高大空間公共建筑暖通空調系統設計的要點分析

李 躍 虎

(鄭州市天友建筑設計有限公司,河南 鄭州　450000)

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高大空間公共建筑暖通空調系統設計的要點分析

李 躍 虎

(鄭州市天友建筑設計有限公司,河南 鄭州450000)

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

公共建筑，暖通空調系統，冷熱源，送風口

做好高大空間公共建筑暖通空調系統的設計工作，設計者需要掌握適用于高大空間建筑的各種空調系統，并根據工程的實際情況，合理的選擇系統形式進行設計。

1　高大空間公共建筑暖通空調系統的特點

現代高大空間公共建筑的一個顯著特點就是室內高度較高，體積較大。一般的劇場、影院、體育館的室內高度能夠達到10 m以上，一些體育場館的高度可達到30 m以上。與普通建筑相比，具有以下特點：

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

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

3)高大空間建筑內部往往具有多個功能區域，要求暖通空調系統能滿足不同功能區域的環境要求，空調負荷特性差異很大。例如，劇院觀眾廳外墻上的外窗很少，夏季圍護結構的冷負荷相對較小，觀眾廳人員密集，新風量很大，新風比約為0.35～0.4，導致新風冷負荷較大；而劇場舞臺區域人員相對不多，冷負荷主要由電氣設備發熱、燈光照明負荷等組成；劇場辦公區域、休息區域等空調負荷特點與一般辦公樓相差不大，采用普通的空調系統即可滿足要求。

又如，體育場館人員密集，人員、燈光照明、設備等散熱量占總冷負荷的比重較大，占比約為70%，新風冷負荷占比約為20%，其余為圍護結構冷負荷。設計時應根據不同功能的大空間建筑，按照不同功能區域劃分，分別計算空調負荷，選擇合理的空調系統形式。

2　高大空間公共建筑空調系統的冷熱源選擇

基于高大空間公共建筑空調系統相對普通建筑物空調系統的特殊性，其冷、熱源一般獨立設置。若區域內設置有足夠能力的區域供冷、供熱站時，盡可能利用區域供冷、供熱站作為冷、熱源，以利于能源的集約使用。

對冷熱源種類的采用，可以選用常規的電動壓縮式制冷機組、直燃式制冷制熱機組、集中式換熱站和鍋爐房，也可以選用全年用風冷熱泵機組作為輔助冷熱源。近些年，在有條件的地區，水源/地源熱泵系統和冰蓄冷空調系統等新型節能環保技術越來越多地運用于大空間建筑的空調系統中。水源/地源熱泵系統充分利用自然界的淺層水資源(地下土壤資源)所具備的熱穩定性，夏季制冷，冬天制熱，全年使用，能效比高，能夠節約能源，減少運行成本。冰蓄冷空調系統可實現電力負荷的移峰填谷，利用用電高峰、低谷不同時段的電價差異，平衡電力負荷，大幅降低空調系統的運行費用。

設計時，應根據建筑物功能、負荷特征、自然條件等因素，因地制宜，科學論證，優先選擇國家政策推廣的新型冷、熱源技術。

3　高大空間公共建筑暖通空調系統的形式及分析

根據各種高大空間公共建筑的不同特點和空間特性，常用的采暖通風空調系統有以下幾種：上送下回的全空氣空調系統；分層空調系統；座椅空調送風系統；冬季輔助采暖系統；輔助房間的空調系統；新風熱回收系統等。在設計時，要根據建筑物具體特征，合理選擇一種或幾種空調系統形式。

3.1上送下回的全空氣空調系統

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回的空調系統。這種場所往往人員密度高、熱濕負荷及送風量大、新風比高，間歇使用，設計時一般采用大尺寸風道的全空氣系統。上送風空調系統將送風口安裝在頂棚或上部網架空間內，回風口設在下部座椅附近或周邊側墻上，空氣自上而下送至人員區，然后由回風系統帶走，同時可在高大空間頂部或者舞臺空間上部設置機械集中排風系統。設計中要注意到，在人員停留區域即距地面約2 m的高度空間內，空調氣流平均風速一般應為0.2 m/s～0.5 m/s，送風口風速不大于10 m/s。

上送風系統的適用風口主要有噴口和旋流風口等，其中旋流風口則具有風量大、送風射程大、噪聲低、送風流可調節、人員區風速易控制、阻力特性穩定等特點，因而被很多高大空間建筑采用。旋流風口既可安裝在層高很高的場所如：工業廠房、機場、體育館、展覽館等，也可安裝在層高不太高的場所如會議室等。

上送風空調系統能將處理好的空氣均勻送到各個部位，可以滿足不同區域所需的環境要求。但也有一些缺點，比如這種系統將人員區域上方的空間也作為空調處理區域，相比其他空調系統會增加空調系統的能耗；再者將停留于上部空間的熱空氣帶入人員區域，造成人員區域空氣品質相對不好等。設計中，要在環保節能的原則下進行綜合技術經濟比較，選定合理的空調系統和設備。

3.2分層空調系統在高大空間公共建筑中的應用

1)分層空調系統的特點：分層空調系統是指利用合理的氣流組織，僅對高大空間建筑物的下部區域(工作區域)進行空調處理，而對上部區域(非工作區域)不做空調處理的方式，在大空間中間高度部位設有高速噴口，其送風形成的射流層作為空調區域與非空調區域之間的分界層。分層空調系統制冷、制熱時將空調風送至人員停留區，空調回風口設于送風口的側下方。相比起其他全部空間的空調系統，可節約空調系統能耗20%～40%，具有明顯的節能效益。

2)分層空調系統的氣流組織：在分層空調系統的設計中最廣泛使用的氣流組織為側送下回的形式。將送風噴口設置在高大空間周邊側墻上，送風射流以 6 m/s～12 m/s的初始速度、8 ℃～12 ℃的送風溫差和一定的噴射角度向場內送風，射流到達一定射程后折回下落，使其以較低的速度回流并經過人員工作區域，一般工作區的空調風流速可達到0.2 m/s～0.5 m/s。送風噴口安裝高度通常在4 m以上，以避開障礙物對送風射流的阻擋。

3)設計中應考慮的因素：第一，由于送風噴口的位置大大高于人員工作區，導致射流下方的誘導卷吸氣流在自然狀態下無法流經人員工作區，因此空調回風口需設置在送風噴口的同一側，使人員停留區域處于空調風回流區域，滿足人員區域的空調環境要求。第二，根據高大空間建筑的空間跨度特征，設計時可采用單側送風單側回風的系統形式和雙側送風雙側回風的系統形式。第三，進行空調冷負荷計算時，要考慮到非空調區域對空調區域的熱輻射和熱對流引起的冷負荷，而且應按分層計算空調冷負荷，分界層高度越低，下層空調區域越小，冷負荷越小。進行空調熱負荷計算時，應按照全部空間計算空調熱負荷。第四，分層空調系統采用側送風形式時，由于空調送風溫差大、氣流射程遠，導致夏季制冷時冷空氣下降和冬季制熱時熱空氣上升的現象比較明顯。此時，送風噴口應選擇可調節型噴口，在夏季、冬季轉換空調工況時，可以調節噴口的送風角度，同時噴口應選用自配風量調節閥型，能夠根據季節的不同和負荷的變化調節風量的大小，以達到夏季和冬季均能滿足人員區域的環境要求。第五，當分層空調系統的送風覆蓋范圍較大時(>30 m)，可以考慮側送噴口在高度上分層設置，較高的噴口用來承擔距離較遠的工作區的送風，而較低的噴口承擔距離較近的工作區的送風。第六，可以在非空調區域的頂部設置排風系統，排除非空調區域聚集的余熱，降低上部空間的溫度，減少非空調區域對空調區域的熱輻射影響和熱對流影響，保證人員區域室內環境的品質和穩定。

分層空調系統是一種可靠的、節能的空調系統，在越來越多的高大空間建筑中得到廣泛地運用。

3.3高大空間公共建筑的下送風空調系統

在大型影院、劇院的觀眾區，觀眾廳空間高大，人員集中，間歇使用，對噪聲控制要求較高，因此觀眾廳可以采用下送上回的低風速全空氣空調系統。一般在座椅下設置送風口送風，回風口設置于觀眾廳上部的頂棚，座椅下的小送風口可以均勻設于小送風柱上。考慮到觀眾的人體舒適度要求，送風溫差不宜大于5 ℃，一般為4 ℃左右。座椅下方的地面下設置夾層作為送風道并采取防火降噪措施。采用下送風空調系統，溫度梯度自下向上緩慢升高，觀眾區溫度和濕度穩定，氣流分布均勻，噪聲小，人體感覺舒適，同時空調負荷和送風量較小，進行空調設備選型時不需要附加過多的附加系數，特別適用于影劇院的觀眾廳。

設計中要注意的是，座椅下送風口距離觀眾的腿腳部位很近，且后排送風口距離前排觀眾的手臂關節處不足1 m，為了保證人員的舒適度，必須要對觀眾區的氣流速度和溫度梯度進行嚴格控制。1)控制空調送風溫差在4 ℃左右；2)送風口的出風速度不大于1.8 m/s，這樣在距離送風口300 mm左右處的腿腳部位的實際風速小于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

現代社會高大空間公共建筑往往間歇性使用，閑置時間較長，使用率較低。在北方的寒冷或者嚴寒地區，冬季采暖時可以采用空調制熱采暖結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。

設計時，空調采暖系統和輔助采暖系統分開設置。在建筑閑置的時候，只使用散熱器或者地板輻射采暖系統作為值班采暖，此時室內值班采暖設計溫度宜為5 ℃～10 ℃。在建筑物使用時，同時使用空調制熱和散熱器或者地板輻射采暖作為冬季采暖系統。

由于地板輻射采暖系統采用熱輻射的方式進行采暖，舒適性較好，在一些對環境溫度要求較高的場所，比如影劇院的觀眾廳等，適合采用地板輻射采暖系統。低溫熱水地板輻射采暖系統的供回水溫度較低，一般在55 ℃～45 ℃。設計中在布置盤管時，靠近外墻外窗等處應密集布置，而在房間中間部位等熱負荷較小的區域，應加大盤管間距，從而實現最佳的采暖效果和節能效果。

3.5輔助房間的空調系統

在一些高大空間公共建筑內，還設有一些會議室、休息室、貴賓室、音響器材室、機房等輔助房間。由于這些房間的使用功能、使用時間和環境要求均與高大空間主體部位不一致，設計者要注意獨立設置它們的空調通風系統。可以采用傳統的風機盤管加新風系統、多聯機系統、恒溫恒濕空調系統等。同時在控制上也要與建筑主體部位的空調系統區分開來，按照使用功能和使用時間分別進行控制，達到最優化的空調效果和節能效益。

3.6新風熱回收系統

在體育館、禮堂、劇院等人員較為密集，設備散熱量較大的建筑內，設置新風熱回收系統，會具有顯著的節能效果。夏季、冬季空調系統運行時空調機組開啟，排風機關閉，室外新風先進入空氣熱交換機組與室內排風進行充分熱交換后，再進入空調機組處理，最后送入觀眾廳內，充分利用了室內排風中所含的余熱量，減少了空調機組的能耗。春、秋季過渡季節時，關閉空氣熱交換機組，開啟排風機，室外新風直接送入觀眾廳，加大送風量即全新風模式，可以增加室內的新風量，提高人體舒適感，同時節約了空調系統的能耗，如圖2所示。

這種系統可以有效的利用部分余熱量，減少空調系統的制熱量和制冷量，具有顯著的節能和經濟效益。

設計這種系統時需要注意的是，在北方寒冷和嚴寒地區，冬季在使用過程中要對設備采取防凍保護措施。當監測到排風溫度低于5 ℃時，要及時采取加熱等措施，保證其溫度大于5 ℃，避免因凍結等原因導致系統不能正常工作。

4　結語

形式多樣化、功能復雜化的各種高大空間公共建筑的不斷出現，給暖通空調專業提出了不少新的要求。設計者不能生搬硬套、千篇一律，而要依據工程的不同實際情況，根據建筑物的建筑布局、使用功能、使用時間、室內環境要求等要素，經過嚴謹的計算，進行科學的技術經濟比較，選擇最合理的系統方案，進行最優化的設計，對具有高大空間的公共建筑采用水源(地源)熱泵技術、使用分層空調系統以及冬季輔助采暖系統等是較為優選的方案。

最后，需要特別注意的是，高大空間公共建筑的暖通空調系統的設計還應與高大空間公共建筑的消防聯動控制系統相結合，使其設計方案既滿足使用要求，又能滿足安全要求，同時實現節能環保的目的。

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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,國家注冊公用設備工程師(暖通空調)

TU831.3

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