游泳館建筑空調(diào)節(jié)能設計思路探討論文
引言
最近幾年，包括比賽池、訓練池、休閑健身娛樂池、溫泉及水療(SPA) 等的游泳館相繼涌現(xiàn)，其數(shù)量明顯增加，作為大空間體育建筑重要的一類，與其他類型的體育建筑相比，雖具有一定的共性，但仍具有一定的特殊性, 游泳館空間體積龐大且存在大量水蒸氣，存在的設備也繁多復雜;特別是泳池冬季加熱耗能高，用水循環(huán)量大以及由于空氣濕度大，都使得空調(diào)負荷增加，從而增加空調(diào)能耗。與此同時，現(xiàn)有泳館室內(nèi)凝露現(xiàn)象普遍存在，不僅影響人體舒適感，而且對建筑圍護結(jié)構(gòu)的破壞也很嚴重，這些都已成了經(jīng)營者的沉重負擔[1]。通過對目前全國游泳館類建筑的調(diào)查和分析發(fā)現(xiàn)，中國游泳館的能耗比發(fā)達國家高 40%左右[2]，其空調(diào)系統(tǒng)方式的選取對節(jié)能至關(guān)重要，必須通過技術(shù)經(jīng)濟比較后合理確定，因此，游泳館的空調(diào)設計成了很多設計部門的新課題。
1、空調(diào)風系統(tǒng)的節(jié)能設計
1.1 空調(diào)風系統(tǒng)的選擇目前，一次回風定風量系統(tǒng)在游泳館空調(diào)系統(tǒng)中比較常見，這一空調(diào)通風量的確定與 h-d 圖的分析密不可分。同時，又受到建筑物空間形狀、空調(diào)系統(tǒng)形式、冷熱負荷變化、氣流組織、送風溫度、換氣次數(shù)等諸多因素的影響。當 ε 線與機器露點不相交時，還應增設再熱量。再熱需要消耗一定量的能量，因此，利用排風回收熱量或通過回收的冷凝熱量用作池區(qū)送風再熱，既保證送風溫度滿足要求，又減少了冷凝熱量的排放，同時，還能降低對室外熱環(huán)境的影響。
在泳池的空調(diào)通風設計時，一般不推薦采用二次回風，該回風方式不僅會提高系統(tǒng)總送風量，使管道布置困難，而且由于泳館的回風的含濕量較舒適性空調(diào)系統(tǒng)高，會把部分濕量再次帶入空氣處理系統(tǒng)中去，使得表冷器的負擔增加，導致機器露點下降，常規(guī)的供冷系統(tǒng)不易滿足要求。特別是在南方氣候濕度較大的天氣里，表現(xiàn)尤其明顯。
在泳館設計中，一般推薦采用變風量全空氣空調(diào)系統(tǒng)，變風量空調(diào)系統(tǒng)具有控制靈活、節(jié)能等優(yōu)點，能根據(jù)不同季節(jié)及室外新風狀態(tài)的情況，特別是能根據(jù)池水散濕量的變化情況，自動改變送風量，使風機的輸送能耗相應減少。風機的變風量途徑的方法很多，其中變速調(diào)節(jié)通風機的節(jié)能效果最好，而變頻調(diào)節(jié)方式更為節(jié)能。
對于在過渡季節(jié)及夏季對溫濕度要求不高的公共游泳場館、休閑游泳場館來說，在室外氣象條件較好的情況下，采用自然通風或全新風模式，減少冷水機組開機時間，降低運行能耗。因此，在設計時就應該充分考慮全新風模式運行的可能性。
冬季為保持館內(nèi)溫度，采用連續(xù)運行的采暖系統(tǒng)負擔外圍護結(jié)構(gòu)的耗熱量，由通風系統(tǒng)負擔排風所引起的熱損失。此采暖通風設計方案簡單易行且有利于節(jié)能和降低投資。冬季及過渡季利用室外較干燥的空氣加熱后送入室內(nèi)，排出室內(nèi)高濕空氣，保持室內(nèi)必要溫、濕度。
1.2 空調(diào)風系統(tǒng)送風量的確定
根據(jù)《公共建筑節(jié)能設計標準》的要求[3]，游泳館屬于面積較大、人員較多的場所，宜采用單風道送風全空氣空調(diào)系統(tǒng)。為消除余熱、余濕以及室內(nèi)污染物，游泳館空調(diào)無論采用何種系統(tǒng)均需要保證一定的通風量，一般常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)是根據(jù)冬、夏季設計工況確定通風量，而泳館空調(diào)設計則有其特點，需以過渡季工況計算通風量，這是由于在該季節(jié)室內(nèi)外空氣含濕量大體相同，且圍護結(jié)構(gòu)也存在著結(jié)露的隱患，因此，在設計中必須要以過渡季工況計算來校核保證最小除濕通風量，這點在泳館設計中是至關(guān)重要的。
為此，空調(diào)風系統(tǒng)送風量應按以下 4 個方面計算，并取大值。
(1)根據(jù)冬、夏季設計工況計算確定通風量;
(2)過渡季工況下的除濕風量;
(3)保證人員健康的最小新風量;
(4) 控制室內(nèi)污染物濃度指標的最小換氣次數(shù)。
值得注意的是，由于游泳館的高濕環(huán)境，不能直接用送入的低溫室外風來消除余熱，為防止室內(nèi)產(chǎn)生霧化現(xiàn)象，控制的送風溫度不能低于22 ℃，夏季還應根據(jù)這一要求來計算送風量。
1.3 新風量的確定
新風比對空調(diào)采暖系統(tǒng)能耗的影響至關(guān)重要，為了改善室內(nèi)環(huán)境，娛樂性游泳館大多采用直流式送排風方式，能源浪費嚴重，合理地利用回風是減少能耗最有效的措施。根據(jù)上海某泳館的測試資料表明，當新風比為0.31 時，冬夏季總耗電量減少了 6.8%。總耗氣量減少了約 50%;若過渡季采用全新風，空調(diào)供暖季節(jié)采用部分新風，則系統(tǒng)年總耗電量相對于全新風可降低15.6%，總耗氣量可減少 54.7%。
隨著水處理技術(shù)的提高，國內(nèi)游泳館池水越來越多地采用臭氧消毒技術(shù)，它對水的自然性質(zhì)沒有影響，也基本上可以消除酸性氣體對金屬制品的腐蝕，這就為通過加大系統(tǒng)中回風的使用量來取得節(jié)能的效果帶來了可能性。根據(jù)國內(nèi)外設計經(jīng)驗，在池水采用臭氧消毒技術(shù)游泳館中，盡可能采用可調(diào)新風比運行的方式送風，池區(qū)的新回風比不應小于 0.10;觀眾席的新回風比不宜小于0.30，當按人員數(shù)量得出的新風量超過 30%時，則按 30%選取。而對于池水采用氯氣消毒的游泳館，如需采用全新風運行，建議也應設置熱交換裝置用以回收熱量。
1.4 空調(diào)風管的節(jié)能設計
由于泳池在其他的設計方面同普通體育建筑有著共性，因此，在空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)絕熱材料的最小熱阻、經(jīng)濟厚度、送風溫差、空氣調(diào)節(jié)風系統(tǒng)的作用半徑等方面應按《公共建筑節(jié)能設計標準》之要求執(zhí)行[5]。
需要指出的是泳池內(nèi)部風管除絕熱層外，應設置隔汽層和保護層。由于泳池內(nèi)部空氣潮濕，保冷管道的絕熱層外的隔汽層是為了有效地防止絕熱層內(nèi)凝露，以保證絕熱效果，同時還應設置保護層來保護隔汽層。
2、空調(diào)氣流組織的節(jié)能設計
2.1 無看臺的游泳館空調(diào)方式無看臺的游泳館主要是服務于娛樂性場館或群眾非正式比賽時使用。它們的共同特點是池邊面積不大，要求不高，主要以滿足其冬季熱舒適性要求為主。此類游泳館在過渡季節(jié)及夏季宜采用直流通風的方式進行除濕，這樣可以節(jié)約夏季空調(diào)冷耗，冬季除濕效果又好，對防結(jié)露有利。
2.2 有固定看臺的游泳館空調(diào)方式對于絕大部分存在高大空間的比賽用場館內(nèi)，冬季空調(diào)時要使游泳區(qū)保持 20～28 ℃，觀眾區(qū)保持18～22 ℃，這屬于兩種不同的空氣要求，為了盡量提高看臺的舒適度，同時滿足比賽時池區(qū)溫濕度，應采用分區(qū)空調(diào)的方式[6]。一般來講，單面看臺宜采用垂直空氣幕分隔，雙面看臺宜采用水平風幕分隔。在泳館內(nèi)采用一定的方式使池邊和看臺溫濕度場分開。分區(qū)已成為在同一高大空間營造兩種小氣候環(huán)境且上冷下熱的必要條件。只有這樣，才能最大限度地減弱由于熱壓引起的自然對流，節(jié)能運行。
在現(xiàn)實工程中，兩區(qū)間如無某種隔斷是難以達到分區(qū)空調(diào)要求的。目前分區(qū)方法有兩種：
�、俨捎貌ＡЦ糸_�？照{(diào)效果最佳，但會對觀賞的氣氛有較大影響，同時還有構(gòu)造和造價等問題。
�、诖怪憋L幕隔斷，為了保證效果，所需風量頗大，給工程中布置管道帶來很大困難，且能耗也高。對于實際工程來講，單面看臺可以考慮垂直風幕，雙面看臺可以采用水平風幕，但使用水平風幕不可能作出上下溫差很大的兩個區(qū)，還應考慮一定的溫差，實驗證明這是一種可行的辦法。
2.3 競賽性游泳館內(nèi)送風方式
2.3.1 置換式或誘導式坐椅下送風隨著暖通空調(diào)技術(shù)的發(fā)展，在體育建筑中置換式或誘導式坐椅下送風成為一種流行趨勢[7]。在條件允許的情況下是可行的。根據(jù)以往的設計經(jīng)驗來看，坐椅下送風的末端送風設備的送風溫度不宜低于 19℃，末端送風設備的送風速度不宜高于0.5 m/s，以保證人體舒適性的要求，同時通過置換式或誘導式的氣流方式也達到了節(jié)能的要求。
2.3.2 分層式送風
目前國內(nèi)游泳館比賽大廳空調(diào)系統(tǒng)主要采取分層式送風方式。游泳館池廳的空調(diào)系統(tǒng)屬舒適性空調(diào)。
雖然池廳容積大、凈空高，但為降低空調(diào)負荷，充分節(jié)能，避免將屋頂和燈光負荷帶入觀眾席，因此，只需要在人們活動的下部空間范圍內(nèi)和觀眾席對空氣質(zhì)量進行控制即可。同時，也能充分降低系統(tǒng)初投資，有利于污染物的消除。缺點是溫濕度不均勻，上部空氣潮濕，如局部外圍護結(jié)構(gòu)保溫薄弱則易結(jié)露，建議采用天窗送熱風或提高圍護結(jié)構(gòu)的保溫性能等措施來避免結(jié)露現(xiàn)象，以保證空調(diào)效果。
2.3.3 籠罩式送風
該氣流組織方式是指將空調(diào)處理過的空氣以送風流場的要求用條縫風口或噴口向上送入泳池上部區(qū)域，再經(jīng)過下部區(qū)域回風的空調(diào)方式，有學者形象地稱之為籠罩式氣流組織，在目前國外競賽性游泳場館得到了大量的運用，其優(yōu)點是溫濕度均勻，氣流場穩(wěn)定，上部空氣干燥。由此得知，對于競賽性場館，在屋頂受條件所限無法布置排風機或大量采用玻璃等建筑材料時，這種空調(diào)氣流組織方式可以有效地降低屋頂外圍護結(jié)構(gòu)較薄弱處結(jié)露的可能。但相對來說，所消耗的能量較大，有關(guān)資料表明[8]，在屋頂開窗比為50%時，空調(diào)系統(tǒng)采用籠罩式氣流組織方式的'風量要比分層式的大 19.5%，而盤管的冷量則要大 5.8%。因此，在設計中應結(jié)合實際情況合理的選擇該送風方式，并經(jīng)過技術(shù)分析比較最終確定。
2.4 娛樂性游泳館常用的氣流組織方式娛樂性游泳館內(nèi)的游泳者一般為非專業(yè)運動員，可能還會有老人和兒童，因此，池水設計溫度比競賽池溫度高，室內(nèi)設計溫度也相對較高。為了增強冬季除濕效果，降低夏季空調(diào)能耗，降低結(jié)露的危險，因此，采用下送上(側(cè))排的系統(tǒng)，送風口可根據(jù)建筑布局利用池邊休息長凳或直接均勻的布置在側(cè)墻地面上，也可以利用送風柱、跳臺等位置布置風口。
通過側(cè)、頂部排風，使室內(nèi)保持微負壓狀況，有利于節(jié)能。這種游泳池大多采用大面積落地窗，為保持建筑上的通透效果，熱風送風風口應設于玻璃窗下方，自下向上送熱風，則既可以提高玻璃內(nèi)表面溫度以防結(jié)露，又可降低酸性氣體及濕空氣的侵蝕。
其次排風口、回風口在池水上部或盡量靠近水面布置。這樣做可以使?jié)窨諝庖宰疃痰穆烦屉x開池區(qū)，避免對室內(nèi)空氣造成侵害。
3、風系統(tǒng)熱回收的運用
游泳館通風空調(diào)系統(tǒng)中的空氣一般不能循環(huán)使用，池水也需要加熱和定期更換，通過對冬季泳館總耗熱量實測中，用于送采暖和排風的熱量約占總耗熱量的 50%左右，而用于池水加熱的熱量也占到了 1/3以上，加上更換的池水和淋浴排出的廢熱，這些都具有較大的能量回收利用價值和潛力[9]。由于泳池建筑的特殊性，冬季室內(nèi)空調(diào)設計溫度要比普通區(qū)域的設計值高許多，因此，設置熱回收裝置，不但可以提高系統(tǒng)效率，減少熱量的無償流失，降低加熱能耗，還可以充分利用熱回收對新風進行預熱，使新、回風混合點避開結(jié)露區(qū)。
由此可知，分系統(tǒng)熱回收具有十分積極的經(jīng)濟效益。
熱回收裝置可分為全熱回收和顯熱回收兩種，游泳館自身濕負荷較大，如采用全熱回收則會將排風中的部分濕量再次帶回空調(diào)處理區(qū)，這樣空調(diào)機組的除濕負荷會增加，因此，游泳館空調(diào)應以顯熱回收為主。
當然，在確保冬季室內(nèi)濕度，不增加空調(diào)機組的除濕負荷的前提下，為進一步提高回收效率，依據(jù)回收設備不同也可回收一部分潛熱。
游泳館常用的熱回收設備有轉(zhuǎn)輪換熱器、板式顯熱換熱器、中間熱媒式換熱器、熱管換熱器、風冷熱泵機組等。
在工程設計中應結(jié)合泳池工程的規(guī)模大小，根據(jù)不同產(chǎn)品各自的特點、投資情況、機房面積、泳池功能分類以及附近空氣品質(zhì)等因素合理選擇，才能取得較好的經(jīng)濟效益。
近幾年來，市場上出現(xiàn)了利用一種熱泵能量回收技術(shù)來處理泳池空氣的設備，該技術(shù)是一項集節(jié)能與環(huán)保為一體的系統(tǒng)工程。在中小型娛樂性游泳館空調(diào)系統(tǒng)中應用該技術(shù)可取得明顯的節(jié)能效果和環(huán)境效益。這也充分證實了利用熱泵技術(shù)回收低焓能低熱資源，對改善能源消耗結(jié)構(gòu)，節(jié)省常規(guī)能源和保護環(huán)境等方面均具有重要意義[10]。
4、空調(diào)冷熱源的節(jié)能措施
4.1 優(yōu)先采用或結(jié)合可再生能源系統(tǒng)游泳館空調(diào)系統(tǒng)可根據(jù)項目所在地太陽能、地源等資源和環(huán)境條件，采用可再生能源，降低能耗，節(jié)省費用。
游泳館能源系統(tǒng)除了夏季制冷空調(diào)和冬季供熱空調(diào)及供暖要求外，游泳館常年存在池水加熱和生活用水加熱的需求，地源熱泵系統(tǒng)夏季在供冷的同時可免費供熱，機組用能效率極大提高，單獨制冷時，以地下水為冷卻水，可以提高機組運行效率；過渡季和冬季從地下水中取熱，熱泵又始終以較高的效率運行，同時，減少了相應的一次能源消耗，實現(xiàn)了節(jié)能減排。還可以滿足過渡季必需的供熱溫度，實現(xiàn)最大范圍內(nèi)的節(jié)能減排。
4.2 采用冷凝器熱回收的機組
采用普通水冷機組提供冷熱源的游泳場館，根據(jù)經(jīng)濟技術(shù)比較，宜優(yōu)先采用冷凝器熱回收機組，在夏季利用回收冷凝熱加熱衛(wèi)生熱水或池水保溫，多余熱量再通過冷卻塔散掉。
目前，冷水機組熱回收技術(shù)運用已經(jīng)越來越廣泛，技術(shù)上也日趨完善，冷水機組全部熱回收技術(shù)廣泛應用于低溫熱水的預熱，使其熱交換效率更高;部分熱回收盡管應用于高溫熱水的加熱，會增加冷水機組的功耗，但總功耗相對于用鍋爐加熱來講還是節(jié)約很多的，所以無論是利用熱回收進行預熱還是加熱熱水，都可以節(jié)省大量的系統(tǒng)運行費用。
全熱回收出水溫度一般在 40 ℃左右，屬低品位熱量，在泳館主要以供熱為主的場所運用全熱回收的意義不大。而部分熱回收出水溫度一般在 60 ℃以上，理論上可無限接近于壓縮機排氣溫度，在泳館中使用有著一定的節(jié)能意義。
值得指出的是，通過熱回收方式輔助供熱僅是節(jié)能和環(huán)保的手段之一，不能代替單一供熱功能的熱源，并且在初投資上不能節(jié)省而只是節(jié)約運行費用。
4.3 采用雙冷凝器的機組
采用風冷熱泵提供冷熱源的游泳場館，應采用雙冷凝器的機組，夏季應先利用回收冷凝熱加熱衛(wèi)生熱水，多余熱量再通過翅片冷凝器散掉。
空氣源熱泵雙冷凝器的機組(即空氣源熱泵三用機組) 可在一年四季充分發(fā)揮空氣源熱泵的省電作用，長時間、大限度、雙向地節(jié)能，集供冷氣兼供熱水、供暖氣兼供溫 / 熱水、供熱水為主兼供冷氣、專供熱水、快速供熱水等多種功能于一機，熱水器年平均約節(jié)電 85%，空氣源熱泵平均增加制冷量 10%～20%，雙效節(jié)能。采用蓄熱系統(tǒng)還可享受低谷電價，有效避開用電高峰時段，這樣運行費用將更加低廉。
5、空調(diào)系統(tǒng)的自控設計
作為體育建筑的重要組成部分，目前各類游泳館建筑種類繁多，而同一館內(nèi)建筑布局使用功能也不少，同一館內(nèi)各個區(qū)域、季節(jié)、時段對空調(diào)送風量的要求也是不一致的，因此，合理設置空調(diào)自控系統(tǒng)，對通風空調(diào)系統(tǒng)的全年運行模式(制冷模式、制熱模式、熱回收模式和全新風模式)進行優(yōu)化。通過運行模式的調(diào)節(jié)，同時，滿足夏季空調(diào)、冬季池區(qū)供熱和池水加熱，達到節(jié)能的效果有著重要的意義。
6、結(jié)語
(1)游泳館應優(yōu)先考慮通風和采暖方式，特別是全年使用的大型游泳館，冬季的供暖尤其重要。同時，外圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)表面送熱風對防結(jié)露有較好的效果。
(2)游泳館宜采用下送風的方式，游泳人員熱舒適可得到充分滿足，觀眾也可以得到比較滿意的溫濕度環(huán)境。在屋頂外圍結(jié)構(gòu)薄弱尤其是有天窗的情況下，也可以采用籠罩式氣流組織方式和分層式氣流組織方式。
(3)游泳館應采取分區(qū)空調(diào)送風。對觀眾區(qū)和泳池區(qū)以不同的溫、濕度送風，可以在滿足游泳人員熱舒適的條件下，降低觀眾區(qū)溫度，改善觀眾區(qū)的熱感。同時，分區(qū)送風能最大限度地減弱由于熱壓引起的自然對流，節(jié)約能源。
(4)游泳館是耗能大戶，可以采取節(jié)能措施的方面很多，如排風熱能回收，廢水中的熱量回收，制冷主機的部分熱回收及空調(diào)系統(tǒng)完善自控設計等，在設計上要給予重視。
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