高大空間公共建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

彭曉娟 山東省環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究設(shè)計(jì)院有限公司，山東省環(huán)科院環(huán)境工程有限公司

暖通空調(diào)系統(tǒng)是現(xiàn)代建筑中不可或缺的部分，其發(fā)揮著通風(fēng)、采暖、制冷以及防排煙等重要作用。高大空間公共建筑設(shè)計(jì)中，必須對暖通空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)，從而確保公共建筑的使用功能[1]。

1 高大空間公共建筑的特點(diǎn)

1.1 室內(nèi)高度較高

相較于普通公共建筑，高大空間建筑的室內(nèi)高度相對較高，是主要特點(diǎn)之一。同時因空間相對較大，室內(nèi)空間會產(chǎn)生一定的溫度差異。此外，地面與外墻的面積比值較大，內(nèi)部氣流組織在一定程度上會受到室外環(huán)境的影響。

1.2 空調(diào)效果較差

由于冷熱空氣的密度不同，熱空氣通常漂浮在空間內(nèi)的上半部分，導(dǎo)致冬季處于下部空間中的人們難以感受到熱風(fēng)，進(jìn)而造成熱量浪費(fèi)，增加了資源消耗，且空間使用舒適度較差[2]。應(yīng)對送風(fēng)口、氣流組織進(jìn)行合理選擇，確保兩者與建筑造型、風(fēng)格相契合，提高空調(diào)使用效果。

1.3 功能多種多樣

高大空間公共建筑的功能繁多，不同功能區(qū)對暖通空調(diào)系統(tǒng)的要求也有一定的差異，因此暖通空調(diào)系統(tǒng)的負(fù)荷特性也有一定的差異。例如，電影院通常不會設(shè)置外窗，其夏季圍護(hù)結(jié)構(gòu)不需要承受冷負(fù)荷，觀影者聚集在播放廳中，新風(fēng)需求較大，新風(fēng)比例一般在0.35 ～0.40。

1.4 人員相對密集

高大空間公共建筑的空間較大，因此通常會間歇運(yùn)行。運(yùn)行期間，部分空間往往會聚集大量人員，如會議室和電影院等，且人員聚集的時間比較集中。空間功能運(yùn)行時，人員的聚集會導(dǎo)致空間壓力大幅度增加，新風(fēng)需求量也會上升，因此對暖通空調(diào)系統(tǒng)的使用功能、安全性能有著較高的要求。高大空間公共建筑中，現(xiàn)有的暖通空調(diào)系統(tǒng)存在著冷熱負(fù)荷分布不均的現(xiàn)象，使得低谷負(fù)荷與高峰負(fù)荷之間的差異過大[3]。

2 高大空間公共建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)主要類型

2.1 分層空調(diào)系統(tǒng)

高大空間公共建筑中，可以采用分層空調(diào)系統(tǒng)，其僅作用于下部空間，氣流組織比較合理。分層空調(diào)系統(tǒng)的中間部位安裝了高速噴口，可以通過噴射形成射流層，回風(fēng)口位于送風(fēng)口的側(cè)下方，與其他暖通空調(diào)系統(tǒng)相比，耗能量相對較少，可降低20%～40%，具有良好的節(jié)能效果。

此外，分層空調(diào)系統(tǒng)的氣流組織相對合理，采用的是側(cè)送下回的形式，在周邊側(cè)墻設(shè)置送風(fēng)噴口，初始射流速度為6 ～12 m/s，送風(fēng)溫差為8 ～12 ℃，噴射角度比較固定，到達(dá)固定射程后，射流折回、下落，然后以緩慢的回流速度經(jīng)過人員工作區(qū)，工作區(qū)的流速通常為0.2 ～0.5 m/s。送風(fēng)噴口的高度最低為4 m，以確保送風(fēng)的通暢性[4]。

在對分層空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)的時候，應(yīng)充分考慮以下4 方面的問題。

一是如果送風(fēng)噴口的安裝高度較高，則誘導(dǎo)卷吸氣流就不能經(jīng)過工作區(qū)。面對這樣的情況，應(yīng)將送風(fēng)噴口、回風(fēng)口安裝在同一側(cè)，確?；亓鲄^(qū)、工作區(qū)達(dá)到重疊，從而使暖通空調(diào)系統(tǒng)在工作區(qū)也能充分發(fā)揮其作用。二是高大空間公共建筑的跨度通常較大，在對分層空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時，可選擇雙側(cè)送風(fēng)、回風(fēng)的方式，或者是單側(cè)送風(fēng)、回風(fēng)的方式。三是對冷負(fù)荷進(jìn)行計(jì)算的時候，應(yīng)充分考慮空調(diào)區(qū)域、分空調(diào)區(qū)域的熱輻射、對流，兩者均可帶來一定的冷負(fù)荷，應(yīng)分層計(jì)算。通常情況下，空調(diào)區(qū)域大小與分階層高度呈負(fù)相關(guān)的關(guān)系。在對熱負(fù)荷進(jìn)行計(jì)算的時候，應(yīng)以全空間為準(zhǔn)。四是選擇側(cè)送風(fēng)形式的情況下，空調(diào)送風(fēng)具有溫差大、射程遠(yuǎn)的特征，從而導(dǎo)致季節(jié)性空氣下降或者上升。面對這樣的情況，可對噴口進(jìn)行調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)換送風(fēng)角度與工況，并結(jié)合閥門實(shí)現(xiàn)季節(jié)性的調(diào)節(jié)[5]。

2.2 全空氣空調(diào)系統(tǒng)

一些高大空間公共建筑，如體育館等，可使用全空氣空調(diào)系統(tǒng)。全空氣空調(diào)系統(tǒng)可分為上送側(cè)回、上送下回等不同的形式。這類高大空間公共建筑通常具有新風(fēng)需求量較大、熱濕負(fù)荷大、間歇性使用以及人員密集等特征，為滿足通風(fēng)需求，應(yīng)設(shè)置較大的風(fēng)道?？蓪⑺惋L(fēng)系統(tǒng)的送風(fēng)口安裝在頂棚上，并將回風(fēng)口設(shè)置在周邊側(cè)墻附近或者座椅周圍，通過送風(fēng)口與回風(fēng)口實(shí)現(xiàn)上下循環(huán)送風(fēng)，同時還可在空間頂部安裝集中排風(fēng)的機(jī)械系統(tǒng)。

對全空氣空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)的時候，應(yīng)確保系統(tǒng)到地面的距離在2 m 內(nèi)，風(fēng)速為0.2 ～0.5 m/s，送風(fēng)口的風(fēng)速要控制在10 m/s。上送風(fēng)系統(tǒng)主要由螺旋風(fēng)口和噴口等部分組成，螺旋風(fēng)口具有控制簡便、風(fēng)量大、噪聲小以及可調(diào)節(jié)等特征，因此在高大空間公共建筑中得到了廣泛應(yīng)用。全空氣空調(diào)系統(tǒng)可有效提高送氣的均勻性，從而實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)空氣質(zhì)量的改善。但是，全空氣空調(diào)系統(tǒng)也有一定的缺點(diǎn)，主要缺點(diǎn)是能耗較高，而且如果將上部熱氣帶入人員區(qū)域，則會使空氣質(zhì)量出現(xiàn)較大的差異[6]。

2.3 下送風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)

大多數(shù)高大空間公共建筑對噪聲有著嚴(yán)格的要求，特別是在人員比較密集的場所，如電影院等。針對這種場所，可設(shè)置下送上回低風(fēng)速全空氣空調(diào)系統(tǒng)。在觀眾座椅下方設(shè)置送風(fēng)口，頂棚設(shè)置回風(fēng)口，并在送風(fēng)柱上設(shè)置小送風(fēng)口，同時確保小送風(fēng)口的均勻分布。

3 高大空間公共建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1 冷熱源選擇

考慮到高大空間公共建筑高度較高、空間較大的特征，通常會單獨(dú)設(shè)置冷源和熱源。高大空間公共建筑內(nèi)部區(qū)域供冷和供熱站具有良好性能的情況下，可將供冷和供熱站當(dāng)作冷源與熱源，以達(dá)到節(jié)能的效果。結(jié)合實(shí)際區(qū)域情況，對冷源、熱源進(jìn)行合理選擇，一般情況下，可選擇鍋爐房、集中式換熱站、電動壓縮式制冷機(jī)組等。同時，可充分考慮高大空間公共建筑的冷熱通風(fēng)條件，對輔助冷源、熱源進(jìn)行合理選擇。

隨著社會經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，近年來，一些經(jīng)濟(jì)條件較好的區(qū)域應(yīng)用了諸多節(jié)能環(huán)保型的新設(shè)備、新技術(shù)，改善了建筑物的使用功能，提高了建筑物使用的舒適度?？諝庠礋岜孟到y(tǒng)便是一種新技術(shù)，其主要利用高位能，使熱量從低位熱源流向高位熱源。水、土壤以及空氣中的熱量被稱作低位熱能，煤、油、燃?xì)庖约半娔艿葹楦呶粺崮?。低位熱能無法被直接利用，而空氣源熱泵系統(tǒng)可將低位熱能轉(zhuǎn)化為高位熱能，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)約高位熱能的目標(biāo)。

空氣源熱泵系統(tǒng)有著諸多優(yōu)勢，因此在建筑領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，其優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下5 方面。一是其低位熱源為空氣，可無償獲取且取之不盡用之不竭。二是熱泵安裝、使用簡單方便。三是冷熱源合一，無需設(shè)置專門的鍋爐房與冷凍機(jī)房，機(jī)組可放置在地面或者屋頂，無需占用有效使用面積。四是無需設(shè)置冷卻水系統(tǒng)，可避免因冷卻水消耗、預(yù)防冷卻水污染而導(dǎo)致的軍團(tuán)菌感染，更加安全衛(wèi)生。五是不需要設(shè)置鍋爐，對環(huán)境無污染。在對暖通空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，應(yīng)充分考慮高大空間公共建筑的特征、功能及當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境條件等因素，遵循因地制宜的原則，加大對現(xiàn)代化技術(shù)的應(yīng)用，從而提高暖通空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)質(zhì)量，為人們提供更加優(yōu)質(zhì)的公共建筑。

3.2 新風(fēng)熱回收系統(tǒng)設(shè)計(jì)

高大空間公共建筑人員密度較大的情況下，可以設(shè)置新風(fēng)熱回收系統(tǒng)。在新風(fēng)熱回收系統(tǒng)運(yùn)行中，室外新風(fēng)在通過熱交換機(jī)組后實(shí)現(xiàn)室外排風(fēng)，達(dá)到熱交換的作用，然后利用空調(diào)機(jī)組將其送至使用區(qū)域。新風(fēng)熱回收系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對剩余熱量的回收利用，可達(dá)到節(jié)能的效果。同時，關(guān)閉熱交換機(jī)組，開啟排風(fēng)，可使室外新風(fēng)直接進(jìn)入，達(dá)到提高通風(fēng)效果的目的。新風(fēng)熱回收系統(tǒng)設(shè)計(jì)中還要采取防凍措施，特別是在寒冷地區(qū)，必須做好冬季防凍工作。在排風(fēng)溫度低于5 ℃的情況下，應(yīng)進(jìn)行加熱處理，確保溫度維持在5 ℃以上，避免新風(fēng)熱回收系統(tǒng)出現(xiàn)凍結(jié)等現(xiàn)象。

3.3 輔助采暖設(shè)計(jì)

部分間歇使用的高大空間公共建筑每年都要閑置較長一段時間，使得暖通空調(diào)系統(tǒng)的使用效率大幅度降低。我國北方寒冷地區(qū)對冬季供暖質(zhì)量的要求相對較高，因此應(yīng)將散熱器供暖、空調(diào)制熱兩種方式結(jié)合起來，以實(shí)現(xiàn)供暖有效性的提高。在輔助供暖設(shè)計(jì)中，不可將輔助系統(tǒng)、供暖系統(tǒng)設(shè)置在同一區(qū)域。高大空間公共建筑閑置的情況下，僅需開啟一個供暖裝置，如可采用散熱器值班供暖，確保室內(nèi)溫度不低于5 ℃即可。使用時，應(yīng)同時開啟輔助供暖系統(tǒng)、制熱系統(tǒng)，從而確保室內(nèi)溫度達(dá)標(biāo)。

3.4 輔助空間暖通空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

高大空間公共建筑中，通常設(shè)有多種不同類型的輔助空間，如VIP 室、會議室以及休息室等。這些輔助空間在使用時間、使用功能與環(huán)境要求等方面均與高大空間公共建筑的主體部分有著明顯的差異，同時不同類型輔助空間的要求也有一定的不同。因此，應(yīng)單獨(dú)對這些輔助空間的暖通空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以采用多聯(lián)機(jī)、恒溫恒濕系統(tǒng)、新風(fēng)系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)盤管等，并注意將這些輔助空間的暖通空調(diào)系統(tǒng)與高大空間公共建筑主體部分的暖通空調(diào)系統(tǒng)區(qū)分開來，根據(jù)輔助空間使用時間、使用功能的不同進(jìn)行分別控制，從而在發(fā)揮暖通空調(diào)系統(tǒng)作用的同時達(dá)到節(jié)能的效果。

3.5 噪聲控制

高大空間的公共建筑中，一些功能區(qū)域在噪聲方面有著嚴(yán)格的要求，如大型報(bào)告廳、禮堂等。因此，暖通空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)對噪聲問題進(jìn)行重點(diǎn)考慮，采取有效的措施，降低暖通空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行過程中的噪聲。例如，為降低送風(fēng)系統(tǒng)的噪聲，在安裝排風(fēng)設(shè)備的時候，可以在遵循相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求、滿足建筑實(shí)際使用需求的基礎(chǔ)上選擇噪聲較小的排風(fēng)設(shè)備，或配備消音器、消音彎頭，有條件的情況下，可在設(shè)備排風(fēng)口處進(jìn)行消音處理，以達(dá)到降低噪聲的效果。此外，合理控制設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)風(fēng)速也可以達(dá)到降低噪聲的效果。通過對暖通空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，可以降低暖通空調(diào)系統(tǒng)的噪聲，控制建筑噪聲污染，使高大空間公共建筑更加符合環(huán)保要求。

3.6 節(jié)能設(shè)計(jì)

當(dāng)前我國對各種資源的需求不斷增加，但是資源尤其是礦石能源的儲量有限，導(dǎo)致能源短缺、資源供需矛盾問題不斷加劇。在此背景下，建筑行業(yè)越來越注重節(jié)能，高大空間公共建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，也要高度重視節(jié)能設(shè)計(jì)，可從以下兩方面入手。一是應(yīng)用能源回收裝置。暖通空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行過程中會產(chǎn)生大量余熱，可以采取先進(jìn)的技術(shù)與設(shè)備來回收這些熱量，以減少能耗。例如，可以通過安裝余熱回收裝置，有效回收載熱流體，完成熱傳遞，實(shí)現(xiàn)對余熱的有效利用。又如，可以采用熱回收技術(shù)，并對新風(fēng)處理系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，以實(shí)現(xiàn)制冷、除濕效果的改善，避免由于過度制冷、除濕導(dǎo)致能耗上升。二是控制熱傳媒傳輸能耗。暖通空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，應(yīng)確保熱傳遞方案的科學(xué)性與合理性，并與高效的熱傳輸機(jī)制有機(jī)結(jié)合起來，降低傳輸過程中產(chǎn)生的能量消耗。同時可以應(yīng)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，實(shí)時監(jiān)控暖通空調(diào)系統(tǒng)的供暖狀況，實(shí)現(xiàn)對供暖過程的有效管控，在提高使用效率的基礎(chǔ)上減少能源消耗。

4 實(shí)例分析

4.1 項(xiàng)目概況

某高大空間公共建筑項(xiàng)目的總建筑面積為4 230.6 m2，總高度為16.8 m，共有兩層，1 層的層高為7.5 m，2 層的梁下凈高為6.7 m。根據(jù)業(yè)主對公共建筑使用功能與裝飾圖紙的要求，應(yīng)嚴(yán)格遵循相關(guān)規(guī)范，1 層吊頂?shù)母叨燃s為5.8 m，是一個階梯式禮堂，使用分層空調(diào)系統(tǒng)，采用側(cè)噴下回的氣流組織形式。2 層的層高為4.3 m，是一個宴會廳，頂部設(shè)置旋流風(fēng)口，采用上送上回的氣流組織形式。該項(xiàng)目已經(jīng)過一個空調(diào)季和一個采暖季，業(yè)主反饋暖通空調(diào)系統(tǒng)的效果良好。

4.2 暖通空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該項(xiàng)目暖通空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要點(diǎn)包括以下4 點(diǎn)。一是按層分別設(shè)計(jì)兩套全空氣系統(tǒng)，設(shè)置常規(guī)功能段，同時增加消聲段，空調(diào)總冷負(fù)荷為861.2 kW，冷指標(biāo)為235 W/m3。二是以首層為例，夏季一次回風(fēng)空調(diào)的參數(shù)計(jì)算結(jié)果如下：混風(fēng)點(diǎn)工況下的大氣壓力為77 290 Pa，干球溫度為18.9 ℃，濕球溫度為11.6 ℃，相對濕度為46.5%，含濕量為8.6 g/kg，露點(diǎn)溫度為7.1 ℃；送風(fēng)點(diǎn)工況下的大氣壓力為77 290 Pa，干球溫度為7.1 ℃，濕球溫度為6.2 ℃，相對濕度為90.0%，含濕量為7.4 g/kg，露點(diǎn)溫度為5.5 ℃。三是暖通空調(diào)系統(tǒng)的新風(fēng)系統(tǒng)，最小新風(fēng)比為10%。在過渡季的時候，可滿足全新風(fēng)工況運(yùn)行的條件，同時新風(fēng)管道、新風(fēng)百葉能夠滿足空調(diào)機(jī)組新風(fēng)比100 %條件下的運(yùn)行要求。四是空調(diào)自動控制系統(tǒng)。

本項(xiàng)目中，室內(nèi)空氣處理機(jī)組控制系統(tǒng)的作用原理如下：針對室內(nèi)工況參數(shù)，由暖通空調(diào)系統(tǒng)自帶的溫度傳感器及室內(nèi)安裝的溫度傳感器進(jìn)行共同采集，并將相關(guān)數(shù)據(jù)信息傳輸給空調(diào)自動控制系統(tǒng)；以回風(fēng)的溫度反饋值為根據(jù)，空調(diào)自動控制系統(tǒng)便可開展比例運(yùn)算，在兩臺以上壓縮機(jī)并聯(lián)的前提下，可采取對壓縮機(jī)進(jìn)行卸載的方式，來對冷量進(jìn)行調(diào)節(jié)控制；在過渡季的時候，可以做到全新風(fēng)工況運(yùn)行，只需將新風(fēng)管上配備的電動調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)到最大開度即可。

5 結(jié)語

高大空間公共建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，應(yīng)充分考慮建筑特點(diǎn)，對分層空調(diào)系統(tǒng)、全空氣空調(diào)系統(tǒng)以及下送風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)等進(jìn)行合理選擇，并把握好冷熱源選擇、機(jī)組并行設(shè)計(jì)、新風(fēng)熱回收系統(tǒng)設(shè)計(jì)、輔助供暖設(shè)計(jì)、輔助空間暖通空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、噪聲控制與節(jié)能設(shè)計(jì)等要點(diǎn)，確保暖通空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)質(zhì)量。