大空間建筑空調(diào)設計概述

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簡介： 本文概述了大空間建筑空調(diào)系統(tǒng)設計的負荷特性、空調(diào)風量和換氣次數(shù)、空調(diào)方式和氣流組織及有關問題，并對空調(diào)的冷熱源和節(jié)能問題進行了闡述。
關鍵字：大空間 負荷特性 氣流組織 空調(diào)方式 節(jié)能

前言：

    20世紀以來，隨著人類生存和發(fā)展的需求，各國競相建造了規(guī)模宏大的公共建筑電影院、劇場、體育館、展覽館、空港航站樓、高層建筑內(nèi)的中庭等的建筑內(nèi)的建造越來越引起人們的興趣和關注。為了充分發(fā)揮這些建筑的功能，創(chuàng)造優(yōu)質(zhì)的環(huán)境，暖通空調(diào)技術(shù)必須也要不斷的進步。傳統(tǒng)的大空間建筑體型結(jié)構(gòu)、功能變化較少，工程上已積累了豐富的經(jīng)驗?，F(xiàn)代的大空間建筑造型奇特，尺寸龐大，依靠傳統(tǒng)的經(jīng)驗難以滿足各方面的要求，需要借助計算機的模擬來進行設計預測。下面對大空間建筑的空調(diào)設計做一簡要概述。

一、大空間建筑的特征

    （1）大空間高度高。這是形成溫度梯度的主要原因。

    （2）大空間的外墻面積與地板面積之比大（圖1）。這形成了外界界面對室內(nèi)空間的自然對流影響很大，冬季易在四周造成下降氣流。

    （3）居留區(qū)人均占有空間體積大（圖1）。從衛(wèi)生角度看是良好的，可采用較小的換氣次數(shù)。

    （4）多功能的使用要求。要求空調(diào)滿足多環(huán)境，控制靈活

二、負荷特性

    各種大空間建筑的符合因素所占的比例并不一樣。圖2表示了它們之間的差別。

三、空調(diào)風量和換氣次數(shù)

    空調(diào)風量的確定因素可按：1.冷熱負荷的處理要求；2.室內(nèi)清潔度的保持；3.換氣次數(shù)的確保；4.滿足法規(guī)的要求。1、2、3三者是通過常規(guī)計算可確定，但3項有時缺少實踐的經(jīng)驗作依據(jù)。對于常規(guī)的電影院、會堂，人均容積比較一致。通過室內(nèi)負荷計算及送風溫差所得的人均風量是相似的，相應的換氣次數(shù)一般在4~6次/之間，但對于體型復雜、空間大小不規(guī)則、居留密度偏高的場合，這些指標不一定能套用。例如對于體育建筑的情況，其換氣次數(shù)最大為4.5次/，最小為1.2次/。這是由于：1.這類建筑體積龐大，賽場內(nèi)人數(shù)少；2.設計對負荷的處理和計算考慮不同，因而有計算確定的換氣次數(shù)有較大的區(qū)別。但只要采取有效的氣流組織，即使換氣次數(shù)小，亦能滿足空調(diào)的要求。

四、空調(diào)方式、氣流組織及有關問題

    1．空調(diào)方式和氣流組織對室內(nèi)環(huán)境和負荷的影響。

    空調(diào)采用不同的空調(diào)形式或氣流組織對室內(nèi)溫度的垂直方向的分布有很大的影響（如圖3所示）。另外，空調(diào)送回風方式對負荷率也有很大的影響（如圖4所示，宮川保之的研究），因此在設計中氣流組織與負荷計算是相互聯(lián)系的。

    2．居留區(qū)（工作區(qū)）空調(diào)和誘導通風的應用。

    對于一般的電影院、會場等的空調(diào)和氣流組織，由于高度有限，一般都采用全面空調(diào)方式，輔以比較常規(guī)的氣流組織形式。但高大空間室內(nèi)溫度分層現(xiàn)象非常嚴重。實踐證明，可以在不同的場合采用不同的分層空調(diào)方式來實現(xiàn)。對居留區(qū)（工作區(qū)）空調(diào)的基本原則是：（1）供冷時，冷風只送到工作區(qū)。此外利用室外空氣或回風以分隔形成上部非空調(diào)房間，或用于滿足消防排煙之需。（2）在供暖時，送風溫差宜小，且應送到工作區(qū)。有條件時與輻射供暖結(jié)合。采取這些措施后，空調(diào)負荷可減少30%~40%。采用誘導方式（誘導封口的誘導比和為4~5倍），從而可使上下溫度分布均勻。對大空間空調(diào)來說，最重要的是氣流的控制。

    3．大空間送風方式的總體選擇。

    不同性質(zhì)的公共建筑和人員停留情況，整體考慮的送風方式有下面的原則：對長時間停留且對舒適要求高的場合，如劇場觀眾廳、宗教教堂、大教室等無論規(guī)模大小都適宜采用頂棚噴口；對長時間停留但對舒適要求不太高的場合，如體育館、室內(nèi)棒球場、大工場，適宜采用頂棚噴口和橫向噴口；對短時間停留的場合，如空港大廳、門廳等，則不適宜采用頂棚散流器和向上送風的方式。

    4．各類建筑的具體措施。

    （1）劇場、音樂廳、會場 1.總體來講，均采用低速風道全空氣方式。為調(diào)節(jié)負荷，也有采用變風量調(diào)節(jié)方式的。從室內(nèi)空氣分布來看，有稀釋型和置換型。傳統(tǒng)的上送下回方式屬稀釋型，均勻的下送上回方式屬置換型。負荷強度大者建議采用置換方式。2.氣流組織形式：上送下回，側(cè)送下回，后部噴口送風，下送上回。以上發(fā)生均用采用，一般是幾種方式綜合應用。3.用合理的系統(tǒng)分區(qū)來保證場內(nèi)溫度分布的均勻性。一般觀眾廳根據(jù)平面和垂直方向可分為3~5個區(qū)。根據(jù)廳內(nèi)存在溫度梯度的特性，采用多臺AHU或在系統(tǒng)支路上設調(diào)溫裝置，以控制送風裝置。4.合理設計舞臺空調(diào)系統(tǒng)。可在舞臺兩側(cè)天橋下安裝送風管，向下、向側(cè)臺送風?？稍谇疤鞓蛳略O送風管，向下送風，直達表演區(qū)，或采用球形旋轉(zhuǎn)風口從舞臺兩側(cè)向中央送風。也可沿幕間設扁高型風管向下送風。另外，舞臺必須設立獨立的送回風系統(tǒng)，以便調(diào)節(jié)壓力。

    （2）體育比賽管及多功能大廳 1.滿足居留區(qū)域空調(diào)：可采用側(cè)送射流覆蓋觀眾席，相當于局部空調(diào)的坐席空調(diào)在大型體育館中也用應用。從節(jié)能出發(fā)，對于超大型比賽場地，在賽場內(nèi)不一定設空調(diào)系統(tǒng)。對于比賽場地有嚴格要求的，可利用賽場周邊的看臺向場內(nèi)送風。2.氣流組織手法：變更送風方向，以滿足所需的射流軌跡，適應冬季和夏季的不同要求。變更送風口的數(shù)量和位置，以控制相應的空調(diào)區(qū)域。3.利用可感氣流。從節(jié)能和熱舒適兩者矛盾的統(tǒng)一出發(fā)，大型的體育場內(nèi)可利用加強場內(nèi)氣流速度來滿足舒適性的要求，這時夏季可適當提高室內(nèi)的溫度。3.高速噴流系統(tǒng)。為防止在大空間形成嚴重的溫度梯度。造成熱空氣在上部的滯留，近幾年來多功能大廳、體育館采用系統(tǒng)的或單體式誘導噴口特別廣泛。

    （3）中庭 1.封閉式中庭：中庭內(nèi)的溫度波動較小，一般能處于舒適溫度區(qū)，即處于零耗能帶?？芍豢紤]排風（夏季）和地面輻射采暖（冬季），不一定設空調(diào)系統(tǒng)。也可在中庭的下部根據(jù)實際的負荷設置空調(diào)送風系統(tǒng)，用水平送風來隔斷上下層空調(diào)。2.開啟式中庭：通常在低層部位用空調(diào)送風直接控制，也有在活動中心直接設置與建筑相協(xié)調(diào)的空調(diào)送風裝置和在各層中庭界面上設送風口的。由于中庭的體型各不相同，所處地點和氣候不同，功能亦有區(qū)別，在設計時，應事先進行模型實驗和計算機模擬計算。

    關于膜構(gòu)造體育建筑、游泳比賽館、人工冰場、空港旅客大廳的空調(diào)因其特殊性，有專門的文獻介紹，這里由于篇幅的限制就不一一闡述了。

五、大空間建筑的空調(diào)冷熱源

    常規(guī)的冷熱源，電力型或熱力型（如燃氣）的壓縮式制冷機（或熱泵）、吸收式制冷機、直燃式冷熱水機組均可用于大空間建筑。從供冷供熱的角度出發(fā)應該考慮：當所在地區(qū)已有足夠規(guī)模的區(qū)域供冷供熱設施時，可利用其裝置提供冷熱量；在供冷供熱的基本方式上應盡可能采用熱泵和蓄冷蓄熱技術(shù)；在有些場合燃氣機熱泵也是十分合理的能源方式。此外能源的復合化—復合能源的應用也是值得注意的傾向。使用兩種能源，如電力和燃氣（或油），在一定程度上不僅可實現(xiàn)城市供能中電力與燃氣峰谷之間的平衡，而且在能源價格可選擇的場合下，對運行費用可以有調(diào)劑作用。

六、大空間建筑節(jié)能

    80年代的大空間建筑在節(jié)能問題上只要著眼于節(jié)約能源和對舒適性方面的關心。進入90年代以后，除了以上的考慮外，更加關注空調(diào)建筑物對地球環(huán)境的影響。應充分利用自然能（太陽、風、雨、土等），以便最大限度的節(jié)約能源和資源，并減低對環(huán)境的負荷。

    傳統(tǒng)的行之有效的利用能源的手段對大空間建筑物仍然是適用的。在空調(diào)方面減少設計負荷（建筑設計上配合），采用居留區(qū)空調(diào)，合理確定送風量和新風量，減低空氣和水的輸送能耗、利用新風供冷、合理的能源組合、選用高效率的制冷設備和空氣末端裝置、蓄冷和低位熱源的利用等，都是重要的節(jié)能措施。在有條件的情況下，下面的方法可以采用：

    （1）建筑采用覆土埋入式將體育館做成下沉式，即半地下化，周圍覆以土層，在隔聲、保溫、提高建筑物穩(wěn)定性方面十分有利。

    （2）利用自然通風對于沒有環(huán)境噪聲干擾的大空間建筑，最大限度地利用自然通風改善室內(nèi)環(huán)境和節(jié)約能量消耗是最為合理的。現(xiàn)今屋頂可開閉式大型體育館徹底實現(xiàn)了這一要求。

    （3）土壤熱的利用體育館占地面積大，利用其地下的土壤作為蓄熱材料蓄熱十分有利。例如在進廳地面下埋設盤管，利用夜間由廉價電力制冷（熱）水，由盤管將熱量蓄在土層，白天取出供空調(diào)用，同時由于地下蓄熱，使地板起輻射供冷（熱）的作用。此外，為了減低新風負荷，將新風流經(jīng)專用的配管溝道進行預冷或預熱，間接利用了土壤的熱量（土壤與空氣換熱）。

    七、其他問題

    （1）系統(tǒng)劃分問題

    系統(tǒng)劃分原則：

    1. 大空間建筑風量龐大，從平面上看，應根據(jù)方位、面積，分區(qū)組織空調(diào)系統(tǒng)，一般中大型體育館均作分區(qū)。

    2. 在以上的基礎上，根據(jù)上下溫度均勻性的要求，多功能使用的可能性，工作時間的差別予以劃分系統(tǒng)。

    3. 根據(jù)具體情況也可把系統(tǒng)細分化，這樣不出現(xiàn)大風道，但水系統(tǒng)較復雜。

    （2）空氣處理問題

    1. 國外70年代起空氣處理箱中均采用表面換熱器，一般設再熱器和加濕器。

    2. 應重視空氣過濾問題。

    3. 新風與排風之間設全熱換熱器回收能量：這是減少冷熱裝置負荷的重要措施，既減小裝置容量，節(jié)約初投資，有可降低運行費用。

    4. 直接根據(jù)人員的多少控制進入系統(tǒng)的新風量

    5. 對于干熱地區(qū)，根據(jù)氣象條件的分析，有些大空間建筑可采用經(jīng)直接蒸發(fā)或間接蒸發(fā)冷卻器的全新風空氣處理系統(tǒng)。

    （3）新風預處理方式

    1. 新風用深井水冷卻后再與回風混合，有很好的經(jīng)濟性，與空氣處理后的井水用作制冷機冷凝器的冷卻水，可以改善制冷機的工況，當井水應用受限制時，不可行。

    2. 根據(jù)影劇院潛熱負荷大、新風比大、空調(diào)制冷除濕負荷大的特點，美國有些地區(qū)采用對新風預除濕處理，然后混合回風再經(jīng)空氣冷卻處理。

結(jié)束語：

    隨著社會的進步，人民對生活質(zhì)量的追求，除物質(zhì)生活之外，對精神、文化、體育方面的情趣有了越來越高的要求，為此人們期盼著有更多的功能合理的質(zhì)量上乘的環(huán)境舒適的公共活動空間的建設。對于這些空間的環(huán)境設備也要求在健康、舒適、能源有效利用和地球環(huán)境保護方面有新的創(chuàng)造。同時作為大空間建筑的功能各國都在朝功能綜合化發(fā)展，以期社會資源的充分利用，亦有利于該類型建筑的經(jīng)營，即在經(jīng)濟上得以支撐。因此暖通空調(diào)設備如何適應這種需要（對多功能的靈活運行）也是現(xiàn)代大空間建筑設計、運行和管理等方面值得強調(diào)的問題。

【參考文獻】

    1. 范存養(yǎng)著. 大空間建筑空調(diào)設計及工程實錄. 中國建筑工業(yè)出版社 2001.09.

    2. 華東建筑設計院編著. 高層公共建筑設計實例. 中國建筑工業(yè)出版社. 1997.04.．