0 引言

　　北京2022年冬奥会与冬残奥会包括北京、延庆、张家口3个赛区。北京赛区共设12个竞赛、非竞赛场馆，首钢工业园区作为北京赛区之一，包含1个竞赛馆和5个非竞赛场馆。首钢滑雪大跳台作为唯一的竞赛场馆，是北京2022年冬奥会单板滑雪及自由式滑雪大跳台的比赛场地。首钢滑雪大跳台是全球首个坐落在工业遗址内的冬奥会场馆，也是首个滑雪大跳台的永久性竞赛设施。首钢滑雪大跳台的规划设计将冬奥会场馆与原大型钢铁厂的关键设施(包括制氧厂、冷却泵房和空分塔)改造结合起来，沿工业晾水池——群明湖岸线布局^[1]。图1为首钢赛区平面图。

　　

　　图1 首钢赛区平面图   

　　 

　　1.首钢滑雪大跳台；2.制氧厂主厂房改造A楼；3.冷却泵房改造B楼；4.空分塔改造C楼；5.健身运动中心D楼；6.VR体验E楼；7.健身工作室F楼；8.智能停车库G楼；9.动力中心H楼。

　　1 工程概况

　　首钢滑雪大跳台项目总建筑面积为36 489 m²,由滑雪大跳台和配套设施两部分组成。滑雪大跳台的赛道由升降电梯、助滑道、起跳台和着陆区组成，采用独立的三角形结构，赛道结构具有可变性，能够满足不同赛事对赛道的要求。因跳台为室外构筑物，暖通空调系统的主要服务对象为竞赛配套建筑。

　　竞赛配套建筑包括A～H 8个单体建筑，在原制氧厂北区旧址改建或新建，参数及功能见表1。对首钢工业遗产的修缮、改造和利用是本项目可持续设计的重点之一。在最大限度保留原有建筑风貌的前提下，设计将A楼制氧厂主厂房、B楼冷却泵站和C楼空分塔等工业构筑物转化为满足民用建筑设计规范且能够为奥运服务的建筑。D～H楼为原址新建或完全新建的赛时服务配套用房。

　　2 设计参数

　　2.1 室内设计参数(见表2)

　　2.2 冷热负荷(见表3)

　　表1 竞赛配套参数及功能

　　 

　　 

	原场地建筑功能	改建、新建功能	面积/m2	建筑层数	高度/m
A楼	制氧厂主厂房(改造)	赛时服务中心，赛后体育、办公、休闲	9 873	地下1层～地上6层	23.15
B楼	制氧厂冷却塔(改造)	空调冷却塔及冬奥安检入口	1 199	3层	18.10
C楼	空分塔(改造)	转播平台			44.15
D楼	制氧厂车间(拆除)	健身运动中心(原址新建)	11 036	3层	17.80
E楼	制氧厂车间(拆除)	VR体验(原址新建)	1 773	2层	11.80
F楼	制氧厂车间(拆除)	健身工作室(原址新建)	2 988	3层	17.80
G楼		地下机械立体停车库(新建)	8 690	地下3层	-12.05
H楼		地下动力中心(新建)	3 620	地下1层	-7.35
合计			36 489

　　 

　　 

　　 

　　表2 竞赛配套设施室内设计参数 

　　 

　　 

	夏季温湿度		冬季温湿度		新风量	A声级噪声/dB
	干球温度/℃	相对湿度/%	干球温度/℃	相对湿度/%
技术用房	26	60	18	30	30 m3/(人·h)	≤50
VR体验馆	26	60	18	30	30 m3/(人·h)	≤50
体育展厅	26	60	18	30	30 m3/(人·h)	≤45
健身中心	26	60	18	30	30 m3/(人·h)	≤50
办公空间	26	60	18	30	30 m3/(人·h)	≤45
卫生间			16		10 h-1换气次数	≤50
淋浴间			25		10 h-1换气次数	≤50

　　 

　　 

　　 

　　表3 竞赛配套设施冷热负荷 

　　 

　　 

	建筑面积/m2	冷负荷/kW	冷负荷指标/(W/m2)	热负荷/kW	热负荷指标/(W/m2)
A楼	9 873(9 873)	1 004.0	102	954.0	96.6
B楼	1 199(508)	83.9	165	40.7	80.1
D楼	11 036(8 565)	1 538.8	180	845.7	76.6
E楼	1 773(1 323)	230.6	174	143.4	80.9
F楼	2 988(2 225)	378.7	170	231.3	104.0
G楼	8 690(0)
合计	35 559(22 494)	3 236.0	91	2 215.1	98.5

　　 

　　注：括号内数值为空调/供暖面积。

　　 

　　3 冷热源方案

　　1) 热源采用城市热力，由项目南侧道路引入，换热站设置于本项目动力中心(H楼)。项目总热负荷为1 991 kW,根据不同地块空调、供暖要求，共设置3套板式换热机组。

　　2) 冷源采用高效水冷机组+冷却塔形式，制氧厂北区48地块(本项目)、制氧厂南区39地块(其他项目)合用位于动力中心(H楼)的制冷机房，空调冷负荷为10 459 kW,设4台变频离心式水冷机组，提高部分负荷性能，单台制冷量为2 800 kW(800 rt),设计总容量为11 200 kW(3 200 rt),4台机组型号相同，互补性较好，备件通用性高。考虑输送距离较远，为减少输送能耗，冷水供/回水温度采用6 ℃/13 ℃。图2为冷源系统图。

　　

　　图2 冷源系统图   

　　 

　　经计算，制氧厂北区、南区阻力相差20 m, 对一级泵和二级泵系统进行能耗分析比较，结果见表4。二级泵系统供冷季可以减少水泵运行电耗69 300 kW·h, 所以选用二级泵系统，其中，一级泵扬程20 m, 用于克服机房内部阻力(制冷设备、机房内管道和阀门),二级泵按南北区阻力分别选取。

　　表4 一级泵、二级泵系统能耗比较

　　 

　　 

	流量/(m3/h)	扬程/m	功率/kW	台数	运行总能耗/(kW·h)
一级泵系统	380	55	105	4	378 000
二级泵系统					308 700
一级泵	380	20	37	2
二级泵北区	250	20	22	2
二级泵南区	350	40	75	3

　　 

　　注：按供冷季运行150 d, 每天运行10 h, 负荷系数为0.6计算。

　　 

　　3) 冷却塔设置于B楼设备层，B楼原为首钢制氧厂冷却站房，建筑整体为冷却塔体。原站房屋顶(高18.15 m)设有5个直径5 m的排风罩，楼体中部(12.00～15.50 m)之间设有填料层，底部(0.15～2.00 m)设有水池。B楼冷却站房经改造后分3层：1层为架空层，设有闸机作为冬奥安检入口；2层为办公室；3层室外放置空调冷却塔。为保留原冷却塔体出风口，维持顶层层高及旧址风貌，本设计将冷源冷却塔设置于屋顶下方，利用顶部原排风罩作为排风口，侧面为进风口。图3为B楼冷却站房纵剖面图。

　　

　　图3 冷却站房(改造后)纵剖面图   

　　 

　　考虑到冷却塔放置空间及单侧进风要求，设计16台单台风量150 m³/h的小型单面进风冷却塔。由于冷却塔数量较多，为避免出现布水不均匀现象，每4台冷却塔为1组设置1根布水管。图4为冷却塔横剖面图。

　　

　　图4 冷却塔横剖面图   

　　 

　　冷却塔原有排风罩的保留，增大了冷却塔排风口与进风口之间的距离。沿着冷却塔进风侧设置挡风隔板，能够有效避免冷却塔排风与进风的短路，提高冷却塔的散热能力。这种做法既保留了工业遗产，又有利于新设置的空调冷却塔的散热，一举两得。

　　4) 冷却塔散热气流组织模拟及返混率计算。

　　空气和水在冷却塔内进行热湿交换，热湿空气从冷却塔排风口排出，受环境风向和重力影响，部分热湿空气会返回冷却塔内，对冷却塔散热效果产生不利影响。

　　返混率指回流空气量与总进风量的比值，可以简化为进风口空气温度和环境温度差值与上排风口空气温度和环境温度差值之比。

　　对冷却塔带排风罩和不带排风罩时的返混率进行模拟，模拟条件为：进风温度30 ℃,排风温度取35 ℃,风速取北京夏季平均风速2.1 m/s, 风向按最多风向西南风(CSW)。使用Fluent软件进行CFD模拟，结果见图5、6。

　　

　　图5 冷却塔不带排风罩气流组织模拟结果   

　　 

　　

　　图6 冷却塔带排风罩气流组织模拟结果   

　　 

　　通过模拟结果可见，迎风面无热湿空气返流，背风面有明显空气涡流现象，即有明显热湿空气回流现象，不带排风罩时回流量较大，对进风温度影响较大，带排风罩时回流量较小，对进风温度影响较小。

　　根据温度变化，计算2种工况下的返混率，结果见表5。不带排风罩冷却塔背风侧返混率为8%,带排风罩冷却塔背风侧返混率为1%,冷却塔设置排风罩对减少冷却塔回流有显著作用。

　　表5 不带排风罩和带排风罩冷却塔返混率计算结果 

　　 

　　 

	进口温度/ K	出风口温度/ K	环境温度/ K	返混率/ %
不带排风罩	303.4	308.0	303.0	8
带排风罩	303.1	308.0	303.0	1

　　 

　　 

　　 

　　冷却塔设计时保留遗址排风罩并加以利用，既达到了工业遗址保护效果，又提高了冷却塔的散热能力。

　　4 末端方案

　　结合各楼栋空间尺度及建筑功能，设计相应的末端方案。

　　A楼主要为赛时服务、办公空间，层高为3.5～3.7 m, 冬夏季均采用风机盘管+带热回收新风机组末端，方便独立控制与室温调节，并在冬季有水管冻结危险或不适宜设置空调系统的房间设置散热器值班供暖系统。

　　B楼2层为赛时办公空间，净高4 m, 冬夏季均采用风机盘管+带热回收新风机组末端。

　　C楼为室外转播平台构筑物，高度44 m, 无空调系统。

　　D、E、F楼1、2层为健身房和体育展示开敞空间，层高6 m, 夏季采用舒适度、品质较高的全空气空调系统，设变频风机，过渡季可全新风运行，设相应变频排风机；3层为办公区，净高4 m, 夏季空调采用风机盘管+带热回收新风机组末端。

　　冬季供暖为减少热压作用造成的下部人员活动区域过冷、上部区域过热现象，提高房间的舒适性，采用地板辐射供暖形式；展示区全空气空调机组根据室内CO₂浓度间歇运行，维持室内新风供应，办公区新风机组正常运行，保证新风供应。

　　G楼为地下机械停车库，设有全智能停车系统，车库内无人员进入，设有机械通风系统，无空调设施。图7为地下机械停车库通风剖面图。

　　

　　图7 机械停车库通风剖面图(单位:mm)   

　　 

　　H楼为地下动力中心，包括制冷机房、换热站、变配电室等，站房设有机械通风系统，发热量较大的电气房间设专用空调，有冻结风险的卫生间设值班供暖。

　　5 工业遗址改造项目的暖通设计思考

　　5.1 设备专业空间布局

　　在工业遗址改造项目中，既要维持工业遗址原有的风貌，又要加入新的使用功能，通常都会面临设备用房面积不足、室内净高紧张的问题。暖通专业管线数量多、规格尺寸较大，为满足建筑的空间要求，更需要精细设计、合理布置。

　　A楼改造前为制氧厂主厂房，地下1层、地上2层。改造中，为了尽可能地保留原建筑的工业面貌，设计师保留了厂房屋顶具有特色的混凝土桁架结构和钢结构。改造后厂房内部新建建筑共6层，满足赛时、赛后的运营功能。原厂房地下部分为制氧机组设备基础层，改造后利用原有设备基础深度作为空调机房层，减少施工量的同时节省了投资。全楼共设4台热回收新风机组，均布置于地下空调机房内，室外取风、排风口设于首层。首层赛时为观众体验区，室内作为售卖、休息空间，室外与集散广场连通，赛后为群众运动休闲空间及室外活动设施。2～6层赛时为赛事管理办公及休息空间，赛后为办公用房。对原有的桁架层加以利用，形成了独特的办公空间。改造后建筑面积大幅增加，使用功能更为丰富，各专业管线十分密集。然而，各层层高仅有3.5～3.7 m, 管线布置空间非常紧张。故在施工图设计阶段，设计师对全楼管线复杂处均进行了精细化设计，水平风管拆分为2条，减小风管尺寸，凝水管分段设置，减少受坡度影响占用的空间，对各专业管线进行综合，调整、优化布置。图8为A楼管线布置剖面图。

　　

　　图8 A楼管线布置剖面图   

　　 

　　5.2 保护与再利用

　　对于工业遗存的构筑物，能够在保护的同时对其进行再利用，且用得恰到好处，是很困难的。本项目暖通设计巧妙利用了B楼原制氧厂冷却站房的建筑特点，保留其原有的排气罩，作为新建冷源系统冷却塔排风口使用，既保留了原建筑的工业风貌，又有效提高了现有冷却塔的散热能力。

　　6 结语

　　首钢滑雪大跳台项目是世界首个与工业遗产再利用直接结合的奥运场馆，在最大限度保留原有建筑风貌的前提下，将制氧厂区部分工业厂房转化为了为奥运服务的建筑。暖通专业设计师在设计过程中，充分发挥专业特点，将空调冷却塔与制氧厂冷却泵站相结合，保留工业遗址原有排风罩，作为空调冷却塔的排风罩，通过CFD气流组织模拟及计算，分析比较了带排风罩和不带排风罩对冷却塔空气返混率的影响，结果表明，带排风罩明显降低了冷却塔的返混率，有效提高了冷却塔的散热能力。本项目冷却塔的设计既保留了工业遗址，又提高了冷却塔散热能力，体现了对工业遗址的保护和再利用。

　　新项目采用集中冷源系统负担制氧厂北区和南区2个地块，对一级泵和二级泵系统运行能耗进行了比较，因不同地块阻力偏差较大，采用二级泵系统相对节能。为减少输送能耗，冷水系统采用6 ℃/13 ℃大温差。

　　对于工业遗址保护和再利用的项目，通常存在空间紧张、管道复杂的情况，需要暖通专业合理优化管线设计，满足改造工程对空间的要求。

　　本文引用格式：韩佳宝，贾昭凯，刘慧丽，等．首钢滑雪大跳台项目暖通空调设计［Ｊ］．暖通空调，2022,52（6）：68-71,61．