高大空間公共建筑暖通空調系統設計要點分析

彭曉娟 山東省環境保護科學研究設計院有限公司，山東省環科院環境工程有限公司

暖通空調系統是現代建筑中不可或缺的部分，其發揮著通風、采暖、制冷以及防排煙等重要作用。高大空間公共建筑設計中，必須對暖通空調系統進行科學設計，從而確保公共建筑的使用功能[1]。

1 高大空間公共建筑的特點

1.1 室內高度較高

相較于普通公共建筑，高大空間建筑的室內高度相對較高，是主要特點之一。同時因空間相對較大，室內空間會產生一定的溫度差異。此外，地面與外墻的面積比值較大，內部氣流組織在一定程度上會受到室外環境的影響。

1.2 空調效果較差

由于冷熱空氣的密度不同，熱空氣通常漂浮在空間內的上半部分，導致冬季處于下部空間中的人們難以感受到熱風，進而造成熱量浪費，增加了資源消耗，且空間使用舒適度較差[2]。應對送風口、氣流組織進行合理選擇，確保兩者與建筑造型、風格相契合，提高空調使用效果。

1.3 功能多種多樣

高大空間公共建筑的功能繁多，不同功能區對暖通空調系統的要求也有一定的差異，因此暖通空調系統的負荷特性也有一定的差異。例如，電影院通常不會設置外窗，其夏季圍護結構不需要承受冷負荷，觀影者聚集在播放廳中，新風需求較大，新風比例一般在0.35 ～0.40。

1.4 人員相對密集

高大空間公共建筑的空間較大，因此通常會間歇運行。運行期間，部分空間往往會聚集大量人員，如會議室和電影院等，且人員聚集的時間比較集中。空間功能運行時，人員的聚集會導致空間壓力大幅度增加，新風需求量也會上升，因此對暖通空調系統的使用功能、安全性能有著較高的要求。高大空間公共建筑中，現有的暖通空調系統存在著冷熱負荷分布不均的現象，使得低谷負荷與高峰負荷之間的差異過大[3]。

2 高大空間公共建筑暖通空調系統主要類型

2.1 分層空調系統

高大空間公共建筑中，可以采用分層空調系統，其僅作用于下部空間，氣流組織比較合理。分層空調系統的中間部位安裝了高速噴口，可以通過噴射形成射流層，回風口位于送風口的側下方，與其他暖通空調系統相比，耗能量相對較少，可降低20%～40%，具有良好的節能效果。

此外，分層空調系統的氣流組織相對合理，采用的是側送下回的形式，在周邊側墻設置送風噴口，初始射流速度為6 ～12 m/s，送風溫差為8 ～12 ℃，噴射角度比較固定，到達固定射程后，射流折回、下落，然后以緩慢的回流速度經過人員工作區，工作區的流速通常為0.2 ～0.5 m/s。送風噴口的高度最低為4 m，以確保送風的通暢性[4]。

在對分層空調系統進行設計的時候，應充分考慮以下4 方面的問題。

一是如果送風噴口的安裝高度較高，則誘導卷吸氣流就不能經過工作區。面對這樣的情況，應將送風噴口、回風口安裝在同一側，確保回流區、工作區達到重疊，從而使暖通空調系統在工作區也能充分發揮其作用。二是高大空間公共建筑的跨度通常較大，在對分層空調系統進行設計時，可選擇雙側送風、回風的方式，或者是單側送風、回風的方式。三是對冷負荷進行計算的時候，應充分考慮空調區域、分空調區域的熱輻射、對流，兩者均可帶來一定的冷負荷，應分層計算。通常情況下，空調區域大小與分階層高度呈負相關的關系。在對熱負荷進行計算的時候，應以全空間為準。四是選擇側送風形式的情況下，空調送風具有溫差大、射程遠的特征，從而導致季節性空氣下降或者上升。面對這樣的情況，可對噴口進行調節，轉換送風角度與工況，并結合閥門實現季節性的調節[5]。

2.2 全空氣空調系統

一些高大空間公共建筑，如體育館等，可使用全空氣空調系統。全空氣空調系統可分為上送側回、上送下回等不同的形式。這類高大空間公共建筑通常具有新風需求量較大、熱濕負荷大、間歇性使用以及人員密集等特征，為滿足通風需求，應設置較大的風道。可將送風系統的送風口安裝在頂棚上，并將回風口設置在周邊側墻附近或者座椅周圍，通過送風口與回風口實現上下循環送風，同時還可在空間頂部安裝集中排風的機械系統。

對全空氣空調系統進行設計的時候，應確保系統到地面的距離在2 m 內，風速為0.2 ～0.5 m/s，送風口的風速要控制在10 m/s。上送風系統主要由螺旋風口和噴口等部分組成，螺旋風口具有控制簡便、風量大、噪聲小以及可調節等特征，因此在高大空間公共建筑中得到了廣泛應用。全空氣空調系統可有效提高送氣的均勻性，從而實現區域內空氣質量的改善。但是，全空氣空調系統也有一定的缺點，主要缺點是能耗較高，而且如果將上部熱氣帶入人員區域，則會使空氣質量出現較大的差異[6]。

2.3 下送風空調系統

大多數高大空間公共建筑對噪聲有著嚴格的要求，特別是在人員比較密集的場所，如電影院等。針對這種場所，可設置下送上回低風速全空氣空調系統。在觀眾座椅下方設置送風口，頂棚設置回風口，并在送風柱上設置小送風口，同時確保小送風口的均勻分布。

3 高大空間公共建筑暖通空調系統設計要點

3.1 冷熱源選擇

考慮到高大空間公共建筑高度較高、空間較大的特征，通常會單獨設置冷源和熱源。高大空間公共建筑內部區域供冷和供熱站具有良好性能的情況下，可將供冷和供熱站當作冷源與熱源，以達到節能的效果。結合實際區域情況，對冷源、熱源進行合理選擇，一般情況下，可選擇鍋爐房、集中式換熱站、電動壓縮式制冷機組等。同時，可充分考慮高大空間公共建筑的冷熱通風條件，對輔助冷源、熱源進行合理選擇。

隨著社會經濟的迅速發展，近年來，一些經濟條件較好的區域應用了諸多節能環保型的新設備、新技術，改善了建筑物的使用功能，提高了建筑物使用的舒適度。空氣源熱泵系統便是一種新技術，其主要利用高位能，使熱量從低位熱源流向高位熱源。水、土壤以及空氣中的熱量被稱作低位熱能，煤、油、燃氣以及電能等為高位熱能。低位熱能無法被直接利用，而空氣源熱泵系統可將低位熱能轉化為高位熱能，從而實現節約高位熱能的目標。

空氣源熱泵系統有著諸多優勢，因此在建筑領域得到了廣泛應用，其優勢主要體現在以下5 方面。一是其低位熱源為空氣，可無償獲取且取之不盡用之不竭。二是熱泵安裝、使用簡單方便。三是冷熱源合一，無需設置專門的鍋爐房與冷凍機房，機組可放置在地面或者屋頂，無需占用有效使用面積。四是無需設置冷卻水系統，可避免因冷卻水消耗、預防冷卻水污染而導致的軍團菌感染，更加安全衛生。五是不需要設置鍋爐，對環境無污染。在對暖通空調系統進行設計的過程中，應充分考慮高大空間公共建筑的特征、功能及當地的環境條件等因素，遵循因地制宜的原則，加大對現代化技術的應用，從而提高暖通空調系統的設計質量，為人們提供更加優質的公共建筑。

3.2 新風熱回收系統設計

高大空間公共建筑人員密度較大的情況下，可以設置新風熱回收系統。在新風熱回收系統運行中，室外新風在通過熱交換機組后實現室外排風，達到熱交換的作用，然后利用空調機組將其送至使用區域。新風熱回收系統實現了對剩余熱量的回收利用，可達到節能的效果。同時，關閉熱交換機組，開啟排風，可使室外新風直接進入，達到提高通風效果的目的。新風熱回收系統設計中還要采取防凍措施，特別是在寒冷地區，必須做好冬季防凍工作。在排風溫度低于5 ℃的情況下，應進行加熱處理，確保溫度維持在5 ℃以上，避免新風熱回收系統出現凍結等現象。

3.3 輔助采暖設計

部分間歇使用的高大空間公共建筑每年都要閑置較長一段時間，使得暖通空調系統的使用效率大幅度降低。我國北方寒冷地區對冬季供暖質量的要求相對較高，因此應將散熱器供暖、空調制熱兩種方式結合起來，以實現供暖有效性的提高。在輔助供暖設計中，不可將輔助系統、供暖系統設置在同一區域。高大空間公共建筑閑置的情況下，僅需開啟一個供暖裝置，如可采用散熱器值班供暖，確保室內溫度不低于5 ℃即可。使用時，應同時開啟輔助供暖系統、制熱系統，從而確保室內溫度達標。

3.4 輔助空間暖通空調系統設計

高大空間公共建筑中，通常設有多種不同類型的輔助空間，如VIP 室、會議室以及休息室等。這些輔助空間在使用時間、使用功能與環境要求等方面均與高大空間公共建筑的主體部分有著明顯的差異，同時不同類型輔助空間的要求也有一定的不同。因此，應單獨對這些輔助空間的暖通空調系統進行設計，可以采用多聯機、恒溫恒濕系統、新風系統、風機盤管等，并注意將這些輔助空間的暖通空調系統與高大空間公共建筑主體部分的暖通空調系統區分開來，根據輔助空間使用時間、使用功能的不同進行分別控制，從而在發揮暖通空調系統作用的同時達到節能的效果。

3.5 噪聲控制

高大空間的公共建筑中，一些功能區域在噪聲方面有著嚴格的要求，如大型報告廳、禮堂等。因此，暖通空調系統設計中應對噪聲問題進行重點考慮，采取有效的措施，降低暖通空調系統運行過程中的噪聲。例如，為降低送風系統的噪聲，在安裝排風設備的時候，可以在遵循相關規范標準要求、滿足建筑實際使用需求的基礎上選擇噪聲較小的排風設備，或配備消音器、消音彎頭，有條件的情況下，可在設備排風口處進行消音處理，以達到降低噪聲的效果。此外，合理控制設備的運轉風速也可以達到降低噪聲的效果。通過對暖通空調系統進行合理設計，可以降低暖通空調系統的噪聲，控制建筑噪聲污染，使高大空間公共建筑更加符合環保要求。

3.6 節能設計

當前我國對各種資源的需求不斷增加，但是資源尤其是礦石能源的儲量有限，導致能源短缺、資源供需矛盾問題不斷加劇。在此背景下，建筑行業越來越注重節能，高大空間公共建筑暖通空調系統設計中，也要高度重視節能設計，可從以下兩方面入手。一是應用能源回收裝置。暖通空調系統運行過程中會產生大量余熱，可以采取先進的技術與設備來回收這些熱量，以減少能耗。例如，可以通過安裝余熱回收裝置，有效回收載熱流體，完成熱傳遞，實現對余熱的有效利用。又如，可以采用熱回收技術，并對新風處理系統進行改進，以實現制冷、除濕效果的改善，避免由于過度制冷、除濕導致能耗上升。二是控制熱傳媒傳輸能耗。暖通空調系統設計中，應確保熱傳遞方案的科學性與合理性，并與高效的熱傳輸機制有機結合起來，降低傳輸過程中產生的能量消耗。同時可以應用計算機系統，實時監控暖通空調系統的供暖狀況，實現對供暖過程的有效管控，在提高使用效率的基礎上減少能源消耗。

4 實例分析

4.1 項目概況

某高大空間公共建筑項目的總建筑面積為4 230.6 m2，總高度為16.8 m，共有兩層，1 層的層高為7.5 m，2 層的梁下凈高為6.7 m。根據業主對公共建筑使用功能與裝飾圖紙的要求，應嚴格遵循相關規范，1 層吊頂的高度約為5.8 m，是一個階梯式禮堂，使用分層空調系統，采用側噴下回的氣流組織形式。2 層的層高為4.3 m，是一個宴會廳，頂部設置旋流風口，采用上送上回的氣流組織形式。該項目已經過一個空調季和一個采暖季，業主反饋暖通空調系統的效果良好。

4.2 暖通空調系統設計

該項目暖通空調系統設計的要點包括以下4 點。一是按層分別設計兩套全空氣系統，設置常規功能段，同時增加消聲段，空調總冷負荷為861.2 kW，冷指標為235 W/m3。二是以首層為例，夏季一次回風空調的參數計算結果如下：混風點工況下的大氣壓力為77 290 Pa，干球溫度為18.9 ℃，濕球溫度為11.6 ℃，相對濕度為46.5%，含濕量為8.6 g/kg，露點溫度為7.1 ℃；送風點工況下的大氣壓力為77 290 Pa，干球溫度為7.1 ℃，濕球溫度為6.2 ℃，相對濕度為90.0%，含濕量為7.4 g/kg，露點溫度為5.5 ℃。三是暖通空調系統的新風系統，最小新風比為10%。在過渡季的時候，可滿足全新風工況運行的條件，同時新風管道、新風百葉能夠滿足空調機組新風比100 %條件下的運行要求。四是空調自動控制系統。

本項目中，室內空氣處理機組控制系統的作用原理如下：針對室內工況參數，由暖通空調系統自帶的溫度傳感器及室內安裝的溫度傳感器進行共同采集，并將相關數據信息傳輸給空調自動控制系統；以回風的溫度反饋值為根據，空調自動控制系統便可開展比例運算，在兩臺以上壓縮機并聯的前提下，可采取對壓縮機進行卸載的方式，來對冷量進行調節控制；在過渡季的時候，可以做到全新風工況運行，只需將新風管上配備的電動調節閥調節到最大開度即可。

5 結語

高大空間公共建筑暖通空調系統設計中，應充分考慮建筑特點，對分層空調系統、全空氣空調系統以及下送風空調系統等進行合理選擇，并把握好冷熱源選擇、機組并行設計、新風熱回收系統設計、輔助供暖設計、輔助空間暖通空調系統設計、噪聲控制與節能設計等要點，確保暖通空調系統的設計質量。