大空间建筑空调设计概述

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简介： 本文概述了大空间建筑空调系统设计的负荷特性、空调风量和换气次数、空调方式和气流组织及有关问题，并对空调的冷热源和节能问题进行了阐述。
关键字：大空间 负荷特性 气流组织 空调方式 节能

前言：

    20世纪以来，随着人类生存和发展的需求，各国竞相建造了规模宏大的公共建筑电影院、剧场、体育馆、展览馆、空港航站楼、高层建筑内的中庭等的建筑内的建造越来越引起人们的兴趣和关注。为了充分发挥这些建筑的功能，创造优质的环境，暖通空调技术必须也要不断的进步。传统的大空间建筑体型结构、功能变化较少，工程上已积累了丰富的经验。现代的大空间建筑造型奇特，尺寸庞大，依靠传统的经验难以满足各方面的要求，需要借助计算机的模拟来进行设计预测。下面对大空间建筑的空调设计做一简要概述。

一、大空间建筑的特征

    （1）大空间高度高。这是形成温度梯度的主要原因。

    （2）大空间的外墙面积与地板面积之比大（图1）。这形成了外界界面对室内空间的自然对流影响很大，冬季易在四周造成下降气流。

    （3）居留区人均占有空间体积大（图1）。从卫生角度看是良好的，可采用较小的换气次数。

    （4）多功能的使用要求。要求空调满足多环境，控制灵活

二、负荷特性

    各种大空间建筑的符合因素所占的比例并不一样。图2表示了它们之间的差别。

三、空调风量和换气次数

    空调风量的确定因素可按：1.冷热负荷的处理要求；2.室内清洁度的保持；3.换气次数的确保；4.满足法规的要求。1、2、3三者是通过常规计算可确定，但3项有时缺少实践的经验作依据。对于常规的电影院、会堂，人均容积比较一致。通过室内负荷计算及送风温差所得的人均风量是相似的，相应的换气次数一般在4~6次/之间，但对于体型复杂、空间大小不规则、居留密度偏高的场合，这些指标不一定能套用。例如对于体育建筑的情况，其换气次数最大为4.5次/，最小为1.2次/。这是由于：1.这类建筑体积庞大，赛场内人数少；2.设计对负荷的处理和计算考虑不同，因而有计算确定的换气次数有较大的区别。但只要采取有效的气流组织，即使换气次数小，亦能满足空调的要求。

四、空调方式、气流组织及有关问题

    1．空调方式和气流组织对室内环境和负荷的影响。

    空调采用不同的空调形式或气流组织对室内温度的垂直方向的分布有很大的影响（如图3所示）。另外，空调送回风方式对负荷率也有很大的影响（如图4所示，宫川保之的研究），因此在设计中气流组织与负荷计算是相互联系的。

    2．居留区（工作区）空调和诱导通风的应用。

    对于一般的电影院、会场等的空调和气流组织，由于高度有限，一般都采用全面空调方式，辅以比较常规的气流组织形式。但高大空间室内温度分层现象非常严重。实践证明，可以在不同的场合采用不同的分层空调方式来实现。对居留区（工作区）空调的基本原则是：（1）供冷时，冷风只送到工作区。此外利用室外空气或回风以分隔形成上部非空调房间，或用于满足消防排烟之需。（2）在供暖时，送风温差宜小，且应送到工作区。有条件时与辐射供暖结合。采取这些措施后，空调负荷可减少30%~40%。采用诱导方式（诱导封口的诱导比和为4~5倍），从而可使上下温度分布均匀。对大空间空调来说，最重要的是气流的控制。

    3．大空间送风方式的总体选择。

    不同性质的公共建筑和人员停留情况，整体考虑的送风方式有下面的原则：对长时间停留且对舒适要求高的场合，如剧场观众厅、宗教教堂、大教室等无论规模大小都适宜采用顶棚喷口；对长时间停留但对舒适要求不太高的场合，如体育馆、室内棒球场、大工场，适宜采用顶棚喷口和横向喷口；对短时间停留的场合，如空港大厅、门厅等，则不适宜采用顶棚散流器和向上送风的方式。

    4．各类建筑的具体措施。

    （1）剧场、音乐厅、会场 1.总体来讲，均采用低速风道全空气方式。为调节负荷，也有采用变风量调节方式的。从室内空气分布来看，有稀释型和置换型。传统的上送下回方式属稀释型，均匀的下送上回方式属置换型。负荷强度大者建议采用置换方式。2.气流组织形式：上送下回，侧送下回，后部喷口送风，下送上回。以上发生均用采用，一般是几种方式综合应用。3.用合理的系统分区来保证场内温度分布的均匀性。一般观众厅根据平面和垂直方向可分为3~5个区。根据厅内存在温度梯度的特性，采用多台AHU或在系统支路上设调温装置，以控制送风装置。4.合理设计舞台空调系统。可在舞台两侧天桥下安装送风管，向下、向侧台送风。可在前天桥下设送风管，向下送风，直达表演区，或采用球形旋转风口从舞台两侧向中央送风。也可沿幕间设扁高型风管向下送风。另外，舞台必须设立独立的送回风系统，以便调节压力。

    （2）体育比赛管及多功能大厅 1.满足居留区域空调：可采用侧送射流覆盖观众席，相当于局部空调的坐席空调在大型体育馆中也用应用。从节能出发，对于超大型比赛场地，在赛场内不一定设空调系统。对于比赛场地有严格要求的，可利用赛场周边的看台向场内送风。2.气流组织手法：变更送风方向，以满足所需的射流轨迹，适应冬季和夏季的不同要求。变更送风口的数量和位置，以控制相应的空调区域。3.利用可感气流。从节能和热舒适两者矛盾的统一出发，大型的体育场内可利用加强场内气流速度来满足舒适性的要求，这时夏季可适当提高室内的温度。3.高速喷流系统。为防止在大空间形成严重的温度梯度。造成热空气在上部的滞留，近几年来多功能大厅、体育馆采用系统的或单体式诱导喷口特别广泛。

    （3）中庭 1.封闭式中庭：中庭内的温度波动较小，一般能处于舒适温度区，即处于零耗能带。可只考虑排风（夏季）和地面辐射采暖（冬季），不一定设空调系统。也可在中庭的下部根据实际的负荷设置空调送风系统，用水平送风来隔断上下层空调。2.开启式中庭：通常在低层部位用空调送风直接控制，也有在活动中心直接设置与建筑相协调的空调送风装置和在各层中庭界面上设送风口的。由于中庭的体型各不相同，所处地点和气候不同，功能亦有区别，在设计时，应事先进行模型实验和计算机模拟计算。

    关于膜构造体育建筑、游泳比赛馆、人工冰场、空港旅客大厅的空调因其特殊性，有专门的文献介绍，这里由于篇幅的限制就不一一阐述了。

五、大空间建筑的空调冷热源

    常规的冷热源，电力型或热力型（如燃气）的压缩式制冷机（或热泵）、吸收式制冷机、直燃式冷热水机组均可用于大空间建筑。从供冷供热的角度出发应该考虑：当所在地区已有足够规模的区域供冷供热设施时，可利用其装置提供冷热量；在供冷供热的基本方式上应尽可能采用热泵和蓄冷蓄热技术；在有些场合燃气机热泵也是十分合理的能源方式。此外能源的复合化—复合能源的应用也是值得注意的倾向。使用两种能源，如电力和燃气（或油），在一定程度上不仅可实现城市供能中电力与燃气峰谷之间的平衡，而且在能源价格可选择的场合下，对运行费用可以有调剂作用。

六、大空间建筑节能

    80年代的大空间建筑在节能问题上只要着眼于节约能源和对舒适性方面的关心。进入90年代以后，除了以上的考虑外，更加关注空调建筑物对地球环境的影响。应充分利用自然能（太阳、风、雨、土等），以便最大限度的节约能源和资源，并减低对环境的负荷。

    传统的行之有效的利用能源的手段对大空间建筑物仍然是适用的。在空调方面减少设计负荷（建筑设计上配合），采用居留区空调，合理确定送风量和新风量，减低空气和水的输送能耗、利用新风供冷、合理的能源组合、选用高效率的制冷设备和空气末端装置、蓄冷和低位热源的利用等，都是重要的节能措施。在有条件的情况下，下面的方法可以采用：

    （1）建筑采用覆土埋入式将体育馆做成下沉式，即半地下化，周围覆以土层，在隔声、保温、提高建筑物稳定性方面十分有利。

    （2）利用自然通风对于没有环境噪声干扰的大空间建筑，最大限度地利用自然通风改善室内环境和节约能量消耗是最为合理的。现今屋顶可开闭式大型体育馆彻底实现了这一要求。

    （3）土壤热的利用体育馆占地面积大，利用其地下的土壤作为蓄热材料蓄热十分有利。例如在进厅地面下埋设盘管，利用夜间由廉价电力制冷（热）水，由盘管将热量蓄在土层，白天取出供空调用，同时由于地下蓄热，使地板起辐射供冷（热）的作用。此外，为了减低新风负荷，将新风流经专用的配管沟道进行预冷或预热，间接利用了土壤的热量（土壤与空气换热）。

    七、其他问题

    （1）系统划分问题

    系统划分原则：

    1. 大空间建筑风量庞大，从平面上看，应根据方位、面积，分区组织空调系统，一般中大型体育馆均作分区。

    2. 在以上的基础上，根据上下温度均匀性的要求，多功能使用的可能性，工作时间的差别予以划分系统。

    3. 根据具体情况也可把系统细分化，这样不出现大风道，但水系统较复杂。

    （2）空气处理问题

    1. 国外70年代起空气处理箱中均采用表面换热器，一般设再热器和加湿器。

    2. 应重视空气过滤问题。

    3. 新风与排风之间设全热换热器回收能量：这是减少冷热装置负荷的重要措施，既减小装置容量，节约初投资，有可降低运行费用。

    4. 直接根据人员的多少控制进入系统的新风量

    5. 对于干热地区，根据气象条件的分析，有些大空间建筑可采用经直接蒸发或间接蒸发冷却器的全新风空气处理系统。

    （3）新风预处理方式

    1. 新风用深井水冷却后再与回风混合，有很好的经济性，与空气处理后的井水用作制冷机冷凝器的冷却水，可以改善制冷机的工况，当井水应用受限制时，不可行。

    2. 根据影剧院潜热负荷大、新风比大、空调制冷除湿负荷大的特点，美国有些地区采用对新风预除湿处理，然后混合回风再经空气冷却处理。

结束语：

    随着社会的进步，人民对生活质量的追求，除物质生活之外，对精神、文化、体育方面的情趣有了越来越高的要求，为此人们期盼着有更多的功能合理的质量上乘的环境舒适的公共活动空间的建设。对于这些空间的环境设备也要求在健康、舒适、能源有效利用和地球环境保护方面有新的创造。同时作为大空间建筑的功能各国都在朝功能综合化发展，以期社会资源的充分利用，亦有利于该类型建筑的经营，即在经济上得以支撑。因此暖通空调设备如何适应这种需要（对多功能的灵活运行）也是现代大空间建筑设计、运行和管理等方面值得强调的问题。

【参考文献】

    1. 范存养著. 大空间建筑空调设计及工程实录. 中国建筑工业出版社 2001.09.

    2. 华东建筑设计院编著. 高层公共建筑设计实例. 中国建筑工业出版社. 1997.04.．