李 躍 虎

(鄭州市天友建筑設(shè)計(jì)有限公司,河南 鄭州　450000)

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高大空間公共建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要點(diǎn)分析

李 躍 虎

(鄭州市天友建筑設(shè)計(jì)有限公司,河南 鄭州450000)

介紹了高大空間公共建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)的特點(diǎn)，分析了空調(diào)系統(tǒng)冷熱源的選擇方法，并從分層空調(diào)系統(tǒng)、冬季輔助采暖系統(tǒng)、新風(fēng)熱回收系統(tǒng)等方面，闡述了幾種常用的采暖通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)形式特點(diǎn)，以供參考。

公共建筑，暖通空調(diào)系統(tǒng)，冷熱源，送風(fēng)口

做好高大空間公共建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作，設(shè)計(jì)者需要掌握適用于高大空間建筑的各種空調(diào)系統(tǒng)，并根據(jù)工程的實(shí)際情況，合理的選擇系統(tǒng)形式進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1　高大空間公共建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)的特點(diǎn)

現(xiàn)代高大空間公共建筑的一個(gè)顯著特點(diǎn)就是室內(nèi)高度較高，體積較大。一般的劇場(chǎng)、影院、體育館的室內(nèi)高度能夠達(dá)到10 m以上，一些體育場(chǎng)館的高度可達(dá)到30 m以上。與普通建筑相比，具有以下特點(diǎn)：

1)建筑高度較高，在室內(nèi)空間上會(huì)形成不同高度上的溫度差異梯度，這是區(qū)別于一般建筑的顯著特點(diǎn)。大空間建筑的外墻面積與地面面積的比值較大，室內(nèi)氣流組織容易受到外界環(huán)境的影響。

2)高大空間公共建筑人員聚集，使用時(shí)間集中，尤其是影劇院、多功能會(huì)議中心等對(duì)人員舒適度要求較高，空調(diào)冷、熱負(fù)荷分布不均勻，高峰負(fù)荷與低谷負(fù)荷差距較大。這些特征都對(duì)暖通空調(diào)系統(tǒng)提出了較高的要求。

3)高大空間建筑內(nèi)部往往具有多個(gè)功能區(qū)域，要求暖通空調(diào)系統(tǒng)能滿足不同功能區(qū)域的環(huán)境要求，空調(diào)負(fù)荷特性差異很大。例如，劇院觀眾廳外墻上的外窗很少，夏季圍護(hù)結(jié)構(gòu)的冷負(fù)荷相對(duì)較小，觀眾廳人員密集，新風(fēng)量很大，新風(fēng)比約為0.35～0.4，導(dǎo)致新風(fēng)冷負(fù)荷較大；而劇場(chǎng)舞臺(tái)區(qū)域人員相對(duì)不多，冷負(fù)荷主要由電氣設(shè)備發(fā)熱、燈光照明負(fù)荷等組成；劇場(chǎng)辦公區(qū)域、休息區(qū)域等空調(diào)負(fù)荷特點(diǎn)與一般辦公樓相差不大，采用普通的空調(diào)系統(tǒng)即可滿足要求。

又如，體育場(chǎng)館人員密集，人員、燈光照明、設(shè)備等散熱量占總冷負(fù)荷的比重較大，占比約為70%，新風(fēng)冷負(fù)荷占比約為20%，其余為圍護(hù)結(jié)構(gòu)冷負(fù)荷。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)不同功能的大空間建筑，按照不同功能區(qū)域劃分，分別計(jì)算空調(diào)負(fù)荷，選擇合理的空調(diào)系統(tǒng)形式。

2　高大空間公共建筑空調(diào)系統(tǒng)的冷熱源選擇

基于高大空間公共建筑空調(diào)系統(tǒng)相對(duì)普通建筑物空調(diào)系統(tǒng)的特殊性，其冷、熱源一般獨(dú)立設(shè)置。若區(qū)域內(nèi)設(shè)置有足夠能力的區(qū)域供冷、供熱站時(shí)，盡可能利用區(qū)域供冷、供熱站作為冷、熱源，以利于能源的集約使用。

對(duì)冷熱源種類的采用，可以選用常規(guī)的電動(dòng)壓縮式制冷機(jī)組、直燃式制冷制熱機(jī)組、集中式換熱站和鍋爐房，也可以選用全年用風(fēng)冷熱泵機(jī)組作為輔助冷熱源。近些年，在有條件的地區(qū)，水源/地源熱泵系統(tǒng)和冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)等新型節(jié)能環(huán)保技術(shù)越來(lái)越多地運(yùn)用于大空間建筑的空調(diào)系統(tǒng)中。水源/地源熱泵系統(tǒng)充分利用自然界的淺層水資源(地下土壤資源)所具備的熱穩(wěn)定性，夏季制冷，冬天制熱，全年使用，能效比高，能夠節(jié)約能源，減少運(yùn)行成本。冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)電力負(fù)荷的移峰填谷，利用用電高峰、低谷不同時(shí)段的電價(jià)差異，平衡電力負(fù)荷，大幅降低空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用。

設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)建筑物功能、負(fù)荷特征、自然條件等因素，因地制宜，科學(xué)論證，優(yōu)先選擇國(guó)家政策推廣的新型冷、熱源技術(shù)。

3　高大空間公共建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)的形式及分析

根據(jù)各種高大空間公共建筑的不同特點(diǎn)和空間特性，常用的采暖通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)有以下幾種：上送下回的全空氣空調(diào)系統(tǒng)；分層空調(diào)系統(tǒng)；座椅空調(diào)送風(fēng)系統(tǒng)；冬季輔助采暖系統(tǒng)；輔助房間的空調(diào)系統(tǒng)；新風(fēng)熱回收系統(tǒng)等。在設(shè)計(jì)時(shí)，要根據(jù)建筑物具體特征，合理選擇一種或幾種空調(diào)系統(tǒng)形式。

3.1上送下回的全空氣空調(diào)系統(tǒng)

有些高大空間公共建筑比如體育館、展覽館等，可以采用上送下回或者上送側(cè)回的空調(diào)系統(tǒng)。這種場(chǎng)所往往人員密度高、熱濕負(fù)荷及送風(fēng)量大、新風(fēng)比高，間歇使用，設(shè)計(jì)時(shí)一般采用大尺寸風(fēng)道的全空氣系統(tǒng)。上送風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)將送風(fēng)口安裝在頂棚或上部網(wǎng)架空間內(nèi)，回風(fēng)口設(shè)在下部座椅附近或周邊側(cè)墻上，空氣自上而下送至人員區(qū)，然后由回風(fēng)系統(tǒng)帶走，同時(shí)可在高大空間頂部或者舞臺(tái)空間上部設(shè)置機(jī)械集中排風(fēng)系統(tǒng)。設(shè)計(jì)中要注意到，在人員停留區(qū)域即距地面約2 m的高度空間內(nèi)，空調(diào)氣流平均風(fēng)速一般應(yīng)為0.2 m/s～0.5 m/s，送風(fēng)口風(fēng)速不大于10 m/s。

上送風(fēng)系統(tǒng)的適用風(fēng)口主要有噴口和旋流風(fēng)口等，其中旋流風(fēng)口則具有風(fēng)量大、送風(fēng)射程大、噪聲低、送風(fēng)流可調(diào)節(jié)、人員區(qū)風(fēng)速易控制、阻力特性穩(wěn)定等特點(diǎn)，因而被很多高大空間建筑采用。旋流風(fēng)口既可安裝在層高很高的場(chǎng)所如：工業(yè)廠房、機(jī)場(chǎng)、體育館、展覽館等，也可安裝在層高不太高的場(chǎng)所如會(huì)議室等。

上送風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)能將處理好的空氣均勻送到各個(gè)部位，可以滿足不同區(qū)域所需的環(huán)境要求。但也有一些缺點(diǎn)，比如這種系統(tǒng)將人員區(qū)域上方的空間也作為空調(diào)處理區(qū)域，相比其他空調(diào)系統(tǒng)會(huì)增加空調(diào)系統(tǒng)的能耗；再者將停留于上部空間的熱空氣帶入人員區(qū)域，造成人員區(qū)域空氣品質(zhì)相對(duì)不好等。設(shè)計(jì)中，要在環(huán)保節(jié)能的原則下進(jìn)行綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，選定合理的空調(diào)系統(tǒng)和設(shè)備。

3.2分層空調(diào)系統(tǒng)在高大空間公共建筑中的應(yīng)用

1)分層空調(diào)系統(tǒng)的特點(diǎn)：分層空調(diào)系統(tǒng)是指利用合理的氣流組織，僅對(duì)高大空間建筑物的下部區(qū)域(工作區(qū)域)進(jìn)行空調(diào)處理，而對(duì)上部區(qū)域(非工作區(qū)域)不做空調(diào)處理的方式，在大空間中間高度部位設(shè)有高速噴口，其送風(fēng)形成的射流層作為空調(diào)區(qū)域與非空調(diào)區(qū)域之間的分界層。分層空調(diào)系統(tǒng)制冷、制熱時(shí)將空調(diào)風(fēng)送至人員停留區(qū)，空調(diào)回風(fēng)口設(shè)于送風(fēng)口的側(cè)下方。相比起其他全部空間的空調(diào)系統(tǒng)，可節(jié)約空調(diào)系統(tǒng)能耗20%～40%，具有明顯的節(jié)能效益。

2)分層空調(diào)系統(tǒng)的氣流組織：在分層空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中最廣泛使用的氣流組織為側(cè)送下回的形式。將送風(fēng)噴口設(shè)置在高大空間周邊側(cè)墻上，送風(fēng)射流以 6 m/s～12 m/s的初始速度、8 ℃～12 ℃的送風(fēng)溫差和一定的噴射角度向場(chǎng)內(nèi)送風(fēng)，射流到達(dá)一定射程后折回下落，使其以較低的速度回流并經(jīng)過(guò)人員工作區(qū)域，一般工作區(qū)的空調(diào)風(fēng)流速可達(dá)到0.2 m/s～0.5 m/s。送風(fēng)噴口安裝高度通常在4 m以上，以避開障礙物對(duì)送風(fēng)射流的阻擋。

3)設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮的因素：第一，由于送風(fēng)噴口的位置大大高于人員工作區(qū)，導(dǎo)致射流下方的誘導(dǎo)卷吸氣流在自然狀態(tài)下無(wú)法流經(jīng)人員工作區(qū)，因此空調(diào)回風(fēng)口需設(shè)置在送風(fēng)噴口的同一側(cè)，使人員停留區(qū)域處于空調(diào)風(fēng)回流區(qū)域，滿足人員區(qū)域的空調(diào)環(huán)境要求。第二，根據(jù)高大空間建筑的空間跨度特征，設(shè)計(jì)時(shí)可采用單側(cè)送風(fēng)單側(cè)回風(fēng)的系統(tǒng)形式和雙側(cè)送風(fēng)雙側(cè)回風(fēng)的系統(tǒng)形式。第三，進(jìn)行空調(diào)冷負(fù)荷計(jì)算時(shí)，要考慮到非空調(diào)區(qū)域?qū)照{(diào)區(qū)域的熱輻射和熱對(duì)流引起的冷負(fù)荷，而且應(yīng)按分層計(jì)算空調(diào)冷負(fù)荷，分界層高度越低，下層空調(diào)區(qū)域越小，冷負(fù)荷越小。進(jìn)行空調(diào)熱負(fù)荷計(jì)算時(shí)，應(yīng)按照全部空間計(jì)算空調(diào)熱負(fù)荷。第四，分層空調(diào)系統(tǒng)采用側(cè)送風(fēng)形式時(shí)，由于空調(diào)送風(fēng)溫差大、氣流射程遠(yuǎn)，導(dǎo)致夏季制冷時(shí)冷空氣下降和冬季制熱時(shí)熱空氣上升的現(xiàn)象比較明顯。此時(shí)，送風(fēng)噴口應(yīng)選擇可調(diào)節(jié)型噴口，在夏季、冬季轉(zhuǎn)換空調(diào)工況時(shí)，可以調(diào)節(jié)噴口的送風(fēng)角度，同時(shí)噴口應(yīng)選用自配風(fēng)量調(diào)節(jié)閥型，能夠根據(jù)季節(jié)的不同和負(fù)荷的變化調(diào)節(jié)風(fēng)量的大小，以達(dá)到夏季和冬季均能滿足人員區(qū)域的環(huán)境要求。第五，當(dāng)分層空調(diào)系統(tǒng)的送風(fēng)覆蓋范圍較大時(shí)(>30 m)，可以考慮側(cè)送噴口在高度上分層設(shè)置，較高的噴口用來(lái)承擔(dān)距離較遠(yuǎn)的工作區(qū)的送風(fēng)，而較低的噴口承擔(dān)距離較近的工作區(qū)的送風(fēng)。第六，可以在非空調(diào)區(qū)域的頂部設(shè)置排風(fēng)系統(tǒng)，排除非空調(diào)區(qū)域聚集的余熱，降低上部空間的溫度，減少非空調(diào)區(qū)域?qū)照{(diào)區(qū)域的熱輻射影響和熱對(duì)流影響，保證人員區(qū)域室內(nèi)環(huán)境的品質(zhì)和穩(wěn)定。

分層空調(diào)系統(tǒng)是一種可靠的、節(jié)能的空調(diào)系統(tǒng)，在越來(lái)越多的高大空間建筑中得到廣泛地運(yùn)用。

3.3高大空間公共建筑的下送風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)

在大型影院、劇院的觀眾區(qū)，觀眾廳空間高大，人員集中，間歇使用，對(duì)噪聲控制要求較高，因此觀眾廳可以采用下送上回的低風(fēng)速全空氣空調(diào)系統(tǒng)。一般在座椅下設(shè)置送風(fēng)口送風(fēng)，回風(fēng)口設(shè)置于觀眾廳上部的頂棚，座椅下的小送風(fēng)口可以均勻設(shè)于小送風(fēng)柱上?？紤]到觀眾的人體舒適度要求，送風(fēng)溫差不宜大于5 ℃，一般為4 ℃左右。座椅下方的地面下設(shè)置夾層作為送風(fēng)道并采取防火降噪措施。采用下送風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)，溫度梯度自下向上緩慢升高，觀眾區(qū)溫度和濕度穩(wěn)定，氣流分布均勻，噪聲小，人體感覺(jué)舒適，同時(shí)空調(diào)負(fù)荷和送風(fēng)量較小，進(jìn)行空調(diào)設(shè)備選型時(shí)不需要附加過(guò)多的附加系數(shù)，特別適用于影劇院的觀眾廳。

設(shè)計(jì)中要注意的是，座椅下送風(fēng)口距離觀眾的腿腳部位很近，且后排送風(fēng)口距離前排觀眾的手臂關(guān)節(jié)處不足1 m，為了保證人員的舒適度，必須要對(duì)觀眾區(qū)的氣流速度和溫度梯度進(jìn)行嚴(yán)格控制。1)控制空調(diào)送風(fēng)溫差在4 ℃左右；2)送風(fēng)口的出風(fēng)速度不大于1.8 m/s，這樣在距離送風(fēng)口300 mm左右處的腿腳部位的實(shí)際風(fēng)速小于0.2 m/s，從而滿足人體舒適感要求和噪聲控制的要求，如圖1所示。

3.4冬季輔助采暖系統(tǒng)

現(xiàn)代社會(huì)高大空間公共建筑往往間歇性使用，閑置時(shí)間較長(zhǎng)，使用率較低。在北方的寒冷或者嚴(yán)寒地區(qū)，冬季采暖時(shí)可以采用空調(diào)制熱采暖結(jié)合散熱器采暖或者地板輻射采暖，一起作為冬季高大空間建筑的采暖方式。

設(shè)計(jì)時(shí)，空調(diào)采暖系統(tǒng)和輔助采暖系統(tǒng)分開設(shè)置。在建筑閑置的時(shí)候，只使用散熱器或者地板輻射采暖系統(tǒng)作為值班采暖，此時(shí)室內(nèi)值班采暖設(shè)計(jì)溫度宜為5 ℃～10 ℃。在建筑物使用時(shí)，同時(shí)使用空調(diào)制熱和散熱器或者地板輻射采暖作為冬季采暖系統(tǒng)。

由于地板輻射采暖系統(tǒng)采用熱輻射的方式進(jìn)行采暖，舒適性較好，在一些對(duì)環(huán)境溫度要求較高的場(chǎng)所，比如影劇院的觀眾廳等，適合采用地板輻射采暖系統(tǒng)。低溫?zé)崴匕遢椛洳膳到y(tǒng)的供回水溫度較低，一般在55 ℃～45 ℃。設(shè)計(jì)中在布置盤管時(shí)，靠近外墻外窗等處應(yīng)密集布置，而在房間中間部位等熱負(fù)荷較小的區(qū)域，應(yīng)加大盤管間距，從而實(shí)現(xiàn)最佳的采暖效果和節(jié)能效果。

3.5輔助房間的空調(diào)系統(tǒng)

在一些高大空間公共建筑內(nèi)，還設(shè)有一些會(huì)議室、休息室、貴賓室、音響器材室、機(jī)房等輔助房間。由于這些房間的使用功能、使用時(shí)間和環(huán)境要求均與高大空間主體部位不一致，設(shè)計(jì)者要注意獨(dú)立設(shè)置它們的空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)?？梢圆捎脗鹘y(tǒng)的風(fēng)機(jī)盤管加新風(fēng)系統(tǒng)、多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)、恒溫恒濕空調(diào)系統(tǒng)等。同時(shí)在控制上也要與建筑主體部位的空調(diào)系統(tǒng)區(qū)分開來(lái)，按照使用功能和使用時(shí)間分別進(jìn)行控制，達(dá)到最優(yōu)化的空調(diào)效果和節(jié)能效益。

3.6新風(fēng)熱回收系統(tǒng)

在體育館、禮堂、劇院等人員較為密集，設(shè)備散熱量較大的建筑內(nèi)，設(shè)置新風(fēng)熱回收系統(tǒng)，會(huì)具有顯著的節(jié)能效果。夏季、冬季空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)空調(diào)機(jī)組開啟，排風(fēng)機(jī)關(guān)閉，室外新風(fēng)先進(jìn)入空氣熱交換機(jī)組與室內(nèi)排風(fēng)進(jìn)行充分熱交換后，再進(jìn)入空調(diào)機(jī)組處理，最后送入觀眾廳內(nèi)，充分利用了室內(nèi)排風(fēng)中所含的余熱量，減少了空調(diào)機(jī)組的能耗。春、秋季過(guò)渡季節(jié)時(shí)，關(guān)閉空氣熱交換機(jī)組，開啟排風(fēng)機(jī)，室外新風(fēng)直接送入觀眾廳，加大送風(fēng)量即全新風(fēng)模式，可以增加室內(nèi)的新風(fēng)量，提高人體舒適感，同時(shí)節(jié)約了空調(diào)系統(tǒng)的能耗，如圖2所示。

這種系統(tǒng)可以有效的利用部分余熱量，減少空調(diào)系統(tǒng)的制熱量和制冷量，具有顯著的節(jié)能和經(jīng)濟(jì)效益。

設(shè)計(jì)這種系統(tǒng)時(shí)需要注意的是，在北方寒冷和嚴(yán)寒地區(qū)，冬季在使用過(guò)程中要對(duì)設(shè)備采取防凍保護(hù)措施。當(dāng)監(jiān)測(cè)到排風(fēng)溫度低于5 ℃時(shí)，要及時(shí)采取加熱等措施，保證其溫度大于5 ℃，避免因凍結(jié)等原因?qū)е孪到y(tǒng)不能正常工作。

4　結(jié)語(yǔ)

形式多樣化、功能復(fù)雜化的各種高大空間公共建筑的不斷出現(xiàn)，給暖通空調(diào)專業(yè)提出了不少新的要求。設(shè)計(jì)者不能生搬硬套、千篇一律，而要依據(jù)工程的不同實(shí)際情況，根據(jù)建筑物的建筑布局、使用功能、使用時(shí)間、室內(nèi)環(huán)境要求等要素，經(jīng)過(guò)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)挠?jì)算，進(jìn)行科學(xué)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，選擇最合理的系統(tǒng)方案，進(jìn)行最優(yōu)化的設(shè)計(jì)，對(duì)具有高大空間的公共建筑采用水源(地源)熱泵技術(shù)、使用分層空調(diào)系統(tǒng)以及冬季輔助采暖系統(tǒng)等是較為優(yōu)選的方案。

最后，需要特別注意的是，高大空間公共建筑的暖通空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)還應(yīng)與高大空間公共建筑的消防聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)相結(jié)合，使其設(shè)計(jì)方案既滿足使用要求，又能滿足安全要求，同時(shí)實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的目的。

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Analysis on HVAC system design points of high and big public building

Li Yuehu

(ZhengzhouTianyouBuildingDesignCo.,Ltd,Zhengzhou450000,China)

The thesis introduces HVAC system feature of high and big public building, analyzes cooling-heating source selecting method of HVAC system, and describes several common HVAC system features from aspects of delaminated air-conditioning system, winter assistant heating system and fresh wind recycling system, with a view to provide some guidance.

public building, HVAC system, cooling-heating source, air supply outlet

1009-6825(2016)23-0130-03

2016-06-08

李躍虎(1979- )，男，工程師,國(guó)家注冊(cè)公用設(shè)備工程師(暖通空調(diào))

TU831.3

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