建筑空間空調設計概述

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摘要：本文概述了大空間建筑空調系統設計的負荷特性、空調風量和換氣次數、空調方式和氣流組織及有關問題，并對空調的冷熱源和節能問題進行了闡述。

關鍵詞：大空間負荷特性氣流組織空調方式節能

前言：20世紀以來，隨著人類生存和發展的需求，各國競相建造了規模宏大的公共建筑電影院、劇場、體育館、展覽館、空港航站樓、高層建筑內的中庭等的建筑內的建造越來越引起人們的興趣和關注。為了充分發揮這些建筑的功能，創造優質的環境，暖通空調技術必須也要不斷的進步。傳統的大空間建筑體型結構、功能變化較少，工程上已積累了豐富的經驗?，F代的大空間建筑造型奇特，尺寸龐大，依靠傳統的經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）居留區人均占有空間體積大（圖1）。從衛生角度看是良好的，可采用較小的換氣次數。

（4）多功能的使用要求。要求空調滿足多環境，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、空調風量和換氣次數空調風量的確定因素可按：1.冷熱負荷的處理要求；2.室內清潔度的保持；3.換氣次數的確保；4.滿足法規的要求。1、2、3三者是通過常規計算可確定，但3項有時缺少實踐的經驗作依據。對于常規的電影院、會堂，人均容積比較一致。通過室內負荷計算及送風溫差所得的人均風量是相似的，相應的換氣次數一般在4~6次/之間，但對于體型復雜、空間大小不規則、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，賽場內人數少；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有較大的區別。但只要采取有效的氣流組織，即使換氣次數小，亦能滿足空調的要求。

四、空調方式、氣流組織及有關問題1．空調方式和氣流組織對室內環境和負荷的影響。

空調采用不同的空調形式或氣流組織對室內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系的。

2．居留區（工作區）空調和誘導通風的應用。

對于一般的電影院、會場等的空調和氣流組織，由于高度有限，一般都采用全面空調方式，輔以比較常規的氣流組織形式。但高大空間室內溫度分層現象非常嚴重。實踐證明，可以在不同的場合采用不同的分層空調方式來實現。對居留區（工作區）空調的基本原則是：（1）供冷時，冷風只送到工作區。此外利用室外空氣或回風以分隔形成上部非空調房間，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。有條件時與輻射供暖結合。采取這些措施后，空調負荷可減少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。為調節負荷，也有采用變風量調節方式的。從室內空氣分布來看，有稀釋型和置換型。傳統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，側送下回，后部噴口送風，下送上回。以上發生均用采用，一般是幾種方式綜合應用。3.用合理的系統分區來保證場內溫度分布的均勻性。一般觀眾廳根據平面和垂直方向可分為3~5個區。根據廳內存在溫度梯度的特性，采用多臺AHU或在系統支路上設調溫裝置，以控制送風裝置。4.合理設計舞臺空調系統?？稍谖枧_兩側天橋下安裝送風管，向下、向側臺送風?？稍谇疤鞓蛳略O送風管，向下送風，直達表演區，或采用球形旋轉風口從舞臺兩側向中央送風。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，以便調節壓力。

（2）體育比賽管及多功能大廳1.滿足居留區域空調：可采用側送射流覆蓋觀眾席，相當于局部空調的坐席空調在大型體育館中也用應用。從節能出發，對于超大型比賽場地，在賽場內不一定設空調系統。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。變更送風口的數量和位置，以控制相應的空調區域。3.利用可感氣流。從節能和熱舒適兩者矛盾的統一出發，大型的體育場內可利用加強場內氣流速度來滿足舒適性的要求，這時夏季可適當提高室內的溫度。3.高速噴流系統。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：中庭內的溫度波動較小，一般能處于舒適溫度區，即處于零耗能帶?？芍豢紤]排風（夏季）和地面輻射采暖（冬季），不一定設空調系統。也可在中庭的下部根據實際的負荷設置空調送風系統，用水平送風來隔斷上下層空調。2.開啟式中庭：通常在低層部位用空調送風直接控制，也有在活動中心直接設置與建筑相協調的空調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。

關于膜構造體育建筑、游泳比賽館、人工冰場、空港旅客大廳的空調因其特殊性，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、大空間建筑的空調冷熱源常規的冷熱源，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應該考慮：當所在地區已有足夠規模的區域供冷供熱設施時，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；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劑作用。

六、大空間建筑節能80年代的大空間建筑在節能問題上只要著眼于節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，更加關注空調建筑物對地球環境的影響。應充分利用自然能（太陽、風、雨、土等），以便最大限度的節約能源和資源，并減低對環境的負荷。

傳統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。在空調方面減少設計負荷（建筑設計上配合），采用居留區空調，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、提高建筑物穩定性方面十分有利。

（2）利用自然通風對于沒有環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環境和節約能量消耗是最為合理的?，F今屋頂可開閉式大型體育館徹底實現了這一要求。

（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）系統劃分問題

系統劃分原則：

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

2.在以上的基礎上，根據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。

3.根據具體情況也可把系統細分化，這樣不出現大風道，但水系統較復雜。

（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，節約初投資，有可降低運行費用。

4.直接根據人員的多少控制進入系統的新風量

5.對于干熱地區，根據氣象條件的分析，有些大空間建筑可采用經直接蒸發或間接蒸發冷卻器的全新風空氣處理系統。

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

結束語：隨著社會的進步，人民對生活質量的追求，除物質生活之外，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量上乘的環境舒適的公共活動空間的建設。對于這些空間的環境設備也要求在健康、舒適、能源有效利用和地球環境保護方面有新的創造。同時作為大空間建筑的功能各國都在朝功能綜合化發展，以期社會資源的充分利用，亦有利于該類型建筑的經營，即在經濟上得以支撐。因此暖通空調設備如何適應這種需要（對多功能的靈活運行）也是現代大空間建筑設計、運行和管理等方面值得強調的問題。

【參考文獻】1.范存養著.大空間建筑空調設計及工程實錄.中國建筑工業出版社2001.09.

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