淺析高大空間建筑空調系統(tǒng)設計

鄭毅然

中國建筑科學研究院建筑設計院

淺析高大空間建筑空調系統(tǒng)設計

鄭毅然

中國建筑科學研究院建筑設計院

本文介紹了高大空間建筑的空調系統(tǒng)設計。結合中國國家博物館西入口大廳和學術報告廳兩個空間，詳細介紹了不同類型高大空間的空調系統(tǒng)送風形式，并闡述了設計過程中遇到的難點及體會。

高大空間 分層空調 座椅送風 置換通風

0 引言

近年來，隨著人類生存及發(fā)展需求，公共民用建筑的規(guī)模日趨龐大，高大空間在民用建筑內出現(xiàn)得越來越多。為了能夠充分地發(fā)揮這類建筑的功能，為這些空間創(chuàng)造更好的室內環(huán)境，合理設置暖通空調系統(tǒng)，對改善大空間建筑內部環(huán)境起著至關重要的作用。

1 大空間建筑特征對空調系統(tǒng)的影響

大空間建筑特征對空調系統(tǒng)具有以下影響[1]：

1）大空間建筑高度高，這是形成溫度梯度的主要原因；

2）大空間建筑外墻面積與地板面積之比大，這造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）大空間建筑的功能多樣，使用對象差異大，要求空調系統(tǒng)能夠滿足多種環(huán)境，且控制靈活。

2 工程實例分析

中國國家博物館位于天安門廣場東側，與人民大會堂遙相呼應。2003年2月在原中國歷史博物館和中國革命博物館兩館合并的基礎上組建成立，是集收藏、展覽、研究、考古、公共教育、文化交流于一體的綜合性國家博物館。新國博總建筑面積19.1900萬m2，其中保留建筑面積35452m2，新館建筑面積156448m2（地上79679m2，地下76769m2），建筑輪廓尺寸：長330m，寬204m；共5層。

2.1 西入口大廳空調系統(tǒng)設計

西入口大廳（圖1）建筑面積8840m2，長260m，寬34m，中間部分寬60m，中間四個核心筒之間形成49m×60m區(qū)域。西入口大廳地面至鋼桁架金屬板底高26.9m。

圖1 西入口大廳空間實景

博物館西入口長達260m的藝術長廊作為建筑體的中央交通連接貫通南北，長廊中部擴展為主入口大廳。這個面積達8840m2，空間高度超過26m的巨大中軸長廊連接了整座博物館近2萬m2的公共空間。

如此高大空間室內氣流存在明顯分層現(xiàn)象，且垂直方向溫度梯度很大。對于這樣的空間，如果要進行全室空調，其空調的耗能非常巨大。其實，在這種高大空間中，需要空調的部位一般僅為下部距離地面2～3m高的工作區(qū)域，應采用分層空調方式，在空調區(qū)內利用合理的氣流組織對其進行空氣調節(jié)，達到設計需要的溫濕度?？照{區(qū)以上空間為非空調區(qū)，此區(qū)域內不設置空調。為避免上部熱空氣滯留，以熱輻射形式對空間下部人員活動區(qū)熱舒適性產生影響，采取可開啟天窗和機械通風等措施，改善上部空間的通風條件，緩解上部熱空氣層滯留問題。通過CFD對大廳進行了溫度場、氣流速度場的模擬得知，豎向溫度梯度達到12℃[2]。為節(jié)省大廳的空調運行能耗，設計采用分層空調和地板盤管輻射空調結合的方式。

西入口大廳所有空調措施和送回風的氣流組織都設置在距地面6m高的范圍內，利用合理的氣流組織保證距離地面2～3m高的工作區(qū)域達到設計需要的溫濕度。主要空調措施如下：

1）入口大廳中部四個核心筒之間形成49m×60m區(qū)域：在地下-1.75m標高處空調機房內設置4臺空調機組，利用觀光電梯井道兩側核心筒側壁內豎向排列的鼓形風口，負擔此區(qū)域空調送風，在觀光電梯后部地面設置格柵回風口。低位送風，地面回風的氣流組織確保人員活動區(qū)域空調效果。

2）入口大廳與中央大廳間88m×12m區(qū)域：在+29.0m標高處設置空調機房，機組送風管利用結構柱間豎井向下，至中央大廳西側大銅門兩邊門洞上方鼓形風口，向室內送風。回風利用大銅門周圍條縫回風口。

3）入口大廳兩側各80m×20m長廊：在西入口大廳南北長廊東墻上約6m高處，均勻設置鼓形風口。并通過電梯廳吊頂回風口集中回風。長廊西側為26m高幕墻，沿西大樓梯兩側幕墻設置地面送風口，在西大樓梯平臺下設置集中回風口。夏季當27m高的頂部區(qū)域空氣溫度高于室溫通風溫度時，可以利用屋頂?shù)淖詣哟皩崿F(xiàn)自然通風或利用與消防合用的風機實現(xiàn)機械通風，從而在不增加空調系統(tǒng)冷負荷的條件下，消除頂部余熱。

4）采用地板輻射供暖供冷：為滿足室內典雅莊重的設計風格，室內可以設置風口的位置非常有限，因此設計中考慮冷/熱輻射地板承擔主要冬季熱負荷和一定的夏季冷負荷。地板盤管系統(tǒng)覆蓋了西大廳中部、西大廳北部、西大廳南部、西大廳北側通廊、西大廳南側通廊及主題大廳前廳總計約6700m2的面積（圖2）。

圖2 西入口大廳地板輻射供暖/供冷區(qū)域

從以上分析可以看出，冬季地暖可滿足主要供熱負荷，空調機組提供室內新風和輔助供熱；夏季，冷輻射地板與空調系統(tǒng)結合供冷，可以使人員活動區(qū)域的溫度分布更均勻，室溫波動小，減小吹風感和噪聲，比常規(guī)空調系統(tǒng)更優(yōu)越。

2.2 學術報告廳（兼劇場）空調系統(tǒng)設計

國家博物館作為世界上建筑面積最大的博物館，除了設有48個能舉辦各種類型展覽的展廳外，還設有300余個座位的數(shù)碼影院，近800個座位的學術報告廳（兼劇場）及600m2的演播室。國家博物館學術報告廳（兼劇場）與一般的劇院及娛樂場所不同，更多的關注宣教功能，用這一多元性的展示平臺，開展學術交流，更好地達成傳播人類古老文明、傳承民族文化、普及科學知識的目的。

學術報告廳（兼劇場）建筑高度為10.5m，觀眾區(qū)跨度28m，進深21m，舞臺進深14m，寬30m。

良好的氣流組織對觀演類建筑空調效果的優(yōu)劣起著決定性作用。觀眾廳面積大、頂棚高、人員集中，而舞臺則有復雜的布景、幕布、燈具及吊杠、天橋等，給空調送回風氣流設計、送回風口布置等提出許多特殊要求。學術報告廳的主要空調措施如下：

1）觀眾廳區(qū)域

觀眾廳設有743個座位，屬于人員密集區(qū)，人體濕負荷較大，且空間高10.5m，地面前低后高，在垂直方向上存在著較大的溫度分層現(xiàn)象。為使人體活動區(qū)得到較高的空氣品質及熱舒適度，觀眾廳空調采用了座椅下送風，頂部回風及排風的氣流組織形式。

在學術報告廳東西兩側-6.0m標高處的空調機房內設置2臺空調機組，負擔觀眾廳池座及樓座空調送風。經過處理的空氣通過管道，以4m/s左右的風速，一部分均勻送入池座座椅下部空間形成的建筑靜壓箱，再經過座椅下部的送風柱送入室內；另一部分通過風管，接至樓座各座椅下部送風柱，繼而送入室內。送入室內的空氣在吸收了人體散發(fā)的熱、濕后才被吸入設置于頂部的回風及排風口。這種座椅下送風，頂部回風及排風的置換通風方式對于提高觀眾區(qū)空氣品質起著重要作用[3]。

2）舞臺區(qū)域

舞臺區(qū)域分為主臺和側臺。鑒于舞臺空間高，設備及燈具復雜，發(fā)熱量大且不穩(wěn)定的特點[4]，舞臺部分采用分層空調設計。在學術報告廳兩側-6.0m標高處的空調機房內設置2臺專供舞臺使用的空調機組，負擔舞臺區(qū)域的空調送風。舞臺東西兩側天橋下距離舞臺地面3.25m高處設置側送及下送風口，側送風口采用鼓形噴口，下送風口采用雙層百葉風口。當舞臺演出有幕布時，為了避免送風吹動幕布，關閉側送風管道上的電動風閥，由下送風口送風；當舞臺用于會議無幕布時，打開電動風閥，由側送及下送風口聯(lián)合送風[5]。

由于舞臺燈光及設備繁多，為了消除頂部的負荷，在舞臺葡萄架上方設置機械通風，負擔消除舞臺上部的對流熱。

從以上分析可以看出，觀眾區(qū)座椅送風能夠將新鮮空氣直接送至人體的呼吸區(qū)，大大提高了工作區(qū)的空氣品質；而舞臺區(qū)的分層空調，在空調區(qū)內利用合理的氣流組織對其進行空氣調節(jié)，非空調區(qū)域采用機械通風以消除余熱，節(jié)省了空調運行能耗，兩部分空調系統(tǒng)相結合，為學術報告廳（兼劇場）提供了舒適的室內環(huán)境。

3 結語

我國大空間建筑越來越多，建筑趨向大空間，給暖通空調設計帶來了巨大的挑戰(zhàn)。通過對以上兩個不同類型的大空間空調系統(tǒng)形式的比較可以看出，選擇大空間建筑空調系統(tǒng)時，需要充分了解其空間特點及使用要求等因素，把握其特殊性及難點，合理確定空調系統(tǒng)形式，為人們提供更為舒適的公共建筑空間。

[1]范存養(yǎng).大空間建筑空調設計及工程實錄[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2001.

[2]盛曉康,董靜.中國國家博物館暖通空調系統(tǒng)設計[J].暖通空調, 2011,(10):1-5

[3]陸耀慶.實用供熱空調設計手冊(2版)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2008

[4]李惠風,白雪蓮,李昕原.觀演建筑空調設計[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2008

[5]劇場建筑設計規(guī)范(JGJ57-2000)[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2000

The Air Conditioning Sys te m De s ign of La rge Spa c e Building

ZHENG Yi-ran
Architectural Design Institute,China Academy of Building Research

This paper introduces the design of air conditioning system of large space buildings.Combined with the Chinese National Museum west entrance hall and conference hall,the details of air conditioning system of different large space are introduced,and the experience and difficulties encountered in the design process is discussed.

large space,stratified air conditioning,seat air supply,displacement ventilation

1003-0344（2015）01-097-3

2013-12-28

鄭毅然（1978～），女，本科，工程師；北京市北三環(huán)東路30號新主樓13層南側（100013）；010-64694340；E-mail:z-yr@163.com