华东建筑设计研究总院 周钟
【摘 要】重点介绍牛首山文化旅游区内佛顶宫、寺、塔三者之一佛顶宫项目的空调、供暖、通风、水系统、防排烟以及自动控制设计的基本情况。以舍利大殿为例，分享本项目在内装配合设计、管线综合，高大空间温度场速度场模拟几方面所做的努力和思考。并对设计过程中，冷源的选择，湿度控制问题进行了总结。
【关键词】暖通空调设计；宗教文化建筑；水蓄冷；温度场速度场模拟；管线综合
1 引言
1.1 项目位置与总体设计理念
本项目位于南京市江宁区牛首山与祖堂山之间，以“补西峰天阙，修七宝莲道，藏舍利地宫，回复天阙胜景”为总体设计理念，以自然的手法恢复牛首天阙天际曲线。其中佛顶宫作为景区的核心建筑群分别承载了安奉舍利、天际构成、佛教传承等多方面的功能和作用。
图1 佛顶宫、佛顶寺、佛顶塔鸟瞰图
1.2 项目地理条件与功能布局
本项目位于牛首山东西两峰之间由挖矿所形成的矿坑之中，为最大限度得保护现有山体体型以及周边环境，总建筑体量的80%被安置在了牛首山双峰之间的矿坑中，向佛顶宫首层以下的延伸达到了44m之深。牛首山文化旅游区一期工程中佛顶宫建筑面积为100061m2， 建筑主体地下6层，地上4层，共10层；其中地上部分，中心区域为单层通高“禅境福海”人员集散大厅，建筑总高度为46.5m，内部净高约41.2m；周边为四层辅助空间，包括展示厅，商业区域，设备机房等功能；地下部分北侧为半地下室外停车区域，可到达地下各层平面，同时在地下3层至地下1层区域设置斜坡式停车位。南侧区域中，地下6层为舍利藏宫，功能为舍利保存，藏品库等；地下5层~地下2层为舍利展示大厅以及佛教文化展厅、会议、办公以及相关辅助用房，设备机房区域；地下2层，地下1层为餐饮，集中厨房区域，商业区域以及配套辅助用房，设备机房区域。
图2 佛顶宫功能布局
2 空调设计参数[1]
空调设计参数详见表1。
表1 空调房间设计参数
3 空调冷、热源
3.1 空调热源
设置集中锅炉房，锅炉房生产的热水用于生活热水系统、空调热水系统的加热。根据暖通、给排水专业提资，采暖热负荷6800kW，生活热水热量1600kW，采暖期最大热负荷8400kW，选用额定供热量为2800kW燃气承压热水锅炉一台，2100kW燃气承压热水锅炉两台，容量为7000kW。采暖期三台锅炉同时运行，非采暖期运行一台2100kW锅炉。锅炉额定工作压力为0.6MPa，运行供水温度为95℃，运行回水温度为70℃。
3.2 空调冷源
佛顶宫区域冷负荷为9800kW。考虑到项目使用功能、场地布置等多方面情况，佛顶宫集中设置冷源系统，冷冻机房结合佛顶宫与山体的空间结构设置，冷冻机房置于佛顶宫北侧地下室。冷源部分采用高效、环保的水冷冷水机组及风冷热泵机组，同时设置水蓄冷系统，利用晚间低谷电价获得经济效益，蓄水槽置于佛顶宫北侧地下室。水蓄冷系统里有蓄/放冷水泵、蓄/放冷板式换热器、2300m3蓄水槽以及控制系统，设计最大蓄冷量为5058RTH，夏季低谷电时段使用2台500RT主机用来蓄冷，白天采用离心式冷水机组、风冷热泵机组和蓄冷水池联合供冷。
3.3 恒温恒湿空调
舍利藏宫考虑到佛骨舍利对存放环境要求，采用风冷直接蒸发式恒温恒湿（水加湿）精密分体空调机组，24h运行，一用一备，配备有应急电源，以满足重要空间温湿度要求及不间断空调的要求。室外冷凝器结合建筑东侧地下室和室外景观设计情况进行设置。
4 空调水系统
4.1 水系统形式
佛顶宫空调水系统采用四管制形式，可以满足不同区域的同时供冷、供热需求，并便于实现流量控制。
4.2 空调热水系统
空调热水供回水温度为55/40℃，由锅炉产生95/70℃的高温热水经过水-水板式换热器换热后供空调末端设备使用。佛顶宫主体区域与莲道区域分别设置二次泵，设备承压均不超过1.0MPa。
4.3 空调冷水系统
空调冷水系统供回水温度为6/13℃，夜间采用冷水机组进行蓄冷，蓄冷时机组进出水温度为4/11℃，经过水-水板换蓄冷，蓄水槽供回水温度为5/12℃，白天经过水-水板换释冷，获得6/13℃的供回水供给空调系统使用。佛顶宫主体区域与莲道区域分别设置二次泵，设备承压均不超过1.0MPa。
5 空调方式
佛顶宫作为综合体，内部具有不同的使用功能分区，各功能分区将根据各自的使用特点采用不同的空调方式。
5.1 后勤、办公、商业等小空间用房
这些小空间用房采用四管制风机盘管加新风系统的形式。风机盘管采用吊顶安装方式。室外新风与对应区域的排风进行集中的全热交换，回收排风中的能量，节省运行能耗。
5.2 禅境大观、舍利大殿、宴会厅等大空间用房
舍利大殿这类大空间用房采用全空气定风量空调系统，根据使用功能、使用特点等分区设置。空气处理机组临近服务区域设置，并采用双风机形式，可实现全室外新风运行，在室外气象条件允许的情况下实现免费冷却。机组配置全热回收装置，当室外空气焓值高于某值或低于某值时，系统按最小室外新风量运行工况运行，空调排风通过旁通管直接排至排风竖井（或外百页）后排至室外。室内气流采取侧送下回等气流组织方式，具体结合各使用空间的使用特点、负荷特点及室内装修要求等进行设置。
5.3 消防安保、电气控制室等房间采用风冷直接蒸发式分体空调机组。
6 舍利大殿空调设计总结
舍利大殿设于佛顶宫地下5层至地下2层，净高27.5m，该房间短边长30m，长边长50m。设448个蒲团供人安坐。于B5设置全空气空调箱，采用喷口形式于B5层送风，并于B5层低位回风。考虑到该空间高度、跨度较大，管线较为复杂，且为了避免之前宗教项目中出现的装修遮挡风口导致出风有效面积过小等因素，故做了以下工作。
6.1 温度场及速度场模拟[4]
舍利大殿采用分层空调，于6.3m高处延房间墙面一圈设20个送风喷口，每个喷口风量为2030CMH。由专业喷口厂家深化确认喷口尺寸为φ500mm（喉部直径为φ286mm），夏季送风角度为斜向上5°，冬季送风角度为斜向下10°。为了确保运营后，房间内安坐于大殿内的游客体感舒适，且不会感受到明显的吹风感。通过Fluent流体模拟软件，对该房间冬季以及夏季流场情况进行了进一步模拟确认，使其满足GB 50736–2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》[1]表3.0.2中风速以及房间设计温、湿度参数的要求。参考其他大空间项目的模拟，具体模拟结果如下：
（1）物理模型
根据围护结构尺寸，对内部装饰简化，得到下示的物理模型图（图3）。
图3 物理模型图
（2）数学模型
对于整个舍利大殿，气体在内流动遵循质量守恒定律、动量守恒定律及能量守恒定律。所研究流体为三维连续不可压缩流体，在研究过程中认为流体的属性不变。流体的控制方程为Navier-Stokes 方程，采用有限容积法离散控制方程。数学模型采用 Realizable紊流模型。由于研究的流场考虑由温差引起的浮升力的影响，应采用Boussinesq假设。在靠近壁面处采用标准壁面函数法来处理。
（3）边界条件
入口边界：根据喷口实际尺寸以及送风量，计算得到送风出口速度：8.783m/s，湍流强度取5%；
出口边界：自由出流边界（outflow）；
壁面：标准壁面。
（4）计算结果
夏季工况（图4、5）。
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| 图4 Z=1m平面温度分布图 | 图5 Z=1m平面速度（大小）分布图 |
由于舍利大殿设置了蒲团，考虑房间内人员多为就地安坐。因此重点考察人员头部区域的空气温度以及风速。取Z=1m，得到图7平面温度图以及图8平面速度（大小）分布图。
从图4中可以看到平面平均温度约为25.5℃。整体上看，呈现与椭圆短边轴对称的分布，由中心到两侧温度逐渐升高，这是由于大厅左右两侧存在部分气流死角，而中心侧则存在部分气流短路向造成。若要改善此情况，可以增加与回风口最近的送风喷口的距离，在左右两个端部增加送风口。而从图5中可以看出除排风口附近外，大殿左右两块的人员静坐区风速均小于规范中0.25m/s的设计要求，不会造成人有吹风感。
冬季工况（图6、7）。
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| 图6 Z=1m平面温度分布图 | 图7 Z=1m平面速度（大小）分布图 |
冬季参考夏季分析工况，得到Z=1m高度处的平面温度图，从图6中可以看到平面平均温度约为20.5℃。从整体上看，温度分布同样呈现与椭圆短边轴对称的分布，由中心到两侧温度逐渐降低。温度场该分布的原因与夏季工况相仿。而从图7中可以看到，Z=1m 高度处除回风口处风速大于0.3m/s以外，其余人员静坐区的风速均能满足规范≤0.2m/s的要求，不会造成人有吹风感。
冬季，夏季，垂直方向温度分布（图8、9）。
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| 图8 夏季工况Y=0平面温度分布图 | 图9 冬季工况Y=0平面温度分布图 |
从夏季以及冬季Y=0处的平面的温度分布图。可以发现夏季工况时，由于射流喷口较近，并有一定角度，使气流一部分向上运动，一部分向下。造成在Z=10m附近有低温区。而在送风喷口的下部则有气流死角。而冬季工况则同样在Z=10m附近有高温区，送风喷口的下部则有气流死角，造成温度较低。但两种情况，均对人的舒适性没有太大影响。
6.2 内装配合设计取代传统设计配合内装操作
在以往空调施工配合阶段大都采取设计配合内装的方式，暖通设计师根据天花吊顶平面调整设备及风口位置。由于舍利大殿宗教文化的特殊性，其墙面上有大量的佛龛，为了一方面避免风口后期调整对空调效果的影响，另一方面对室内装修产生破坏，故在本次项目中采用内装修配合设计的操作模式，在确定送风口及回风口位置后对佛龛的位置布局进行深化和调整，在保证设备工艺的前提下，也实现了室内装修的完整性与美观性。
6.3 其他
（1）冷热源的选择
本项目冷源部分采用高效、环保的水冷冷水机组及风冷热泵机组，同时充分利用了地下空间较大的优势，设置了水蓄冷系统，利用晚间低谷电价获得经济效益，并将蓄水槽置于佛顶宫北侧地下室。蓄冷罐高度较高能够形成斜温层避免冷水和温水的混合保证出水温度。
同时，由于建筑热惰性较大，考虑到早晨预冷或预热的需求，采用风冷热泵机组在较小负荷情况下运行使得系统增加了更多的灵活性。
（2）管线综合[5]
整个佛顶宫B5层呈椭圆形，整个平面以全空气系统为主，管道尺寸较一般空调水系统来得大，加之空调机房与使用区域距离较远。故采用TFAS软件，以小管让大管，非重力管让重力管的原则，并考虑管线保温及吊支架安装，后期检修距离，对所有机电管线进行优化排布。部分管线综合实例见图10，图11。
图10 地下五层管线综合3D图
图11 地下五层管线综合剖面图
7 结语
佛顶宫项目的暖通设计结合其特殊的地理优势设置了水蓄冷设施，利用晚间低谷电价获得经济效益。又因舍利藏宫放至佛顶舍利的特殊性设置了恒温恒湿空调，确保舍利存放的环境要求。
与此同时，为了保证舍利大殿前来参观游客的舒适性以及整个项目现场施工的效果，本项目充分应用了BIM设计进行管线综合，优化管线走向，减少了现场施工的修改量，提高了走道吊顶高度。而舍利大殿送风口因需要结合室内装修，风口可以设置的位置以及送回风口大小受到现场装修的诸多限制，因此借助FLUENT软件的温度场，速度场模拟也帮助我们进一步检验及优化了该空间空调风口位置、送风量、送风温度，更好得确保了最终的空调使用效果。
参考文献
[1] GB 50736–2012.民用建筑供暖通风与空气调节设计规范[S].
[2] GB 50016–2015.建筑设计防火规范[S].
[3] 住房和城乡建设部工程质量安全监督司，中国建筑标准设计研究院.全国民用建筑工程设计技术措施—暖通空调·动力[M].北京:中国计划出版社，2011.
[4] 韩占, 忠王敬, 兰小平. FLUENT流体工程仿真计算实例与应用[M].北京:北京理工大学出版社，2008.
[5] 郭进保, 冯超. 中文版Revit MEP 2016管线综合设计[M]. 北京:清华大学出版社，2016.
注：本文收录于《建筑环境与能源》2019年10月刊总第26期。版权归论文作者所有，任何形式转载请联系作者。
