衢州体育公园体育场空调系统设计分析

1 工程概况和场地条件

衢州体育公园一期项目为“一场三馆”，即由体育场、体育馆、游泳馆及综合训练馆(全民健身中心)组成的体育中心，如图１所示，该项目建筑方案的设计理念是人与自然和谐共处，主体建筑与地形融为一体，为大地景观式覆土建筑，其中体育场为乙级中型体育场,总座席数为3万座，总建筑面积(含停车楼及检录处)为89200m ² 。

衢州地区年平均空气温度为17.3 ℃，常年地下土壤平均温度约20℃；最热月平均空气温度为28.6℃，平均空气焓值为76.1J/kg，平均风速为2.3m/s；最冷月平均空气温度为5.2℃，平均空气焓值为15.9kJ/kg，平均风速为2.5m/s。

项目场地标高是北高南低;场地范围内景观湖水面积约3万m ² ，水深小于2m。景观湖的补水除了依靠收集场地内的雨水，在其北部设有暗渠补水系统，在其南部设有排水明渠，当水位高出明渠标高时，景观湖向外排水。

         

根据勘察资料，本场地属丘陵地貌，强风化泥质粉砂岩层及中风化泥质粉砂岩层厚度为14.0~15.2m。地下水稳定埋深为0~6.50m，基岩裂缝水经验渗透系数为1.00~5.00m/d。

2 空调方案分析

1）体育场空调负荷分析

由于体育建筑的特殊性，其空调负荷在赛时及赛后不同，笔者根据本项目建筑物的性质、主要房间用途、建筑面积及衢州市历年的气象资料，计算体育场的全年(其中8月1—10日举办赛事)空调动态负荷如图2所示。

从图2可知，体育场夏季空调的最大冷负荷出现在赛时，其冷负荷为2315kW；体育场夏季赛后空调冷负荷为1323 kW，冬季空调热负荷为926kW。

         

2) 体育场空调冷热源分析

从图１可以看出，体育场与“三馆”之间距离较远。根据业主要求：体育场要先于体育馆、游泳馆及综合训练馆建成使用，满足举办2021年省体育大会的使用条件。据此，体育场冷热源独立设置更为有利。根据场地条件及建筑特点，适合本项目体育场的空调冷热源方案有：①空气源热泵；②地源热泵；③景观湖水源热泵。

3) 体育场空调末端方案分析

体育场的空调房间主要为各类功能用房、设备机房、配套观众服务用房及运营用房等，均为小开间房间。对于这类空调房间，适合的空调末端方案主要有：①风机盘管机组＋新风空调系统；②空气源变制冷剂流量多联式空调(热泵)系统(空气源VRF)；③水源VRF。

4) 体育场赛后运营分析

体育场赛时所有房间统一管理，赛后除主要功能房间，其他房间对外出租经营，其空调系统设置应便于独立管理及部分房间的局部改造。

5) 体育场场地条件分析

体育场所处地质条件为粉砂岩层地质构造，打地源井的费用相对较高；体育场附近的景观湖水面积约3万m ² ，可以作为水源VRF系统的冷热源。

６)体育场空调方案的确定

根据景观式覆土建筑特点，结合上述分析，体育场空调方案采用水源VRF系统，将景观湖水作为冷热源，冬季极端天气时使用空气源热泵机组补充热源的不足部分，其空调水系统流程见图3。

空调水系统主要由景观湖取水系统、机房换热系统、空气源热泵补热系统及水源VRF室外机的末端水系统所组成。水源VRF室外机的末端水系统，根据体育场的椭圆形建筑特点布置同程系统。

3 景观湖水温度影响分析

水源VRF系统的关键在于其水源系统，而水温决定了该系统能否正常运行及其运行的经济性。

1) 景观湖水温度分析

根据文献可知，景观湖水温度主要与环境空气温度、空气湿度及风速相关，在空气温度不小于0℃时，其理论计算公式为：

         

式中：t _s 为景观湖水温度(℃)；ta为水面以上1.5m处环境空气温度(℃)；r为水面以上1.5m 处环境空气相对湿度(％)；w为水面以上1.5m处环境空气平均风速(m/s)。

         

利用式(1)，根据中国建筑热环境分析专用气象数据统计得到的衢州地区历年日平均地表水温度见图4。

         

从图4可知，景观湖水温度在夏季最高值为33.3℃，最热月平均值为30.4℃，在冬季最低值为4.0℃，最冷月平均值为8.2℃。地表水体深度小于3m，水体就不会由于温度差异而产生温度分层现象。本工程湖水温度不考虑水体分层的影响。

2) 夏季景观湖水面散热分析

地表水散热的主要渠道是水面蒸发。蒸发量取决于水面面积、水温、环境空气温度、环境空气湿度及水面上的风速等。根据文献可知，水面蒸发等温散热的散热量计算公式为：

         

式中：Q为水面蒸发散热量(kJ/h)；α 为热量换算系数(α＝4.187)；γ为水温下的饱和蒸汽的汽化潜热(kcal/kg)；pb 为水温下的饱和空气的水蒸气压力(mmHg)；pq 为环境空气的水蒸气压力(mmHg)；F为水面的面积(m ² )；760为标准大气压(mmHg)；B 为当地大气压(mmHg)。

式(2)中α与γ的乘积是景观湖水温度下的饱和蒸汽的汽化潜热ht(kJ/kg)，根据文献可知ht＝2500-2.35ts  (3)

则式(2)可以用下式表示：

         

如果夏季环境空气温度按最热月平均值，即空气干球温度28.6℃，空气焓值７6.1kJ/kg干空气，室外风速2.3m/s，水温30.4℃，水面面积30000m ^２ ，查标准焓G湿图可知，pb＝4344.5Pa＝32.59mmHg；pq＝2929.5Pa＝21.97mmHg；衢州地区夏季大气压力B＝997.8hPa＝748.4mmHg。将上述数值代入式(4)，可以计算得到水面蒸发散热量Q＝49438255kJ/h＝13733kW。

从前述空调负荷分析可知，体育场夏季赛时负荷为2315kW，如果水源VRF机组的夏季制冷性能系数按5.0计算，则体育场夏季需要景观湖水的总散热量为2778kW，这个值低于夏季水面自然蒸发散热量，故湖水水温整体不会升高，由于向湖水额外增加了这部分散热量，导致湖水的蒸发量增加，从而导致湖面上部空气焓值的增大，增加的这部分空气焓值Δh夏季为：

         

式中：Q排热为体育场夏季需要景观湖水的总散热量(kW)；ρ为环境空气密度(kg/m ³ )。计算得到Δh _夏季 ＝0.035kJ/kg干空气。

夏季湖面上部空气焓值的增加量占比η夏季约为

         

可以看出，体育场夏季向景观湖水的排热导致的环境空气参数变化很小。

3) 冬季景观湖水温温度变化分析

如果冬季环境空气按最冷月平均值，即空气干球温度5.2℃，空气焓值15.9kJ/kg干空气，室外风速2.5m/s，水温8.2 ℃，水面面积30000m ² ，查标准焓G湿图可知，pb＝1087.5Pa＝8.16mmHg；pq＝688.6Pa＝5.17mmHg，衢州地区冬季大气压力B＝1017.1hPa＝762.9mmHg。将上述数值代入式(4)，可以计算得到水面蒸发散热量Q＝1471926kJ/h＝4089kW。

从前述空调负荷分析可知，体育场冬季热负荷为926kW，如果水源VRF机组的冬季性能系数按5.0计算，则体育场冬季需要向景观湖水取热总量为741kW，这个值低于冬季水面自然蒸发的散热量，故湖水温度不会降低，由于向湖水取热的作用，导致湖水的蒸发量减少，使得湖面上部空气焓值降低，根据式(5)，同样可以得到降低的这部分空气焓值Δh _冬季 ＝0.008kJ/kg干空气。

冬季湖面上部空气焓值降低的量占比η冬季约为：

         

4 景观湖取水系统分析

地表水源热泵地表水的取水系统分为闭式和开式2种形式。闭式系统将换热盘管放置在湖底或河的底部，通过盘管内的循环介质与水体进行热交换。当地表水体环境保护要求较高或水质复杂，且水体面积较大、水位较深时，宜采用闭式系统。闭式系统的特点是换热效率低、初投资较高、无须水质处理、维护成本低。在开式系统中，从湖底或河的底部抽水，送入板式换热器与循环介质换热；在冬季水温较高的南方地区，也可以将水处理后直接送入热泵机组，换热后在距取水点一定距离的地点排放。开式系统的特点是换热效率高、初投资较低、需要进行水质处理、维护成本高。

本工程景观湖的取水系统采用开式的虹吸取水系统，在景观湖的北部湖底设有2 个取水口，取水口低于景观湖底约5m；在景观湖岸设有2个虹吸取水井，内设潜水泵。在取水口与虹吸取水井间设有虹吸水管，景观湖水流经具有3层过滤功能的取水口后被虹吸进入虹吸取水井，与部分通过渗透进入虹吸取水井的地下水混合后送入换热机房，换热后的回水经设在机房内的回灌水箱溢流排至景观湖的南部。

通过渗透进入虹吸取水井的地下水量与土壤的渗透系数、景观湖水位与虹吸取水井的水位差等相关，根据文献可知，在土壤渗透系数为1.0m/d，景观湖水位与虹吸取水井的水位之差为2m 时，其渗透部分水流量占总水流量的28％。         

如果夏季景观湖进入虹吸取水井的水温、冬季景观湖进入虹吸取水井的水温及地下水温度分别按30.4℃，8.2℃和20℃计算，则由于虹吸取水井有部分地下水的渗透影响，景观湖供水在夏季和冬季将分别有大约2.9℃(温降)和3.3℃(温升)的变化。

5 冬季补热系统分析

水源VRF系统在制冷工况进水温度10~45℃范围内和制热工况进水温度5~45℃范围内均可正常运行，但进水温度在5~10℃范围需要保障不低于机组额定流量。从前述景观湖水温度分析可知，夏季制冷工况水温没有问题，但是在冬季制热工况下，衢州地区会有部分极端天气景观湖水温度过低，导致水源VRF机组不能正常工作。因此，需要设置冬季极端天气的补热系统，保障水源VRF机组正常运行。

本项目采用空气源热泵系统作为冬季极端天气的补热系统，补热系统与主系统的连接方式见图5。补热系统单设补热循环水泵，负担补热系统内部的阻力。这种连接方式可以保证无论补热系统是否投入运行，对主系统的流量及系统阻力均无影响。

         

6 运行策略分析

根据前述分析可知，夏季赛时需要向景观湖水排放的热量为2778kW，夏季赛后需要向景观湖水排放的热量为1588kW，冬季需要向景观湖水取热总量为741kW。景观湖2套虹吸潜水泵的总流量为250m ³ /h，景观湖取水系统夏季赛时的水温差为10℃，夏季赛后的水温差为5℃，冬季的水温差为2.5℃。如果景观湖取水系统夏季的供水温度按27.5℃计算，板式换热器的温差按1℃计算，可以得到水源VRF系统供/回水温度夏季赛时为33.5℃/38.5℃，夏季赛后为28.5℃/33.5℃，如果景观湖取水系统冬季供水温度按11.5℃计算，板式换热器的温差按1℃计算，可以得到水源VRF系统供/回水温度为10.5℃/8.0℃。

7 自动控制分析

根据前述补热系统及运行策略分析，制定以下自动控制策略，以保证赛时空调系统正常运行，赛后节省空调系统的运行费用。

1) 景观湖虹吸潜水泵控制

在景观湖取水系统的总供/回水干管上设置温度传感器，景观湖虹吸潜水泵采用变频控制，根据温差信号，自动控制水泵的运行台数及转速。当供回水温差低于5℃时水泵变频运行，超过5℃时定速运行。

2) 水源VRF空调系统水泵控制

在水源VRF空调系统供/回水总管上设置温度传感器，水源VRF空调系统末端系统水泵采用变频控制，根据回水温度信号自动控制水泵的运行台数及转速。在夏季，当回水温度低于设定温度(约33.5℃)时，水泵变频运行；在冬季，当回水温度高于设定温度(约5℃)时，水泵变频运行；供回水温差大于7℃时水泵定速运行。

3) 补热系统运行控制

空气源热泵补热系统的启停，根据水源VRF空调系统末端系统总供水干管上的温度信号自动控制。当供水温度低于设定温度(约6℃)时，启动空气源热泵补热系统。当供水温度高于设定温度(约10℃)时，由景观湖水源独立供热，空气源热泵补热系统停止运行。

8 结束语

体育场空调采用景观湖水源VRF空调系统，既有利于体育场的赛后运营，又符合景观建筑“人与自然和谐共处”的设计理念。利用景观湖水作为空调冷热源，须要对湖水温度影响及相应的环境空气的变化进行分析；夏季向湖水的排热量应小于夏季湖水水面蒸发的自然散热量，冬季从湖水的取热量应小于冬季湖水水面蒸发的自然散热量。

景观湖水源采用开式虹吸取水系统，夏季可以降低供水温度、冬季则可以提高供水温度，这对于提高热泵机组制冷制热能效及延长冬季水温偏低地区的热泵制热运行时间都具有重要意义。

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