華東建筑設計研究總院       周鐘

       【摘   要】重點介紹牛首山文化旅游區內佛頂宮、寺、塔三者之一佛頂宮項目的空調、供暖、通風、水系統、防排煙以及自動控制設計的基本情況。以舍利大殿為例，分享本項目在內裝配合設計、管線綜合，高大空間溫度場速度場模擬幾方面所做的努力和思考。并對設計過程中，冷源的選擇，濕度控制問題進行了總結。

        【關鍵詞】暖通空調設計；宗教文化建筑；水蓄冷；溫度場速度場模擬；管線綜合

1 引言

       1.1 項目位置與總體設計理念

       本項目位于南京市江寧區牛首山與祖堂山之間，以“補西峰天闕，修七寶蓮道，藏舍利地宮，回復天闕勝景”為總體設計理念，以自然的手法恢復牛首天闕天際曲線。其中佛頂宮作為景區的核心建筑群分別承載了安奉舍利、天際構成、佛教傳承等多方面的功能和作用。

圖1   佛頂宮、佛頂寺、佛頂塔鳥瞰圖

       1.2 項目地理條件與功能布局

       本項目位于牛首山東西兩峰之間由挖礦所形成的礦坑之中，為最大限度得保護現有山體體型以及周邊環境，總建筑體量的80%被安置在了牛首山雙峰之間的礦坑中，向佛頂宮首層以下的延伸達到了44m之深。牛首山文化旅游區一期工程中佛頂宮建筑面積為100061m²， 建筑主體地下6層，地上4層，共10層；其中地上部分，中心區域為單層通高“禪境福海”人員集散大廳，建筑總高度為46.5m，內部凈高約41.2m；周邊為四層輔助空間，包括展示廳，商業區域，設備機房等功能；地下部分北側為半地下室外停車區域，可到達地下各層平面，同時在地下3層至地下1層區域設置斜坡式停車位。南側區域中，地下6層為舍利藏宮，功能為舍利保存，藏品庫等；地下5層~地下2層為舍利展示大廳以及佛教文化展廳、會議、辦公以及相關輔助用房，設備機房區域；地下2層，地下1層為餐飲，集中廚房區域，商業區域以及配套輔助用房，設備機房區域。

圖2   佛頂宮功能布局

2 空調設計參數^[1]

       空調設計參數詳見表1。

表1   空調房間設計參數

3 空調冷、熱源

       3.1 空調熱源

       設置集中鍋爐房，鍋爐房生產的熱水用于生活熱水系統、空調熱水系統的加熱。根據暖通、給排水專業提資，采暖熱負荷6800kW，生活熱水熱量1600kW，采暖期最大熱負荷8400kW，選用額定供熱量為2800kW燃氣承壓熱水鍋爐一臺，2100kW燃氣承壓熱水鍋爐兩臺，容量為7000kW。采暖期三臺鍋爐同時運行，非采暖期運行一臺2100kW鍋爐。鍋爐額定工作壓力為0.6MPa，運行供水溫度為95℃，運行回水溫度為70℃。

       3.2 空調冷源

       佛頂宮區域冷負荷為9800kW。考慮到項目使用功能、場地布置等多方面情況，佛頂宮集中設置冷源系統，冷凍機房結合佛頂宮與山體的空間結構設置，冷凍機房置于佛頂宮北側地下室。冷源部分采用高效、環保的水冷冷水機組及風冷熱泵機組，同時設置水蓄冷系統，利用晚間低谷電價獲得經濟效益，蓄水槽置于佛頂宮北側地下室。水蓄冷系統里有蓄/放冷水泵、蓄/放冷板式換熱器、2300m³蓄水槽以及控制系統，設計最大蓄冷量為5058RTH，夏季低谷電時段使用2臺500RT主機用來蓄冷，白天采用離心式冷水機組、風冷熱泵機組和蓄冷水池聯合供冷。

       3.3 恒溫恒濕空調

       舍利藏宮考慮到佛骨舍利對存放環境要求，采用風冷直接蒸發式恒溫恒濕（水加濕）精密分體空調機組，24h運行，一用一備，配備有應急電源，以滿足重要空間溫濕度要求及不間斷空調的要求。室外冷凝器結合建筑東側地下室和室外景觀設計情況進行設置。

4 空調水系統

       4.1 水系統形式

       佛頂宮空調水系統采用四管制形式，可以滿足不同區域的同時供冷、供熱需求，并便于實現流量控制。

       4.2 空調熱水系統

       空調熱水供回水溫度為55/40℃，由鍋爐產生95/70℃的高溫熱水經過水-水板式換熱器換熱后供空調末端設備使用。佛頂宮主體區域與蓮道區域分別設置二次泵，設備承壓均不超過1.0MPa。

       4.3 空調冷水系統

       空調冷水系統供回水溫度為6/13℃，夜間采用冷水機組進行蓄冷，蓄冷時機組進出水溫度為4/11℃，經過水-水板換蓄冷，蓄水槽供回水溫度為5/12℃，白天經過水-水板換釋冷，獲得6/13℃的供回水供給空調系統使用。佛頂宮主體區域與蓮道區域分別設置二次泵，設備承壓均不超過1.0MPa。

5 空調方式

       佛頂宮作為綜合體，內部具有不同的使用功能分區，各功能分區將根據各自的使用特點采用不同的空調方式。

       5.1 后勤、辦公、商業等小空間用房

       這些小空間用房采用四管制風機盤管加新風系統的形式。風機盤管采用吊頂安裝方式。室外新風與對應區域的排風進行集中的全熱交換，回收排風中的能量，節省運行能耗。

       5.2 禪境大觀、舍利大殿、宴會廳等大空間用房

       舍利大殿這類大空間用房采用全空氣定風量空調系統，根據使用功能、使用特點等分區設置。空氣處理機組臨近服務區域設置，并采用雙風機形式，可實現全室外新風運行，在室外氣象條件允許的情況下實現免費冷卻。機組配置全熱回收裝置，當室外空氣焓值高于某值或低于某值時，系統按最小室外新風量運行工況運行，空調排風通過旁通管直接排至排風豎井（或外百頁）后排至室外。室內氣流采取側送下回等氣流組織方式，具體結合各使用空間的使用特點、負荷特點及室內裝修要求等進行設置。

       5.3 消防安保、電氣控制室等房間采用風冷直接蒸發式分體空調機組。

6 舍利大殿空調設計總結

       舍利大殿設于佛頂宮地下5層至地下2層，凈高27.5m，該房間短邊長30m，長邊長50m。設448個蒲團供人安坐。于B5設置全空氣空調箱，采用噴口形式于B5層送風，并于B5層低位回風?？紤]到該空間高度、跨度較大，管線較為復雜，且為了避免之前宗教項目中出現的裝修遮擋風口導致出風有效面積過小等因素，故做了以下工作。

      6.1 溫度場及速度場模擬^[4]

       舍利大殿采用分層空調，于6.3m高處延房間墻面一圈設20個送風噴口，每個噴口風量為2030CMH。由專業噴口廠家深化確認噴口尺寸為φ500mm（喉部直徑為φ286mm），夏季送風角度為斜向上5°，冬季送風角度為斜向下10°。為了確保運營后，房間內安坐于大殿內的游客體感舒適，且不會感受到明顯的吹風感。通過Fluent流體模擬軟件，對該房間冬季以及夏季流場情況進行了進一步模擬確認，使其滿足GB 50736–2012《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》^[1]表3.0.2中風速以及房間設計溫、濕度參數的要求。參考其他大空間項目的模擬，具體模擬結果如下：

     （1）物理模型

       根據圍護結構尺寸，對內部裝飾簡化，得到下示的物理模型圖（圖3）。

圖3   物理模型圖

     （2）數學模型

       對于整個舍利大殿，氣體在內流動遵循質量守恒定律、動量守恒定律及能量守恒定律。所研究流體為三維連續不可壓縮流體，在研究過程中認為流體的屬性不變。流體的控制方程為Navier-Stokes 方程，采用有限容積法離散控制方程。數學模型采用 Realizable紊流模型。由于研究的流場考慮由溫差引起的浮升力的影響，應采用Boussinesq假設。在靠近壁面處采用標準壁面函數法來處理。

     （3）邊界條件

       入口邊界：根據噴口實際尺寸以及送風量，計算得到送風出口速度：8.783m/s，湍流強度取5%；

       出口邊界：自由出流邊界（outflow）；

       壁面：標準壁面。

     （4）計算結果

       夏季工況（圖4、5）。

圖4   Z=1m平面溫度分布圖	圖5   Z=1m平面速度（大小）分布圖

       由于舍利大殿設置了蒲團，考慮房間內人員多為就地安坐。因此重點考察人員頭部區域的空氣溫度以及風速。取Z=1m，得到圖7平面溫度圖以及圖8平面速度（大?。┓植紙D。

       從圖4中可以看到平面平均溫度約為25.5℃。整體上看，呈現與橢圓短邊軸對稱的分布，由中心到兩側溫度逐漸升高，這是由于大廳左右兩側存在部分氣流死角，而中心側則存在部分氣流短路向造成。若要改善此情況，可以增加與回風口最近的送風噴口的距離，在左右兩個端部增加送風口。而從圖5中可以看出除排風口附近外，大殿左右兩塊的人員靜坐區風速均小于規范中0.25m/s的設計要求，不會造成人有吹風感。

       冬季工況（圖6、7）。  

圖6   Z=1m平面溫度分布圖	圖7   Z=1m平面速度（大小）分布圖

       冬季參考夏季分析工況，得到Z=1m高度處的平面溫度圖，從圖6中可以看到平面平均溫度約為20.5℃。從整體上看，溫度分布同樣呈現與橢圓短邊軸對稱的分布，由中心到兩側溫度逐漸降低。溫度場該分布的原因與夏季工況相仿。而從圖7中可以看到，Z=1m 高度處除回風口處風速大于0.3m/s以外，其余人員靜坐區的風速均能滿足規范≤0.2m/s的要求，不會造成人有吹風感。

       冬季，夏季，垂直方向溫度分布（圖8、9）。  

圖8   夏季工況Y=0平面溫度分布圖	圖9   冬季工況Y=0平面溫度分布圖

       從夏季以及冬季Y=0處的平面的溫度分布圖。可以發現夏季工況時，由于射流噴口較近，并有一定角度，使氣流一部分向上運動，一部分向下。造成在Z=10m附近有低溫區。而在送風噴口的下部則有氣流死角。而冬季工況則同樣在Z=10m附近有高溫區，送風噴口的下部則有氣流死角，造成溫度較低。但兩種情況，均對人的舒適性沒有太大影響。

       6.2 內裝配合設計取代傳統設計配合內裝操作

       在以往空調施工配合階段大都采取設計配合內裝的方式，暖通設計師根據天花吊頂平面調整設備及風口位置。由于舍利大殿宗教文化的特殊性，其墻面上有大量的佛龕，為了一方面避免風口后期調整對空調效果的影響，另一方面對室內裝修產生破壞，故在本次項目中采用內裝修配合設計的操作模式，在確定送風口及回風口位置后對佛龕的位置布局進行深化和調整，在保證設備工藝的前提下，也實現了室內裝修的完整性與美觀性。

       6.3 其他

     （1）冷熱源的選擇

       本項目冷源部分采用高效、環保的水冷冷水機組及風冷熱泵機組，同時充分利用了地下空間較大的優勢，設置了水蓄冷系統，利用晚間低谷電價獲得經濟效益，并將蓄水槽置于佛頂宮北側地下室。蓄冷罐高度較高能夠形成斜溫層避免冷水和溫水的混合保證出水溫度。

       同時，由于建筑熱惰性較大，考慮到早晨預冷或預熱的需求，采用風冷熱泵機組在較小負荷情況下運行使得系統增加了更多的靈活性。

     （2）管線綜合^[5]

       整個佛頂宮B5層呈橢圓形，整個平面以全空氣系統為主，管道尺寸較一般空調水系統來得大，加之空調機房與使用區域距離較遠。故采用TFAS軟件，以小管讓大管，非重力管讓重力管的原則，并考慮管線保溫及吊支架安裝，后期檢修距離，對所有機電管線進行優化排布。部分管線綜合實例見圖10，圖11。

圖10   地下五層管線綜合3D圖

圖11   地下五層管線綜合剖面圖

7 結語

       佛頂宮項目的暖通設計結合其特殊的地理優勢設置了水蓄冷設施，利用晚間低谷電價獲得經濟效益。又因舍利藏宮放至佛頂舍利的特殊性設置了恒溫恒濕空調，確保舍利存放的環境要求。

       與此同時，為了保證舍利大殿前來參觀游客的舒適性以及整個項目現場施工的效果，本項目充分應用了BIM設計進行管線綜合，優化管線走向，減少了現場施工的修改量，提高了走道吊頂高度。而舍利大殿送風口因需要結合室內裝修，風口可以設置的位置以及送回風口大小受到現場裝修的諸多限制，因此借助FLUENT軟件的溫度場，速度場模擬也幫助我們進一步檢驗及優化了該空間空調風口位置、送風量、送風溫度，更好得確保了最終的空調使用效果。

參考文獻

       [1] GB 50736–2012.民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范[S].

       [2] GB 50016–2015.建筑設計防火規范[S].

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       [5] 郭進保, 馮超. 中文版Revit MEP 2016管線綜合設計[M]. 北京:清華大學出版社，2016.

       注：本文收錄于《建筑環境與能源》2019年10月刊總第26期。版權歸論文作者所有，任何形式轉載請聯系作者。