高大空间公共建筑暖通空调系统设计要点分析

彭晓娟 山东省环境保护科学研究设计院有限公司，山东省环科院环境工程有限公司

暖通空调系统是现代建筑中不可或缺的部分，其发挥着通风、采暖、制冷以及防排烟等重要作用。高大空间公共建筑设计中，必须对暖通空调系统进行科学设计，从而确保公共建筑的使用功能[1]。

1 高大空间公共建筑的特点

1.1 室内高度较高

相较于普通公共建筑，高大空间建筑的室内高度相对较高，是主要特点之一。同时因空间相对较大，室内空间会产生一定的温度差异。此外，地面与外墙的面积比值较大，内部气流组织在一定程度上会受到室外环境的影响。

1.2 空调效果较差

由于冷热空气的密度不同，热空气通常漂浮在空间内的上半部分，导致冬季处于下部空间中的人们难以感受到热风，进而造成热量浪费，增加了资源消耗，且空间使用舒适度较差[2]。应对送风口、气流组织进行合理选择，确保两者与建筑造型、风格相契合，提高空调使用效果。

1.3 功能多种多样

高大空间公共建筑的功能繁多，不同功能区对暖通空调系统的要求也有一定的差异，因此暖通空调系统的负荷特性也有一定的差异。例如，电影院通常不会设置外窗，其夏季围护结构不需要承受冷负荷，观影者聚集在播放厅中，新风需求较大，新风比例一般在0.35 ～0.40。

1.4 人员相对密集

高大空间公共建筑的空间较大，因此通常会间歇运行。运行期间，部分空间往往会聚集大量人员，如会议室和电影院等，且人员聚集的时间比较集中。空间功能运行时，人员的聚集会导致空间压力大幅度增加，新风需求量也会上升，因此对暖通空调系统的使用功能、安全性能有着较高的要求。高大空间公共建筑中，现有的暖通空调系统存在着冷热负荷分布不均的现象，使得低谷负荷与高峰负荷之间的差异过大[3]。

2 高大空间公共建筑暖通空调系统主要类型

2.1 分层空调系统

高大空间公共建筑中，可以采用分层空调系统，其仅作用于下部空间，气流组织比较合理。分层空调系统的中间部位安装了高速喷口，可以通过喷射形成射流层，回风口位于送风口的侧下方，与其他暖通空调系统相比，耗能量相对较少，可降低20%～40%，具有良好的节能效果。

此外，分层空调系统的气流组织相对合理，采用的是侧送下回的形式，在周边侧墙设置送风喷口，初始射流速度为6 ～12 m/s，送风温差为8 ～12 ℃，喷射角度比较固定，到达固定射程后，射流折回、下落，然后以缓慢的回流速度经过人员工作区，工作区的流速通常为0.2 ～0.5 m/s。送风喷口的高度最低为4 m，以确保送风的通畅性[4]。

在对分层空调系统进行设计的时候，应充分考虑以下4 方面的问题。

一是如果送风喷口的安装高度较高，则诱导卷吸气流就不能经过工作区。面对这样的情况，应将送风喷口、回风口安装在同一侧，确保回流区、工作区达到重叠，从而使暖通空调系统在工作区也能充分发挥其作用。二是高大空间公共建筑的跨度通常较大，在对分层空调系统进行设计时，可选择双侧送风、回风的方式，或者是单侧送风、回风的方式。三是对冷负荷进行计算的时候，应充分考虑空调区域、分空调区域的热辐射、对流，两者均可带来一定的冷负荷，应分层计算。通常情况下，空调区域大小与分阶层高度呈负相关的关系。在对热负荷进行计算的时候，应以全空间为准。四是选择侧送风形式的情况下，空调送风具有温差大、射程远的特征，从而导致季节性空气下降或者上升。面对这样的情况，可对喷口进行调节，转换送风角度与工况，并结合阀门实现季节性的调节[5]。

2.2 全空气空调系统

一些高大空间公共建筑，如体育馆等，可使用全空气空调系统。全空气空调系统可分为上送侧回、上送下回等不同的形式。这类高大空间公共建筑通常具有新风需求量较大、热湿负荷大、间歇性使用以及人员密集等特征，为满足通风需求，应设置较大的风道。可将送风系统的送风口安装在顶棚上，并将回风口设置在周边侧墙附近或者座椅周围，通过送风口与回风口实现上下循环送风，同时还可在空间顶部安装集中排风的机械系统。

对全空气空调系统进行设计的时候，应确保系统到地面的距离在2 m 内，风速为0.2 ～0.5 m/s，送风口的风速要控制在10 m/s。上送风系统主要由螺旋风口和喷口等部分组成，螺旋风口具有控制简便、风量大、噪声小以及可调节等特征，因此在高大空间公共建筑中得到了广泛应用。全空气空调系统可有效提高送气的均匀性，从而实现区域内空气质量的改善。但是，全空气空调系统也有一定的缺点，主要缺点是能耗较高，而且如果将上部热气带入人员区域，则会使空气质量出现较大的差异[6]。

2.3 下送风空调系统

大多数高大空间公共建筑对噪声有着严格的要求，特别是在人员比较密集的场所，如电影院等。针对这种场所，可设置下送上回低风速全空气空调系统。在观众座椅下方设置送风口，顶棚设置回风口，并在送风柱上设置小送风口，同时确保小送风口的均匀分布。

3 高大空间公共建筑暖通空调系统设计要点

3.1 冷热源选择

考虑到高大空间公共建筑高度较高、空间较大的特征，通常会单独设置冷源和热源。高大空间公共建筑内部区域供冷和供热站具有良好性能的情况下，可将供冷和供热站当作冷源与热源，以达到节能的效果。结合实际区域情况，对冷源、热源进行合理选择，一般情况下，可选择锅炉房、集中式换热站、电动压缩式制冷机组等。同时，可充分考虑高大空间公共建筑的冷热通风条件，对辅助冷源、热源进行合理选择。

随着社会经济的迅速发展，近年来，一些经济条件较好的区域应用了诸多节能环保型的新设备、新技术，改善了建筑物的使用功能，提高了建筑物使用的舒适度。空气源热泵系统便是一种新技术，其主要利用高位能，使热量从低位热源流向高位热源。水、土壤以及空气中的热量被称作低位热能，煤、油、燃气以及电能等为高位热能。低位热能无法被直接利用，而空气源热泵系统可将低位热能转化为高位热能，从而实现节约高位热能的目标。

空气源热泵系统有着诸多优势，因此在建筑领域得到了广泛应用，其优势主要体现在以下5 方面。一是其低位热源为空气，可无偿获取且取之不尽用之不竭。二是热泵安装、使用简单方便。三是冷热源合一，无需设置专门的锅炉房与冷冻机房，机组可放置在地面或者屋顶，无需占用有效使用面积。四是无需设置冷却水系统，可避免因冷却水消耗、预防冷却水污染而导致的军团菌感染，更加安全卫生。五是不需要设置锅炉，对环境无污染。在对暖通空调系统进行设计的过程中，应充分考虑高大空间公共建筑的特征、功能及当地的环境条件等因素，遵循因地制宜的原则，加大对现代化技术的应用，从而提高暖通空调系统的设计质量，为人们提供更加优质的公共建筑。

3.2 新风热回收系统设计

高大空间公共建筑人员密度较大的情况下，可以设置新风热回收系统。在新风热回收系统运行中，室外新风在通过热交换机组后实现室外排风，达到热交换的作用，然后利用空调机组将其送至使用区域。新风热回收系统实现了对剩余热量的回收利用，可达到节能的效果。同时，关闭热交换机组，开启排风，可使室外新风直接进入，达到提高通风效果的目的。新风热回收系统设计中还要采取防冻措施，特别是在寒冷地区，必须做好冬季防冻工作。在排风温度低于5 ℃的情况下，应进行加热处理，确保温度维持在5 ℃以上，避免新风热回收系统出现冻结等现象。

3.3 辅助采暖设计

部分间歇使用的高大空间公共建筑每年都要闲置较长一段时间，使得暖通空调系统的使用效率大幅度降低。我国北方寒冷地区对冬季供暖质量的要求相对较高，因此应将散热器供暖、空调制热两种方式结合起来，以实现供暖有效性的提高。在辅助供暖设计中，不可将辅助系统、供暖系统设置在同一区域。高大空间公共建筑闲置的情况下，仅需开启一个供暖装置，如可采用散热器值班供暖，确保室内温度不低于5 ℃即可。使用时，应同时开启辅助供暖系统、制热系统，从而确保室内温度达标。

3.4 辅助空间暖通空调系统设计

高大空间公共建筑中，通常设有多种不同类型的辅助空间，如VIP 室、会议室以及休息室等。这些辅助空间在使用时间、使用功能与环境要求等方面均与高大空间公共建筑的主体部分有着明显的差异，同时不同类型辅助空间的要求也有一定的不同。因此，应单独对这些辅助空间的暖通空调系统进行设计，可以采用多联机、恒温恒湿系统、新风系统、风机盘管等，并注意将这些辅助空间的暖通空调系统与高大空间公共建筑主体部分的暖通空调系统区分开来，根据辅助空间使用时间、使用功能的不同进行分别控制，从而在发挥暖通空调系统作用的同时达到节能的效果。

3.5 噪声控制

高大空间的公共建筑中，一些功能区域在噪声方面有着严格的要求，如大型报告厅、礼堂等。因此，暖通空调系统设计中应对噪声问题进行重点考虑，采取有效的措施，降低暖通空调系统运行过程中的噪声。例如，为降低送风系统的噪声，在安装排风设备的时候，可以在遵循相关规范标准要求、满足建筑实际使用需求的基础上选择噪声较小的排风设备，或配备消音器、消音弯头，有条件的情况下，可在设备排风口处进行消音处理，以达到降低噪声的效果。此外，合理控制设备的运转风速也可以达到降低噪声的效果。通过对暖通空调系统进行合理设计，可以降低暖通空调系统的噪声，控制建筑噪声污染，使高大空间公共建筑更加符合环保要求。

3.6 节能设计

当前我国对各种资源的需求不断增加，但是资源尤其是矿石能源的储量有限，导致能源短缺、资源供需矛盾问题不断加剧。在此背景下，建筑行业越来越注重节能，高大空间公共建筑暖通空调系统设计中，也要高度重视节能设计，可从以下两方面入手。一是应用能源回收装置。暖通空调系统运行过程中会产生大量余热，可以采取先进的技术与设备来回收这些热量，以减少能耗。例如，可以通过安装余热回收装置，有效回收载热流体，完成热传递，实现对余热的有效利用。又如，可以采用热回收技术，并对新风处理系统进行改进，以实现制冷、除湿效果的改善，避免由于过度制冷、除湿导致能耗上升。二是控制热传媒传输能耗。暖通空调系统设计中，应确保热传递方案的科学性与合理性，并与高效的热传输机制有机结合起来，降低传输过程中产生的能量消耗。同时可以应用计算机系统，实时监控暖通空调系统的供暖状况，实现对供暖过程的有效管控，在提高使用效率的基础上减少能源消耗。

4 实例分析

4.1 项目概况

某高大空间公共建筑项目的总建筑面积为4 230.6 m2，总高度为16.8 m，共有两层，1 层的层高为7.5 m，2 层的梁下净高为6.7 m。根据业主对公共建筑使用功能与装饰图纸的要求，应严格遵循相关规范，1 层吊顶的高度约为5.8 m，是一个阶梯式礼堂，使用分层空调系统，采用侧喷下回的气流组织形式。2 层的层高为4.3 m，是一个宴会厅，顶部设置旋流风口，采用上送上回的气流组织形式。该项目已经过一个空调季和一个采暖季，业主反馈暖通空调系统的效果良好。

4.2 暖通空调系统设计

该项目暖通空调系统设计的要点包括以下4 点。一是按层分别设计两套全空气系统，设置常规功能段，同时增加消声段，空调总冷负荷为861.2 kW，冷指标为235 W/m3。二是以首层为例，夏季一次回风空调的参数计算结果如下：混风点工况下的大气压力为77 290 Pa，干球温度为18.9 ℃，湿球温度为11.6 ℃，相对湿度为46.5%，含湿量为8.6 g/kg，露点温度为7.1 ℃；送风点工况下的大气压力为77 290 Pa，干球温度为7.1 ℃，湿球温度为6.2 ℃，相对湿度为90.0%，含湿量为7.4 g/kg，露点温度为5.5 ℃。三是暖通空调系统的新风系统，最小新风比为10%。在过渡季的时候，可满足全新风工况运行的条件，同时新风管道、新风百叶能够满足空调机组新风比100 %条件下的运行要求。四是空调自动控制系统。

本项目中，室内空气处理机组控制系统的作用原理如下：针对室内工况参数，由暖通空调系统自带的温度传感器及室内安装的温度传感器进行共同采集，并将相关数据信息传输给空调自动控制系统；以回风的温度反馈值为根据，空调自动控制系统便可开展比例运算，在两台以上压缩机并联的前提下，可采取对压缩机进行卸载的方式，来对冷量进行调节控制；在过渡季的时候，可以做到全新风工况运行，只需将新风管上配备的电动调节阀调节到最大开度即可。

5 结语

高大空间公共建筑暖通空调系统设计中，应充分考虑建筑特点，对分层空调系统、全空气空调系统以及下送风空调系统等进行合理选择，并把握好冷热源选择、机组并行设计、新风热回收系统设计、辅助供暖设计、辅助空间暖通空调系统设计、噪声控制与节能设计等要点，确保暖通空调系统的设计质量。