高大空间建筑暖通空调系统设计与节能作用分析

刘雅明，王超民

（1.中国新兴建筑工程有限责任公司，北京 100009；2.北京市工业设计研究院有限公司，北京 100055）

0 引言

随着国家城市化建设的不断发展，基础设施的建设步伐也在逐渐加快，国家对大型基建工程建设的投入也在增多，同时，要求加快更新建筑节能、市政基础设施等标准，提高节能降碳要求。对于高大空间建筑，在实际的设计过程中往往都需要设置暖通空调系统，但受制于此类建筑本身的特殊性，在实际的暖通空调设计中还存在着较多提升的空间。在高大空间建筑暖通空调系统的节能设计中，必须充分遵循功能达标原则、绿色环保原则、经济适用原则以及以人文本原则。如果设计效果较差，会很大程度上影响暖通空调后续的正常性使用，还会对室内的采暖通风效果造成不利的影响。对此，就需要设计者重视对高大空间建筑暖通空调设计的分析，后续采取合理性的措施来实现其节能设计，以此提高资源的利用率，实现节能分析及设计带来的经济价值。

1 建筑暖通空调系统的节能设计原则

1.1 功能达标原则

在高大空间建筑暖通空调系统的节能设计中必须充分遵循功能达标原则。暖通空调系统的主要功能是为建筑室内提供采暖、通风和空气调节，所以无论如何设计，前提都必须确保其达到相关功能标准。由于不同建筑物的室内设计参数各不相同，暖通空调系统的节能设计必须与相关标准保持一致，在此基础上不断对系统进行完善和优化做到空调系统功能的达标。

1.2 节能原则

暖通空调系统在日常运行中，对能源的需求量较多，由此引发的环保问题也日益突出。所以，设计人员要对高大空间暖通空调系统工作原理、功能性充分了解，坚持绿色节能设计理念，对温度进行调整，在保证系统功能充分发挥的同时，将能源消耗降到最低值。在具体设计环节可以使用高效节能的技术及设备，制定完善的方案，科学合理简化整个系统流程，在施工成本方面严格控制。

1.3 安全性原则

高大空间建筑暖通空调系统是否具备安全性，不仅影响空调系统功能的发挥，且直接影响用户的安全。它不同于普通分体空调，其系统具有一定的复杂性，设备运行过程中，维护工作也比较烦琐。以北方为例，热源如采用锅炉房提供，则设计时需要对锅炉房进行合理规划，以便日后维护及维修，设计时管道工作压力等需要做详细计算，设备运行前做好压力试验，泄漏试验等，避免存在安全隐患或在后续运行过程中出现问题[1]。对漏气事故进行预防，做好事故通风等系统措施等。总之，在设计暖通空调系统时，不管是在哪个环节，都需要严格按照行业的相关标准，确保达到安全标准。

2 建筑工程暖通空调系统节能技术应用中存在的问题

2.1 设计理念落后重视程度不够

设计者很难改变固有思维的设计理念，如选用系统单一、选用设备安全系数较大，容量过大等，造成空调系统节能性差。随着我国经济的快速发展，当今社会面临着能源短缺的严重挑战，必须尽最大努力开发能源利用最大化的方法，合理使用所有能源。近年来我国开始实行节能减排政策，空调系统节能技术得到逐渐推广。设计者一定要具先进的设计理念，要有节能设计的意识，要增强低碳和绿色生态意识，通过设计提高人们对空调系统节能的重视，以能够进一步推广空调节能系统的应用。

2.2 空调系统方案的选择

对于不同的高大空间建筑的使用功能及建筑特点，要通过计算、模拟等对比选出比较适合的空调方案，能源供给方案，保证所选方案的最优化。如蓄冷技术方案、吸收式制冷方案、热泵空调系统与氟系统等。每种方案都有各自的优势与特点，分别适用于不同环境与条件下的建筑。在冷热源方案选择方面，应需要经过多方比较分析，选择既适合建筑功能特点与使用要求，又能保证空调系统可靠性与高效性的方案。同时，设计过程中要验证计算数据的准确性，是否存在系数过大等情况，严格按照规范进行设计。因此设计、计算、检查和分析每个环节均很重要。

3 高大空间建筑暖通空调系统设计与节能策略

3.1 高大空间建筑分层空调系统设计要点

①由于高大空间公共建筑跨度较大，在实际设计时设置风口位置时需考虑其风速与温差的有效控制，回风口与送风喷口尽量安装在同侧，使工作区与回流区重叠，确保工作区能够正常使用空调系统。②采用分层空调系统时应注意在进行冷负荷计算时，要充分考虑工作区和非工作区域存在的热辐射和对流问题，需采用分层计算的方式计算，而热负荷计算时要以全空间为准进行计算。③若采用侧送形式应根据季节对送风角度、相关阀门等进行调节，提高分层空调系统运行效率的同时丰富高大空间暖通空调通风系统的设计内容。高大空间公共建筑采用分层空调系统能在保证室内空调要求的前提下最大限度地节省能源，达到节能环保的效果。气流组织形式的合理设计对于分层空调系统来说至关重要，而侧送下回的气流组织方式不仅实现了工作区的空调要求，还能使经济节能与舒适性有效统一，因此侧送下回的送风方式被广泛应用。

3.2 下送风空调系统

下送风空调系统常见于大型剧院或影院等观众相对集中的高大空间建筑，这类建筑对空调系统的降噪水平要求较高，因而设计实践中大多使用“下方送风、上方回风”的低速空调系统。下送风空调系统的送风口一般设置在座椅下方，设计人员通常会将送风通道隐藏在座椅地面的夹层结构中，并在安装后及时做降噪和防火处理；下送风空调系统的回风口则设置在观众密集区域的建筑顶棚上。与此同时，为保证观众的舒适度，设计人员还需要严格控制送风温差，一般将温差控制在4℃左右即可。下送风空调系统运行期间，室内温度自下而上逐渐上升，但观众密集区域却能保持相对稳定的湿度和温度。区域内气流分布比较均匀，空调送风量较小，运行负荷不大，因而设计人员在选择空调时不需要过多考虑参数。此外，还应注意的是，因为座椅下方的送风口离观众比较近，所以设计人员要在确保温差达标的基础上，严格控制该区域的送风流量和实际温度，使系统的送风速度不超过1.8m/s，以确保空调气流传送到观众腿部的实际速度不超过0.2m/s，从而在落实节能环保理念的同时，满足观众的舒适度等需求。

3.3 通风与防排烟系统

高大空间建筑工程项目设计时，需要考虑建筑本身的结构特征、使用规律、功能需求，平面布局等设置相适用的通风排烟系统。

（1）高大空间的通风设计可结合空调系统设计共同设置，如空调系统为全空气系统，可采用一次回风系统，满足房间通风换气要求。若空调系统非全空气系统，则需单独设置送排风系统。通常考虑经济及节能性，设计优先采用自然通风系统。若无自然通风条件，则采用机械送排风系统，自然通风面积及机械通风换气次数均应满足规范要求。

（2）高大空间建筑的排烟系统设计时同样优先采用自然排烟系统，其次选择采用机械排烟系统。对于公共建筑及工业建筑中空间净高大于6m 的场所，排烟量均比较大且按空间净高递增，净高大于9m 的空间，均按9m 取值。排烟量及自然排烟口的面积、设置原则应满足《建筑防烟排烟系统技术标准》[2]的规定。总之不论哪种建筑必须满足消防要求，保证消防系统安全性，才能确保人员安全，降低突发事故时人们的财产经济的损失。

3.4 高大空间射流角度优化设计

对于高大空间，分层空调是采用比较广泛的一种空调方式，分层空调是指仅对下部区域设置空调系统，而对上部区域不设置空调系统的空调方式，与全室空调相比，具有节省初投资和运行能耗低等特点。分层空调通常采用喷口送风方式，做法是将喷口安装在空间的周边侧墙，以4~12m/s 的速度、8~12℃的温差及一定的角度射流，经气流衰减，使回流经过人员活动区带走热量和湿量。如高铁站换乘大厅这种跨度较大的高大空间一般采用了双侧对喷的送风方式。从资料调研发现，喷射角度是影响送风效果的关键因素。在设计中，利用流体仿真软件Fluent 对不同送风角度下[3]，换乘厅的速度场及温度场进行模拟计算，以便得到整个设计空间的空气流速及温度的分布，分析不同送风角度对室内气流流动与温度分布的影响。通过模拟结果可以将系统送风口的设计安装角度做到最优的调整，以达到最佳的使用效果。

3.5 引进变流量节能系统，合理使用变频技术

暖通空调在使用的过程中，由于外界的温度和湿度都会发生改变，导致空调系统的负荷有所改变，在这种情况下，如空调设备及水泵等一直都使用原来所设定的频率运行，那么就会耗费大量的电能。设计时可选用变频设备，根据负荷的变化实现自动调节，通过变频技术实现达到节能减排的目标。

在高大空间建筑暖通空调系统设计时，大多数都会使用中央空调，而7℃是中央空调冷水机组冷冻水供水温度最佳数值，设置时不要太低或太高。如果冷冻水供水温度提高到9～10℃，高大空间建筑中室内舒适度变化不会太大，但会降低冷水机组能耗。冷冻水供回水温差5℃是中央空调供回水温差最佳数值，可灵活调节至8℃左右，流量、温差保持反比例，如果流量小则选择的温差要大，以免大流量时出现小温差运行情况。32℃是中央空调冷却水进水温度最佳值，可自由调节在24～32℃。目前，高大空间建筑中暖通空调设计中，要保证温度、节能需求，就要结合运行试验情况，对不同机组进行选择，确保空调内冷冻水进水的温度，同时，使冷水机组处于合理温度时COP 值是最高的。将5℃设定为冷冻水进出口水温差最佳值，45Hz 设定为循环泵变频器上限，30Hz 为变频器下限[4]。如果空调冷水机组冷冻水供水量比最小流量要高，那么表明变频器下限频率设计是合理且高效的。中央空调符合高大空间建筑节能减排要求，但是，需要重视变频器运行过程中频率的设计，在保证运行安全平稳的同时，达到节能目的。

3.6 地面辐射供冷供暖系统

根据高大空间建筑功能设计使用需求，可通过采用地面辐射供冷供暖系统，可减小室内垂直方向上的温度梯度、提高热舒适性。地面辐射供冷系统供回水由冷水机组提供，经板换后供回水温为16℃/19℃；地面辐射供暖系统供回水由锅炉提供，经板换后水温为35~45℃。使用时可根据室温打开或关闭集分水器阀门。特别对于密集型的高大空间建筑，人员本身发热，使得人员区域的温度偏高，送风与室内空气掺混后，温度提升，全空气系统不能有效地送至下部区域。而当采用地面辐射供冷时，地面温度较低，一方面可以承担室内显热负荷，另一方面能够促使送风更加紧密地贴近地面，让处于地面一定高度的人员能够呼吸到新鲜的空气。

3.7 合理应用可再生能源

在人们生活的自然环境中存在着很多的可再生资源，如潮汐能、地热能以及太阳能等，在暖通空调系统安装的过程中，如果想要充分发挥节能环保的理念，就可以通过运用这些可再生资源来实现。设计人员可以利用电能等高品位能源方法来进行低品位和高品位能源的转换，在夏天，可以利用地源热泵将冷源传递至温度较高的地方来，降低室内温度，而且也可以应用太阳能来收集热量或设置太阳能集热墙等减少暖通空调对环境的消耗，通过利用可再生能源，也可以维持暖通空调正常的运行[5]。

3.8 提高冷热循环回收利用的工作效率

在进行暖通空调的设计时，应将舒适、舒缓的送风方式视为基本设计原则。基于此，暖通空调系统需要回收热量并将排风中的热量转化为新的能源。这样不仅可以降低暖通空调的能耗，还可以减少余热污染到环境。实施回收设计需要正确选择设备以确保能源消耗的回收。在污染或能源消耗增加的情况下，设计应基于使用者的位置来考虑，确保暖通空调系统热回收的高效率应用。

4 结语

如今，形式多样、功能复杂的高大空间建筑越来越多，这给暖通空调系统的设计和安装带来许多新挑战。另外，随着国家大力提倡节能环保理念以及国民环保意识的增强，设计人员需要根据建筑工程的不同情况来综合考虑建筑布局、使用功能、使用时间、室内环境要求等内容来制订最优的设计方案，从而满足建筑使用需求，实现节能环保目标。