高大空间公共建筑暖通空调系统设计的要点分析

李 跃 虎

(郑州市天友建筑设计有限公司,河南 郑州　450000)



高大空间公共建筑暖通空调系统设计的要点分析

李 跃 虎

(郑州市天友建筑设计有限公司,河南 郑州450000)

介绍了高大空间公共建筑暖通空调系统的特点，分析了空调系统冷热源的选择方法，并从分层空调系统、冬季辅助采暖系统、新风热回收系统等方面，阐述了几种常用的采暖通风空调系统形式特点，以供参考。

公共建筑，暖通空调系统，冷热源，送风口

做好高大空间公共建筑暖通空调系统的设计工作，设计者需要掌握适用于高大空间建筑的各种空调系统，并根据工程的实际情况，合理的选择系统形式进行设计。

1　高大空间公共建筑暖通空调系统的特点

现代高大空间公共建筑的一个显著特点就是室内高度较高，体积较大。一般的剧场、影院、体育馆的室内高度能够达到10 m以上，一些体育场馆的高度可达到30 m以上。与普通建筑相比，具有以下特点：

1)建筑高度较高，在室内空间上会形成不同高度上的温度差异梯度，这是区别于一般建筑的显著特点。大空间建筑的外墙面积与地面面积的比值较大，室内气流组织容易受到外界环境的影响。

2)高大空间公共建筑人员聚集，使用时间集中，尤其是影剧院、多功能会议中心等对人员舒适度要求较高，空调冷、热负荷分布不均匀，高峰负荷与低谷负荷差距较大。这些特征都对暖通空调系统提出了较高的要求。

3)高大空间建筑内部往往具有多个功能区域，要求暖通空调系统能满足不同功能区域的环境要求，空调负荷特性差异很大。例如，剧院观众厅外墙上的外窗很少，夏季围护结构的冷负荷相对较小，观众厅人员密集，新风量很大，新风比约为0.35～0.4，导致新风冷负荷较大；而剧场舞台区域人员相对不多，冷负荷主要由电气设备发热、灯光照明负荷等组成；剧场办公区域、休息区域等空调负荷特点与一般办公楼相差不大，采用普通的空调系统即可满足要求。

又如，体育场馆人员密集，人员、灯光照明、设备等散热量占总冷负荷的比重较大，占比约为70%，新风冷负荷占比约为20%，其余为围护结构冷负荷。设计时应根据不同功能的大空间建筑，按照不同功能区域划分，分别计算空调负荷，选择合理的空调系统形式。

2　高大空间公共建筑空调系统的冷热源选择

基于高大空间公共建筑空调系统相对普通建筑物空调系统的特殊性，其冷、热源一般独立设置。若区域内设置有足够能力的区域供冷、供热站时，尽可能利用区域供冷、供热站作为冷、热源，以利于能源的集约使用。

对冷热源种类的采用，可以选用常规的电动压缩式制冷机组、直燃式制冷制热机组、集中式换热站和锅炉房，也可以选用全年用风冷热泵机组作为辅助冷热源。近些年，在有条件的地区，水源/地源热泵系统和冰蓄冷空调系统等新型节能环保技术越来越多地运用于大空间建筑的空调系统中。水源/地源热泵系统充分利用自然界的浅层水资源(地下土壤资源)所具备的热稳定性，夏季制冷，冬天制热，全年使用，能效比高，能够节约能源，减少运行成本。冰蓄冷空调系统可实现电力负荷的移峰填谷，利用用电高峰、低谷不同时段的电价差异，平衡电力负荷，大幅降低空调系统的运行费用。

设计时，应根据建筑物功能、负荷特征、自然条件等因素，因地制宜，科学论证，优先选择国家政策推广的新型冷、热源技术。

3　高大空间公共建筑暖通空调系统的形式及分析

根据各种高大空间公共建筑的不同特点和空间特性，常用的采暖通风空调系统有以下几种：上送下回的全空气空调系统；分层空调系统；座椅空调送风系统；冬季辅助采暖系统；辅助房间的空调系统；新风热回收系统等。在设计时，要根据建筑物具体特征，合理选择一种或几种空调系统形式。

3.1上送下回的全空气空调系统

有些高大空间公共建筑比如体育馆、展览馆等，可以采用上送下回或者上送侧回的空调系统。这种场所往往人员密度高、热湿负荷及送风量大、新风比高，间歇使用，设计时一般采用大尺寸风道的全空气系统。上送风空调系统将送风口安装在顶棚或上部网架空间内，回风口设在下部座椅附近或周边侧墙上，空气自上而下送至人员区，然后由回风系统带走，同时可在高大空间顶部或者舞台空间上部设置机械集中排风系统。设计中要注意到，在人员停留区域即距地面约2 m的高度空间内，空调气流平均风速一般应为0.2 m/s～0.5 m/s，送风口风速不大于10 m/s。

上送风系统的适用风口主要有喷口和旋流风口等，其中旋流风口则具有风量大、送风射程大、噪声低、送风流可调节、人员区风速易控制、阻力特性稳定等特点，因而被很多高大空间建筑采用。旋流风口既可安装在层高很高的场所如：工业厂房、机场、体育馆、展览馆等，也可安装在层高不太高的场所如会议室等。

上送风空调系统能将处理好的空气均匀送到各个部位，可以满足不同区域所需的环境要求。但也有一些缺点，比如这种系统将人员区域上方的空间也作为空调处理区域，相比其他空调系统会增加空调系统的能耗；再者将停留于上部空间的热空气带入人员区域，造成人员区域空气品质相对不好等。设计中，要在环保节能的原则下进行综合技术经济比较，选定合理的空调系统和设备。

3.2分层空调系统在高大空间公共建筑中的应用

1)分层空调系统的特点：分层空调系统是指利用合理的气流组织，仅对高大空间建筑物的下部区域(工作区域)进行空调处理，而对上部区域(非工作区域)不做空调处理的方式，在大空间中间高度部位设有高速喷口，其送风形成的射流层作为空调区域与非空调区域之间的分界层。分层空调系统制冷、制热时将空调风送至人员停留区，空调回风口设于送风口的侧下方。相比起其他全部空间的空调系统，可节约空调系统能耗20%～40%，具有明显的节能效益。

2)分层空调系统的气流组织：在分层空调系统的设计中最广泛使用的气流组织为侧送下回的形式。将送风喷口设置在高大空间周边侧墙上，送风射流以 6 m/s～12 m/s的初始速度、8 ℃～12 ℃的送风温差和一定的喷射角度向场内送风，射流到达一定射程后折回下落，使其以较低的速度回流并经过人员工作区域，一般工作区的空调风流速可达到0.2 m/s～0.5 m/s。送风喷口安装高度通常在4 m以上，以避开障碍物对送风射流的阻挡。

3)设计中应考虑的因素：第一，由于送风喷口的位置大大高于人员工作区，导致射流下方的诱导卷吸气流在自然状态下无法流经人员工作区，因此空调回风口需设置在送风喷口的同一侧，使人员停留区域处于空调风回流区域，满足人员区域的空调环境要求。第二，根据高大空间建筑的空间跨度特征，设计时可采用单侧送风单侧回风的系统形式和双侧送风双侧回风的系统形式。第三，进行空调冷负荷计算时，要考虑到非空调区域对空调区域的热辐射和热对流引起的冷负荷，而且应按分层计算空调冷负荷，分界层高度越低，下层空调区域越小，冷负荷越小。进行空调热负荷计算时，应按照全部空间计算空调热负荷。第四，分层空调系统采用侧送风形式时，由于空调送风温差大、气流射程远，导致夏季制冷时冷空气下降和冬季制热时热空气上升的现象比较明显。此时，送风喷口应选择可调节型喷口，在夏季、冬季转换空调工况时，可以调节喷口的送风角度，同时喷口应选用自配风量调节阀型，能够根据季节的不同和负荷的变化调节风量的大小，以达到夏季和冬季均能满足人员区域的环境要求。第五，当分层空调系统的送风覆盖范围较大时(>30 m)，可以考虑侧送喷口在高度上分层设置，较高的喷口用来承担距离较远的工作区的送风，而较低的喷口承担距离较近的工作区的送风。第六，可以在非空调区域的顶部设置排风系统，排除非空调区域聚集的余热，降低上部空间的温度，减少非空调区域对空调区域的热辐射影响和热对流影响，保证人员区域室内环境的品质和稳定。

分层空调系统是一种可靠的、节能的空调系统，在越来越多的高大空间建筑中得到广泛地运用。

3.3高大空间公共建筑的下送风空调系统

在大型影院、剧院的观众区，观众厅空间高大，人员集中，间歇使用，对噪声控制要求较高，因此观众厅可以采用下送上回的低风速全空气空调系统。一般在座椅下设置送风口送风，回风口设置于观众厅上部的顶棚，座椅下的小送风口可以均匀设于小送风柱上。考虑到观众的人体舒适度要求，送风温差不宜大于5 ℃，一般为4 ℃左右。座椅下方的地面下设置夹层作为送风道并采取防火降噪措施。采用下送风空调系统，温度梯度自下向上缓慢升高，观众区温度和湿度稳定，气流分布均匀，噪声小，人体感觉舒适，同时空调负荷和送风量较小，进行空调设备选型时不需要附加过多的附加系数，特别适用于影剧院的观众厅。

设计中要注意的是，座椅下送风口距离观众的腿脚部位很近，且后排送风口距离前排观众的手臂关节处不足1 m，为了保证人员的舒适度，必须要对观众区的气流速度和温度梯度进行严格控制。1)控制空调送风温差在4 ℃左右；2)送风口的出风速度不大于1.8 m/s，这样在距离送风口300 mm左右处的腿脚部位的实际风速小于0.2 m/s，从而满足人体舒适感要求和噪声控制的要求，如图1所示。

3.4冬季辅助采暖系统

现代社会高大空间公共建筑往往间歇性使用，闲置时间较长，使用率较低。在北方的寒冷或者严寒地区，冬季采暖时可以采用空调制热采暖结合散热器采暖或者地板辐射采暖，一起作为冬季高大空间建筑的采暖方式。

设计时，空调采暖系统和辅助采暖系统分开设置。在建筑闲置的时候，只使用散热器或者地板辐射采暖系统作为值班采暖，此时室内值班采暖设计温度宜为5 ℃～10 ℃。在建筑物使用时，同时使用空调制热和散热器或者地板辐射采暖作为冬季采暖系统。

由于地板辐射采暖系统采用热辐射的方式进行采暖，舒适性较好，在一些对环境温度要求较高的场所，比如影剧院的观众厅等，适合采用地板辐射采暖系统。低温热水地板辐射采暖系统的供回水温度较低，一般在55 ℃～45 ℃。设计中在布置盘管时，靠近外墙外窗等处应密集布置，而在房间中间部位等热负荷较小的区域，应加大盘管间距，从而实现最佳的采暖效果和节能效果。

3.5辅助房间的空调系统

在一些高大空间公共建筑内，还设有一些会议室、休息室、贵宾室、音响器材室、机房等辅助房间。由于这些房间的使用功能、使用时间和环境要求均与高大空间主体部位不一致，设计者要注意独立设置它们的空调通风系统。可以采用传统的风机盘管加新风系统、多联机系统、恒温恒湿空调系统等。同时在控制上也要与建筑主体部位的空调系统区分开来，按照使用功能和使用时间分别进行控制，达到最优化的空调效果和节能效益。

3.6新风热回收系统

在体育馆、礼堂、剧院等人员较为密集，设备散热量较大的建筑内，设置新风热回收系统，会具有显著的节能效果。夏季、冬季空调系统运行时空调机组开启，排风机关闭，室外新风先进入空气热交换机组与室内排风进行充分热交换后，再进入空调机组处理，最后送入观众厅内，充分利用了室内排风中所含的余热量，减少了空调机组的能耗。春、秋季过渡季节时，关闭空气热交换机组，开启排风机，室外新风直接送入观众厅，加大送风量即全新风模式，可以增加室内的新风量，提高人体舒适感，同时节约了空调系统的能耗，如图2所示。

这种系统可以有效的利用部分余热量，减少空调系统的制热量和制冷量，具有显著的节能和经济效益。

设计这种系统时需要注意的是，在北方寒冷和严寒地区，冬季在使用过程中要对设备采取防冻保护措施。当监测到排风温度低于5 ℃时，要及时采取加热等措施，保证其温度大于5 ℃，避免因冻结等原因导致系统不能正常工作。

4　结语

形式多样化、功能复杂化的各种高大空间公共建筑的不断出现，给暖通空调专业提出了不少新的要求。设计者不能生搬硬套、千篇一律，而要依据工程的不同实际情况，根据建筑物的建筑布局、使用功能、使用时间、室内环境要求等要素，经过严谨的计算，进行科学的技术经济比较，选择最合理的系统方案，进行最优化的设计，对具有高大空间的公共建筑采用水源(地源)热泵技术、使用分层空调系统以及冬季辅助采暖系统等是较为优选的方案。

最后，需要特别注意的是，高大空间公共建筑的暖通空调系统的设计还应与高大空间公共建筑的消防联动控制系统相结合，使其设计方案既满足使用要求，又能满足安全要求，同时实现节能环保的目的。

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[4]陆耀庆.实用供热空调设计手册[M].第2版.北京：中国建筑工业出版社，2008.

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

李跃虎(1979- )，男，工程师,国家注册公用设备工程师(暖通空调)

TU831.3

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