浅析高大空间建筑空调系统设计

郑毅然

中国建筑科学研究院建筑设计院

浅析高大空间建筑空调系统设计

郑毅然

中国建筑科学研究院建筑设计院

本文介绍了高大空间建筑的空调系统设计。结合中国国家博物馆西入口大厅和学术报告厅两个空间，详细介绍了不同类型高大空间的空调系统送风形式，并阐述了设计过程中遇到的难点及体会。

高大空间 分层空调 座椅送风 置换通风

0 引言

近年来，随着人类生存及发展需求，公共民用建筑的规模日趋庞大，高大空间在民用建筑内出现得越来越多。为了能够充分地发挥这类建筑的功能，为这些空间创造更好的室内环境，合理设置暖通空调系统，对改善大空间建筑内部环境起着至关重要的作用。

1 大空间建筑特征对空调系统的影响

大空间建筑特征对空调系统具有以下影响[1]：

1）大空间建筑高度高，这是形成温度梯度的主要原因；

2）大空间建筑外墙面积与地板面积之比大，这造成了外界界面对室内空间的自然对流影响很大，冬季易在四周造成下降气流；

3）大空间建筑的功能多样，使用对象差异大，要求空调系统能够满足多种环境，且控制灵活。

2 工程实例分析

中国国家博物馆位于天安门广场东侧，与人民大会堂遥相呼应。2003年2月在原中国历史博物馆和中国革命博物馆两馆合并的基础上组建成立，是集收藏、展览、研究、考古、公共教育、文化交流于一体的综合性国家博物馆。新国博总建筑面积19.1900万m2，其中保留建筑面积35452m2，新馆建筑面积156448m2（地上79679m2，地下76769m2），建筑轮廓尺寸：长330m，宽204m；共5层。

2.1 西入口大厅空调系统设计

西入口大厅（图1）建筑面积8840m2，长260m，宽34m，中间部分宽60m，中间四个核心筒之间形成49m×60m区域。西入口大厅地面至钢桁架金属板底高26.9m。

图1 西入口大厅空间实景

博物馆西入口长达260m的艺术长廊作为建筑体的中央交通连接贯通南北，长廊中部扩展为主入口大厅。这个面积达8840m2，空间高度超过26m的巨大中轴长廊连接了整座博物馆近2万m2的公共空间。

如此高大空间室内气流存在明显分层现象，且垂直方向温度梯度很大。对于这样的空间，如果要进行全室空调，其空调的耗能非常巨大。其实，在这种高大空间中，需要空调的部位一般仅为下部距离地面2～3m高的工作区域，应采用分层空调方式，在空调区内利用合理的气流组织对其进行空气调节，达到设计需要的温湿度。空调区以上空间为非空调区，此区域内不设置空调。为避免上部热空气滞留，以热辐射形式对空间下部人员活动区热舒适性产生影响，采取可开启天窗和机械通风等措施，改善上部空间的通风条件，缓解上部热空气层滞留问题。通过CFD对大厅进行了温度场、气流速度场的模拟得知，竖向温度梯度达到12℃[2]。为节省大厅的空调运行能耗，设计采用分层空调和地板盘管辐射空调结合的方式。

西入口大厅所有空调措施和送回风的气流组织都设置在距地面6m高的范围内，利用合理的气流组织保证距离地面2～3m高的工作区域达到设计需要的温湿度。主要空调措施如下：

1）入口大厅中部四个核心筒之间形成49m×60m区域：在地下-1.75m标高处空调机房内设置4台空调机组，利用观光电梯井道两侧核心筒侧壁内竖向排列的鼓形风口，负担此区域空调送风，在观光电梯后部地面设置格栅回风口。低位送风，地面回风的气流组织确保人员活动区域空调效果。

2）入口大厅与中央大厅间88m×12m区域：在+29.0m标高处设置空调机房，机组送风管利用结构柱间竖井向下，至中央大厅西侧大铜门两边门洞上方鼓形风口，向室内送风。回风利用大铜门周围条缝回风口。

3）入口大厅两侧各80m×20m长廊：在西入口大厅南北长廊东墙上约6m高处，均匀设置鼓形风口。并通过电梯厅吊顶回风口集中回风。长廊西侧为26m高幕墙，沿西大楼梯两侧幕墙设置地面送风口，在西大楼梯平台下设置集中回风口。夏季当27m高的顶部区域空气温度高于室温通风温度时，可以利用屋顶的自动窗实现自然通风或利用与消防合用的风机实现机械通风，从而在不增加空调系统冷负荷的条件下，消除顶部余热。

4）采用地板辐射供暖供冷：为满足室内典雅庄重的设计风格，室内可以设置风口的位置非常有限，因此设计中考虑冷/热辐射地板承担主要冬季热负荷和一定的夏季冷负荷。地板盘管系统覆盖了西大厅中部、西大厅北部、西大厅南部、西大厅北侧通廊、西大厅南侧通廊及主题大厅前厅总计约6700m2的面积（图2）。

图2 西入口大厅地板辐射供暖/供冷区域

从以上分析可以看出，冬季地暖可满足主要供热负荷，空调机组提供室内新风和辅助供热；夏季，冷辐射地板与空调系统结合供冷，可以使人员活动区域的温度分布更均匀，室温波动小，减小吹风感和噪声，比常规空调系统更优越。

2.2 学术报告厅（兼剧场）空调系统设计

国家博物馆作为世界上建筑面积最大的博物馆，除了设有48个能举办各种类型展览的展厅外，还设有300余个座位的数码影院，近800个座位的学术报告厅（兼剧场）及600m2的演播室。国家博物馆学术报告厅（兼剧场）与一般的剧院及娱乐场所不同，更多的关注宣教功能，用这一多元性的展示平台，开展学术交流，更好地达成传播人类古老文明、传承民族文化、普及科学知识的目的。

学术报告厅（兼剧场）建筑高度为10.5m，观众区跨度28m，进深21m，舞台进深14m，宽30m。

良好的气流组织对观演类建筑空调效果的优劣起着决定性作用。观众厅面积大、顶棚高、人员集中，而舞台则有复杂的布景、幕布、灯具及吊杠、天桥等，给空调送回风气流设计、送回风口布置等提出许多特殊要求。学术报告厅的主要空调措施如下：

1）观众厅区域

观众厅设有743个座位，属于人员密集区，人体湿负荷较大，且空间高10.5m，地面前低后高，在垂直方向上存在着较大的温度分层现象。为使人体活动区得到较高的空气品质及热舒适度，观众厅空调采用了座椅下送风，顶部回风及排风的气流组织形式。

在学术报告厅东西两侧-6.0m标高处的空调机房内设置2台空调机组，负担观众厅池座及楼座空调送风。经过处理的空气通过管道，以4m/s左右的风速，一部分均匀送入池座座椅下部空间形成的建筑静压箱，再经过座椅下部的送风柱送入室内；另一部分通过风管，接至楼座各座椅下部送风柱，继而送入室内。送入室内的空气在吸收了人体散发的热、湿后才被吸入设置于顶部的回风及排风口。这种座椅下送风，顶部回风及排风的置换通风方式对于提高观众区空气品质起着重要作用[3]。

2）舞台区域

舞台区域分为主台和侧台。鉴于舞台空间高，设备及灯具复杂，发热量大且不稳定的特点[4]，舞台部分采用分层空调设计。在学术报告厅两侧-6.0m标高处的空调机房内设置2台专供舞台使用的空调机组，负担舞台区域的空调送风。舞台东西两侧天桥下距离舞台地面3.25m高处设置侧送及下送风口，侧送风口采用鼓形喷口，下送风口采用双层百叶风口。当舞台演出有幕布时，为了避免送风吹动幕布，关闭侧送风管道上的电动风阀，由下送风口送风；当舞台用于会议无幕布时，打开电动风阀，由侧送及下送风口联合送风[5]。

由于舞台灯光及设备繁多，为了消除顶部的负荷，在舞台葡萄架上方设置机械通风，负担消除舞台上部的对流热。

从以上分析可以看出，观众区座椅送风能够将新鲜空气直接送至人体的呼吸区，大大提高了工作区的空气品质；而舞台区的分层空调，在空调区内利用合理的气流组织对其进行空气调节，非空调区域采用机械通风以消除余热，节省了空调运行能耗，两部分空调系统相结合，为学术报告厅（兼剧场）提供了舒适的室内环境。

3 结语

我国大空间建筑越来越多，建筑趋向大空间，给暖通空调设计带来了巨大的挑战。通过对以上两个不同类型的大空间空调系统形式的比较可以看出，选择大空间建筑空调系统时，需要充分了解其空间特点及使用要求等因素，把握其特殊性及难点，合理确定空调系统形式，为人们提供更为舒适的公共建筑空间。

[1]范存养.大空间建筑空调设计及工程实录[M].北京:中国建筑工业出版社，2001.

[2]盛晓康,董静.中国国家博物馆暖通空调系统设计[J].暖通空调, 2011,(10):1-5

[3]陆耀庆.实用供热空调设计手册(2版)[M].北京:中国建筑工业出版社,2008

[4]李惠风,白雪莲,李昕原.观演建筑空调设计[M].北京:中国建筑工业出版社,2008

[5]剧场建筑设计规范(JGJ57-2000)[S].北京:中国建筑工业出版社,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

郑毅然（1978～），女，本科，工程师；北京市北三环东路30号新主楼13层南侧（100013）；010-64694340；E-mail:z-yr@163.com