;tw为冬季围护结构室外计算温度,℃;αn为围护结构内表面换热系数，W/( m2·℃),平整的墙、窗、屋面按8.7 W/( m2·℃)取值；Rn为围护结构内表面换热阻,m2·℃/W,平整的墙、窗、屋面按0.115 m2·℃/W取值;Δty为冬季室内计算温度与保证围护结构内表面不结露的最低温度(按围护结构内表面温度高于露点温度2 ℃计算)的差值,℃。

由上式计算得出：当tn=28 ℃，Φ=65%时，Ro·min=0.71 m2·℃/W。

当tn=28 ℃，Φ=70%时，Ro·min=0.92 m2·℃/W。

当tn=28 ℃，Φ=75%时，Ro·min=1.32 m2·℃/W。

设计建筑的热工参数见表1。

表1 设计建筑的热工参数

通过对相对湿度为65%、70%、75%时所需的Ro·min计算，以及建筑提供的Rn相比较，可见，(1)外窗(包括透明幕墙)的Rn不满足要求，需要对其表面做防结露的处理，如采用双层玻璃窗，另设旋流风口吹热风，提高窗表面温度[4]。(2)当tn=28 ℃，Φ=70%时，屋面和外墙也可以满足防结露的要求，还可以节省能耗。

4.2 围护结构内部冷凝受潮验算

对于外侧有卷材或其他密闭防水层的平屋顶结构，以及保温层外侧有密实保护层的多层墙体结构，当内侧结构层为加气混凝土和粘土砖等多孔材料时，由于采暖期间存在着由室内向室外的水蒸气分压力差，在围护结构内部可能出现冷凝受潮，故应进行防潮验算[5]。

围护结构内部冷凝的判别条件：围护结构内部某处的水蒸气分压力大于该处饱和水蒸气分压力，则出现水蒸气冷凝。

游泳馆外墙的热工参数见表2。

表2 外墙传热系数计算(页岩多孔砖，内保温)

冷凝判别计算方法如下[6]：

(1)求出冷凝计算界面温度，得出冷凝计算界面的饱和水蒸气分压力；

冷凝计算界面应按下式计算：

注：冷凝计算界面的位置，应取保温层与外侧密实材料层的交界处。

经过计算得出，冷凝计算界面温度θc=9.14 ℃， 冷凝计算界面的饱和水蒸气分压力为1 171 Pa。

(2)求出冷凝计算界面的实际水蒸气分压力；

式中：Pi、Pe为内表面和外表面水蒸气分压力, 取室内和室外空气的水蒸气分压力，Pa；H1、H2、Hm-1为各层的水蒸气渗透阻，m2·h·Pa/g；H0为结构的总水蒸气渗透阻，m2·h·Pa/g。

计算得出该界面的实际水蒸气分压力为2 360 Pa >1 171 Pa，可见围护结构内部会出现冷凝，必须设置隔汽层，并严格控制保温层的施工湿度。(Pi=2 487 Pa,Pe=324 Pa)

5 结束语

(1)空调系统的冷热源采用三集一体多功能风冷热泵(池水加热、除湿及空气调节)，实现回收热量和除湿的功能。

(2)冬季空调采暖形式，高大空间泳池采用低温地板辐射采暖系统和一次回风的全空气空调系统相结合的方式，不仅优化气流组织环境，还可降低室内设计温度1～2 ℃，减少能耗。

(3)在给定室外计算温度和室内设计温度的前提下，通过防结露计算，选择合适的相对湿度，避免保守的相对湿度设计，降低能耗。

[1] 中华人民共和国建设部.公共建筑节能设计标准GB50189-2005[M]. 北京：中国建筑工业出版社，2005.

[2] 北京市建筑设计研究院.JGJ31—2003体育建筑设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2003.

[3] 夏旭辉.塔里木油田生活基地游泳馆暖通空调设计[J]．暖通空调， 2009，39( 6):91-94，128.

[4] 魏文宇, 刘 飞, 何海亮, 等. 大型游泳馆空调设计应注意的几个问题[J]. 暖通空调, 2001, 31(3):54-55.

[5] 中华人民共和国建设部.民用建筑热工设计规范(GB50176-93)[S].北京:中国计划出版社,1993.

[6] 夏中亮,等．社区休闲游泳馆冬季防结露设计分析[J]．河南建材，2011(3):43-44，46.

The HVAC Design of the Swimming Pool for the Large Space Building in Hangzhou

ZHOU Lei, LIU Hui

(1. Zhejiang Province Institute of Architectural Design and Research, Hangzhou 310006, China;2. Zhejiang Southeast Architectural Design Co., Ltd, Huzhou 313000, Zhejiang Province, China)

This paper introduces the HVAC design of the swimming pool for the large space building in Hangzhou, analyses emphatically the designing calculation of hot and cold source selection, air-conditioning&heating systems, anti-condensation and anti-infiltration. In order to reduce the energy of the swimming pool, the energy-saving measure of three-in-one air-source heat pump was used to meet the requirements of indoor emperature & humidity. Finally，sums up the energy-saving measure to provide a reference for the same design.

The large space building;The swimming pool; Floor heating system of low-temperature radiation; Heat recovery; Anti-condensation and anti-infiltration; Energy-saving

2015-05-11

2015-05-25

周磊(1981-)，男，同济大学工学硕士，暖通工程师。

10.3969/j.issn.1009-3230.2015.06.008

TU831.3.5

B

1009-3230(2015)06-0036-05