高大空間暖通空調系統

現在很多大型的建築一般具有高度高、體積大等顯著特點。一般的大型建築高度都在10 m 以上，有一些體育場館的高度更高，達到30 m 以上。這些大型建築具有如下特點：

（一）高度較高，在空間上形成溫差梯度。建築外牆面積與地面面積比差異大，室内氣流易受外界影響。

（二）人員聚集，使用時間集中，諸如影劇院、多功能會議中心等對舒适度提出了較高要求，空調冷、熱負荷分布不均勻。

（三）具有多個功能區域，對于不同功能區域的環境空調負荷要求不一。

例如，劇場舞台外牆上外窗少，夏季圍護結構的冷負荷相對小，觀衆廳密集，新風量大，導緻冷負荷較大；而舞台區域人相對不多，冷負荷主要來自電氣設備發熱、燈光照明；劇場辦公、休息區域等與一般辦公樓一樣，采用一般的空調系統即可。

又如，體育場館人員、燈光照明、設備等散熱量占總冷負荷約70%，新風冷負荷約20%，其餘為圍護結構。設計時應根據功能不同劃分不同區域，分别計算其制冷負荷，選擇更加合理的空調系統。

01高大空間暖通空調設計的難點

(1)高大空間建築設計往往需要有單獨的熱源，以滿足空調、采暖、制冷、熱水供應等方面的需求。由于用地緊張和其他一些原因， 很多高大空間建築需要在地下室或屋項上設置鍋爐房，這使得高大空間建築的熱源設計變得更為複雜。

(2)高大空間建築往往高度較高，這也加重了采暖系統的垂向失調，同時由于系統水靜壓力較大，直接影響到室外管網的水力工況，其系統的形式及與室外管網的連接與多層建築有較大差異。

(3)高大空間建築的空調設計氣流組織因溫度梯度較大，需采用合理的送風方式。上送下回方式為從頂棚送風下部回風，現工程多采用可調節風量和射程的風口，提高冬季的送風風速。側送下回方式送風口高度大多在3m左右，需要結合建築裝修設計布置風口位置以達到室内美觀，同時需要精确的空調氣流組織計算。

02冷熱源的選擇

由于高大空間空調系統的特殊性，所以要獨立設置冷、熱源。如果區域内設置有區域供冷、供熱站時，為了合理利用資源，要多利用區域供冷、供熱站。

對冷熱源的選擇，可以采用常規的電動壓縮式制冷機組、直燃式制冷制熱機組、集中式換熱站和鍋爐房，且風冷熱泵機組可以做為輔助熱源來使用。

在确定冷熱源方案時應結合當地資源的特點，從經濟性、安全性等方面進行論證。由于此類建築均屬于人員短期密集，輔助房間(如辦公、對外營業場所等)面積占整個建築面積的比例很小，人員負荷、燈光負荷、新風負荷占空調冷負荷的大部分，而且該部分負荷變化大，在選擇機組台數時，應考慮以下幾點因素：

（1）使得機組的台數應能滿足負荷的變化要求；

（2）人員數量變化大，新風負荷變化大；

（3）不舉辦活動時，隻有對外營業場所以及少量的辦公等輔助用房需要供冷或供熱。

系統設計

01.上送下回全空氣空調系統

在這套系統内，在上方的網架空間内或在頂棚安裝有送風口，在側牆或者下方座椅旁邊設置回風口，可以從上到下把氣流輸送到人員區域内，并由回風系統将其排出。

機械集中的排風系統應放置在舞台空間的頂部或上部。設計過程中要注意，熱、冷源需在距離地面大概兩米的人員停留區域，氣流的平均風速為0.2 ～ 0.5 m / s，而送風口的風速一定要小于等于10 m / s。

旋流風口或噴口是上送風系統中的主要适用風口，主要特點是大風量、低噪音、風速可控、射程遠、穩定的阻力特性，所以很多空間很大的建築會使用旋流風口。該風口不僅可以安裝在如會議室等層數較低的樓層，而且也可安裝在體育館、廠房、機場等層高很高的地方。

空氣處理完後會被上送風系統運送到各個不同的地方，以滿足各種不同的需求。

然而，有利就有弊，該套系統與其他系統相比會消耗更多資源，且由于熱空氣的進入會使人員區域内的空氣質量相對較差，不利于健康。所以，設計過程中，不僅要考慮環保，更要在環保的基礎上選擇性價比較高的系統。

02輔助房間内系統的設計

在許多大型的公共建築内部，通常會有一部分輔助房間，如會議室、貴賓休息室、機房、器材室等。這些輔助房間的功能、構造、部位、環境、使用條件與主體部位不一樣，所以對輔助房間的空調系統要單獨設置節約能源。

輔助房間的系統有加新風系統、恒溫恒濕系統、多聯機系統等可以選擇。

選擇好之後，要按照房間的使用時間和功能的不同來區分控制，同時也要與主系統區分，以節約能源，達到最好的效果。

03采暖系統

現在的高大空間公共建築使用的次數一般較少，大部分時間都在閑置中。

相對來說，更為寒冷的北方的大型建築在冬季一般會采用以空調采暖為主、地暖或者散熱器等其他采暖方式為輔的采暖方式。

建造時，幾種不同的采暖系統不能設計在一起。建築在平時不使用時，關閉主系統，隻使用輔助取暖，輔助取暖的溫度一般為5 ～ 10℃。開始使用後，同時開啟兩種系統共同采暖。地暖也就是地闆輻射采暖的原理是利用熱輻射來達到采暖的目的，相對比較舒适。

所以，在一些需要高溫度的場所采用地暖系統更為合适。地暖系統中，供回水的溫度不高，約45 ～ 55 ℃。地暖在建造時，為了達到最好的效果，從中間到外圍應該逐漸增大管道的距離。

04下送風空調系統

在大型建築的大廳内，因為使用頻率低、空間大且人多，對噪聲的要求很嚴格。這種類型的大廳一般要使用下送風空調系統。送風口建造在座椅下面，頂棚會建造回風口。

為了使使用者更加舒服，送風口送的風溫差小于5 ℃，以4 ℃為宜。在送風口旁另設送風道，并有一定的防火措施和降低噪音的措施等。

采用該系統，大廳溫度會從下到上逐漸提高，各方面的指标都很好，非常适合電影院的觀衆廳。

不過要注意，送風口距離前面觀衆手肘處的距離在一米之内，從舒适度方面考慮，一定要嚴格控制觀衆所在區域的溫度和空氣流速。

05分層空調系統

特點：該系統是利用更為合适的氣流對建築的工作區域、非工作區域除外，進行适當的處理，在空間的中部設置高速噴口來作為工作區和非工作區的分界線。該系統的回風口在送風口的一側靠下位置，比其他系統更加節省能源，降低了20% ～ 40% 的能耗。

該系統的氣流組織：恻送下回是使用最多的方式。在建築周圍的牆上設置送風口，按照一定角度開始送風，初始風速為6 ～ 12 m / s、送風溫差為8 ～ 12 ℃。

當射流落下時，低速通過工作區域，此時風速為0．2 ～ 0.5 m / s 左右。為避免其他的物體檔風，應在四米之上的高度設置送風口。設計時的注意要點：

• 因為送風口的設置點比工作區域高得多，噴口噴出的氣流正常情況不可能到達工作區域。為了使回流風到達工作區域，需要在噴口的同一側面設置回風口，使系統能夠達到使用的需要。
• 由于高大空間建築的空間跨度較大，應該使用兩側送風回風或者單側送風回風等形式進行設計。
• 計算冷負荷時，一定要注意到非工作區域對工作區域的熱對流以及熱輻射所産生的冷負荷，并采用分層計算的方法計算冷負荷。分界層的高度越高，下層的空調區域就越大，所以冷負荷就會越大。對熱負荷進行計算時，應該使用全空間計算的方法。
• 當該系統使用側送風時，因為空調所動的風射程較遠、所送氣流溫差較大等原因，會造成該系統制熱過程中熱空氣的擡升及該系統在制冷時内部冷空氣的下降等現象明顯。
• 解決的方法有換送風噴口，選擇一種可以根據要求随時調節的噴口，在該系統使用的不同時間段内，按照不同的要求調整噴口的送風位置，同時噴口的筏形應該使用可以自配風量的類型，按照使用時間的不同和對風速要求的不同，不斷調整風量，達到任何時間都能滿足人員需要的要求。
• 當該系統的覆蓋範圍大于30m 時，可以在不同的高度位置上設置多個噴口來滿足需要。較高位置的噴口可以把風送到更遠的區域内，位置較低的噴口可以負責近處的區域，從而實現對整個區域的覆蓋。
• 将排風系統設計在非工作區域的上部分，以排出工作區域發散出來的多餘熱量。
• 同時，可以将上部分位置的溫度調解下來，減少非工作區域與工作區域的熱對流以及熱輻射所造成的不必要麻煩，從而保證該系統的順利工作，使其達到指定的環境要求，同時使其所在的建築有一個良好的工作環境。分層空調系統具有很好的節能性、安全性、環保性，是一套相當好的系統。

目前，該系統已經運用到更多的高大空間建築。

06新風熱回收系統

對于人員密集、設備散熱量高的大型場所，如體育館、劇院、禮堂等，新風熱回收系統的應用效果非常明顯。

冬夏季節空調系統的運行主要是啟動空調機組、關閉排風機，以确保室外新風可以先在空氣熱交換機組内和室内排風系統中得到充分的熱交換處理。後經過空調機組處理運輸至觀衆廳，使室内排風系統的餘熱量充分利用，有效降低空調機組能耗。

春秋季空調系統的運行主要是啟動排風機、關閉空調機組，室外新風直達觀衆廳，開啟全新風模式可提高室内新風量，改善人體的舒适感，降低空調系統能耗。

該系統提高了空調系統餘熱量的利用率，降低了系統能耗。設計時要嚴格防止冬季設備使用時被凍壞，嚴格控制排風溫度不低于5 ℃。

1、體育館、禮堂等屬于人員密集、設備散熱量大的場所，過渡季節仍然需要空調降溫。室外進入的新風和部分回風混合後，經過濾、冷卻或加熱處理後送入比賽大廳。面積大的場館劃分多個通風空調系統區域，便于系統調節以及能量控制。輔助房間如貴賓室、休息廳、工作人員用房、服務用房可采用風機盤管加新風系統。

2、一般來說，高大空間建築物的使用率不高，閑置時間較長。在采暖地區，為節能和便于管理，采用空調送熱風與散熱器值班采暖相結合的方式。值班采暖溫度按5℃或1O℃考慮，開展或舉辦活動期間，由空調系統補充不足的熱量。

3、高大空間建築物多數為輕型結構，外圍護結構多采用玻璃幕牆。因此，要注意維護結構表面結露問題。從節能和滿足衛生要求的角度，暖通專業給建築師提出圍護結構的最經濟傳熱阻。同時，設計熱風幕系統， 自上而下或自下而上對玻璃幕牆表面進行加熱。

4、氣流組織的選擇應根據建築物的類型、結構形式。體育館、禮堂屋項結構形式多為網架或桁架，層高≥10m，體育館屋頂最高點可高達25m。體育館的氣流組織一般為高速射流頂送或側送、座椅下回風或場地下回風、項部排風；禮堂的氣流組織一般為噴口或旋流風口或散流器項送、場地下回風、舞台上空排風。

5、空調機房的布置應以施工安裝、管理維護方便，管道布置合理經濟為原則。機房作為空間系統的核心部分，其位置的選擇、面積的大小直接影響到系統的合理性以及使用效果。每個空調機房所承擔的空調系統的面積不宜過大，宜控制在500m2以内，這樣可以避免系統風量過大，管道尺寸合理。而且應盡可能靠近空調房間、靠近外牆，遠離振動、噪聲要求高的房間，便于送、回風管、進、排風口的布置 同時應避免布置在建築物的核心筒内。機房的高度應按空調機組的高度以及風管、水管、電器橋架以及檢修空間決定，一般淨高控制在4～6米，否則會給施工安裝、運行管理帶來諸多不便。

噪聲與振動

禮堂對噪聲振動要求很高，因此，通風空調系統的設計應慎重考慮消聲減噪、減振問題。風機、空調機組、冷水機組、水泵是噪聲源與振動源。設計中，應注意以下幾個問題：

（1）盡量讓設備用房遠離噪聲要求高的房間；

（2）選擇質量好噪聲低的空調設備、消聲效果好的消聲設備，同時消聲設備的風速不宜太高，消聲器應靠近出機房的位置；

（3）設減振墊、軟接頭等減振措施;風機的風壓應經過計算後确定，要控制風管、風口的風速，避免風口風速過高而産生二次噪聲。

MX空氣分布系統是柔性的材質做成，本身不會産生噪聲并且可以通過柔性的管體材料吸收一部分由風機傳來的聲音，非常适合用在這類場所。

伴随社會發展，大空間公共建築越來越多，其暖通空調設計往往比較複雜，需要針對其特殊性和難點，綜合考慮多種因素，才能做到科學合理。

常用風口的設計選型與比較

我們在實際的工程項目設計施工過程中，常常會需要對類似車站和機場的候車廳、體育館、大型展覽館、裝備車間等高大空間的空氣氣流組織進行設計和選型。那麼研究和讨論根據已知條件來合理地設計和選擇空氣的氣流組織以及各類送風口的問題就變得現實和需要了。為此結合實際的工程項目設計和應用的結果，讨論以下關心的問題：

01.高大空間的送風口布置形式

對于高大空間送風口類型的選擇和布置，一般而言，高大空間的空氣氣流分布形式較多采取上送風下回風的形式，與其對應的送風風口的布置形式常見的有頂送風和側送風二種。對于選擇頂送風時，常常選擇可變旋流風口。而選擇側向送風時則多選擇球形噴口或鼓形噴口，且可以考慮從二側同時送風的布置形式。根據空間内熱濕處理要求，無論考慮選擇哪一類送風口，其風口都應具有夏季工況（即送冷風）、冬季工況和過渡季節這三種不同的送風方向的要求。以下結合我們的工程實例讨論如下：

1.1側送風布置形式的風口設計選型

1.1.1已知條件

某體育館所，其長66m寬52m有效層高22m其容積為：75504m3,設計容納人數為：7000人.夏季室内要求溫度27℃±2℃,冬季室内要求溫度17℃±2℃;夏季送風溫度16℃,冬季送風溫度26℃;設計冷負荷為：1050KW,設計熱負荷為：875KW,即已知夏季送風溫差為11℃,冬季送風溫差為9℃,由建築具體結構的設計決定可設置風口的安裝高度為：12.2m.送風口考慮采取二側上送風下

回風布置形式。要求所有送風口具有根據季節送風溫度的變化自動調節送風角度的功能。

1.1.2設計選型

根據已知條件可按圖1所示：

風口選型程序作出下列選擇：

1)：送風量Q确定：

Q=G*cp*⊿t

夏季送風量：283528m³/h;

冬季送風量：288779m³/h;

式中：Ｇ為送風量，kg/s；

Cp為空氣的定壓比熱；⊿t為送風溫差，℃；

綜合考慮系統可能的漏風和峰值負荷後，

可選定送風系統的最小額定風量為：297000m³/h。

1.1.3選擇确定噴口型号、規格和數量

本例是屬高大空間送風系統，所選擇風口應具備送風射程遠、單個風口的送風量大、安裝調試方便、風口工作時噪聲低等要求，為此選擇的風口類型為鼓形噴口，鼓形噴口的的型号規格為：FK-GP/W/750*250；

圖2鼓形噴口産品照片

其單個鼓噴的流通面積為：0.112m²;

單個風口的設計送風量為5940m³/h;

風口合計數量為：50個。

即沿着體育館長度方向的間隔為2.5m,在

沿體育館長度方向二側布置鼓形噴口。

其主要技術參數,包括送風距離、夏季和冬季的送風轉角值、噪聲值評估、鼓形噴口内阻等；

具體的設計計算符号如圖3所示：

圖3 溫度感應自動調節控制的鼓形噴口布置圖

1.1.4主要技術參數複核計算

（1） 水平送風距離x：

根據等溫自由射流軸心速度衰減的計算表達式：

Ｖx/Vo=0.48/〔（ax/do） 0.145〕 (1)

式中：Vo　為鼓形噴口出風口斷面的平均風速，m/s;

本例的Vo值為：Vo=5940/(3600*0.1125)=14.66m/s;

Vx 為射程達ｘ處的射流軸心速度，m/s; 按照一般的使用要求其計算射流斷

面處的速度（也就是末端風速）取值為0.5m/s;

X 為射流斷面到鼓形噴口出風口的距離，也即送風距離，m;

do 為鼓形噴口的當量内徑（也就是氣流的流通當量直徑）

do=4*流通面積/2*鼓噴内周長；本例do為0.250m

a 為鼓形噴口的紊流系數，其值反映了鼓形噴口在送風氣流所在各斷面上的

速度不均勻程度,由鼓形噴口的結構、幾何形狀、表面粗糙度等因素來确定.對于各種射流風口而言，紊流系數值一般由實驗測試而得。

附表一為由蘇州市創建空調設備有限公司提供的溫度感應自動調節控制的鼓形噴口、球形噴口紊流系數的測試值，可以在工程設計中加以引用的。

表１ 常用射流風口的紊流系數實驗數值

将以上數據代入上述表達式(1)有：

0.5/14.66=0.48/[(0.138*X/0.250) 0.145]

求得：ｘ＝25.23m此值即為送風末速度為0.5m/s時的送風水平距離L。

（2）冬季工況和夏季工況需要自動調整的送風角度的校核

1)冬季工況

此工況是送熱風，根據已知條件安裝高度為12.2m;考慮人員的溫度感受高度（一般取值為1.7m）後。已知氣流從鼓噴送風出口到末端風速處的高度實際落差為：10.5m.(圖3所示的H尺寸)這樣送熱風夾角

α2為：

α2=arcsin(H/L)=24.58°;為了穩妥起見建議送熱風轉角設定值為25°.

2)夏季工況

此工況為送冷風。鼓形噴口安裝高度到屋頂距離為9.8m，考慮到實際結構布置

情況（上方燈具照明等因素），我們設鼓噴送冷風時向上的轉角為10°。

此時從圖３可以看出，二股送冷風的等溫氣流交點到噴口安裝位置的距離是：H2＝L*sin10°＝4.38m

2.1.5非等溫送風氣流情況下對送熱風時的射程值影響分析

由于空氣的送風溫度和室内使用溫度之間存有溫度差，這樣射流氣流與其周圍空氣接觸混合時，由于溫度的差别而使他們的密度也不同，即氣流所受浮力與重力不相平衡而将會發生彎曲。出現冷射流朝下曲，而熱射流朝上彎曲。對于實際的工程項目而言，由于其影響不大，所以通常都作忽略處理。

2.1.6鼓形噴口内阻值評估

在風管系統設計和調試時常需對各類風口的局部阻力值有一個要求，以利于系統風壓的平衡設定和調整。鼓形噴口是一種矩形射流風口，其流通阻力主要是以局部阻力的形式存在。通常流通阻力可以下式表示為：

Hd=ζ*V*V*ρ/2 Pa

式中：ζ為鼓形噴口的阻力系數，由實際檢測确定；可取值為0.9

Ｖ為設計風量下空氣流經鼓噴内腔時的流速，m/s;

ρ為空氣的密度，取值為1.2;

這樣本例鼓噴的内阻值為：0.9*14.66*14.66*1.2/2=116Pa，由此可見，在單個風口的風量、射程要求都較大時，鼓形噴口的内阻值是相當小的。

2,1.7鼓形噴口噪聲值評估

高大空間内允許的噪聲值根據使用場所的差别，會有不同的要求，一般允許的噪聲值在50dB(A)～60dB(A)範圍，為此通常在設計和選擇送風風口時應該對所選風口的再生噪聲值作設計計算評估。本例結合工程項目中實際測量到的噪聲量值，作具體的分析如下：　

鼓形噴口噪聲修正曲線　圖4

氣流流經鼓形噴口所産生的再生噪聲的聲功率級可按下式計算：

Lw=10lgA algv b dB(A)

式中：

A 為鼓形噴口的流通面積，m²;

V 為鼓形噴口出口風速，m/s;

ａ、b為實驗常數，圖4為由蘇州市創建

空調設備有限公司提供的鼓形噴口的algv b的修正曲線圖。根據以上的數據空氣在流經鼓形噴口時所産生的再生噪聲值為：

Lw=10lg0.1125 68.5=59 dB(A)

為了能更準确的了解和評估實際使用場所的噪聲在各個倍頻程下的聲功率級的量值，通常可以采用以下列表所示修正值，來對鼓形噴口在各個倍頻程下的聲功率級進行修正：

表２ 鼓形噴口倍頻程聲功率級修正值及修正結果 dB(A)

03采用溫度自動感應鼓形噴口的主要優點

對于高大空間送風氣流的組織要求，當需要考慮根據季節的變化而對送風方向有相應調整要求的項目來說，傳統的設計方案常采用由人通過電控平台給電動執行器輸入信号，由執行器動作來改變送風口送風的選擇角度來達到夏季工況氣流朝上送而冬季工況氣流朝下送的使用要求。和傳統的設計配置方案相比，本項目所選擇配置的溫度感應自動控制鼓形噴口具有以下主要優點：

3.1采用溫度感應自動控制的鼓形噴口，就無需由人員來發出信号，能實現随着季節的變化即送風溫度的變化使鼓形噴口能作相應的調整并具有自動調整送風角度，即實現夏季朝上送冷風，冬季朝下送熱風的功能要求。這在客觀上降低了對使用管理的要求和管理人員配置的要求。

3.2由于鼓形噴口上配置了溫度感應器，風口能自動識别送風溫度（即是送冷風還是送熱風）并通過鼓噴所附的傳動機構将溫度感應器的直線位移放大和轉換成鼓形噴口的選擇運動。所以整個使用場所可以在沒有電源的條件下實現正

常的調整工作。完全不需要在安裝過程中布置安裝所以風口的連接電線和相應的電動控制設備。大大節約了安裝的費用和時間，使整個項目的造價大為降低。

3.3 由于溫度感應器是一個密閉的類似油缸活塞裝置，其動力來自感應器内部媒體随着溫度變化而發生的體積變化所形成的運動位移量。這種媒體的物理性能穩定，且感應器運動和位移都十分平穩。在正常情況下每年四季變化一次，也就是說每年鼓噴的轉角隻需變化調整一次，所以從蘇州市創建空調設備有限公司提供的實驗報告的數據分析，其溫度感應自動調節控制系統在正常使用條件下可以達到１０年免維護的水平。

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