大空间建筑空调负荷的特性分析

２００６年第１期　制冷与空调　５３　大空间建筑空调负荷的特性分析　杨中。彭梦珑（中南大学【摘丁力行　４１００７５）　要】　介绍了大空间建筑空调的负荷特性和大空间空调方式及气流组织的特点　【关键词】　大空间建筑；负荷；气流组织　Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ　Ａｎａｌｙｓｅ　ｏｆ　Ａｉｒ－ｃｏｎｄｉｉｏｎ’ｓ　ｔＬｏａｄ　ｉｎ　Ｌａｒｇｅ　Ｓｐａｃｅ　Ｂｕｉｌｄｉｎｇ　Ｙａｎｇ　Ｚｈｏｎｇ　Ｐｅｎｇ　Ｍｅｎｇｌｏｎｇ　Ｗａｎｇ　ｌｉｘｉｎｇ　（Ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ａｉｒ－ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ　ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆｃｅｎｔｒａｌ　ｓｏｕｔｈ　ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　４１００７５）　［Ａｂｓｔｒａｃｔ］Ｉｎｔｒｏｄｕｃｅ　ａｉｒ－ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ’ｓ　ｌｏａｄ　ｃｈａｒａｃｔｅｒ，ａｉｒ－ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ’ｓ　ｍｏｄｅ　ａｎｄ　ｓｐｅｃｉａｌｔｙ　ｏｆａｉｒ　ｌｆｏｗ　ｆｏｒｍ　ｉｎ　ｌａｒｇｅ　ｓｐａｃｅ　ｂｕｉｌｄｉｎｇ　［Ｋｅｙｗｏｒｄｓ］ｌａｒｇｅ　ｓｐａｃｅ　ｂｕｉｌｄｉｎｇ；ｌｏａｄ；ａｉｒ　ｌｆｏｗ　ｆｏｒｍ　１、大空间建筑的发展和特征　１．１大空间建筑的发展　在２Ｏ年前对空间高度大于５ｍ、体积大于１万　ｍ　的建筑称为大空间建筑。在公共民用建筑方面　主要是指影剧院、音乐厅、大会堂、体育馆、展览　馆等建筑。此外，工业建筑不乏这类大型的车间。　８Ｏ年代以来，由于建筑技术的进步（结构、环　境设计等），人们休闲时间的增加，对文化生活的　需求有了增长。故公共民用建筑的规模趋于庞大。　现今大空间建筑，除古典音乐厅、大剧院、会　堂等只具备有限的功能外，都有多功能要求，不仅　对空调带来多种环境要求，而且由于这些装备的存　在也影响空调系统的设置。此外对空调系统的控制　要求有相当的灵活性。这就使得应对空调系统负荷　的分配以及冷热源的配置都作相应的考虑。　２、大空间的热负荷特性　２．１剧场观众厅　从建筑形式来说，不拘一格，造型多样化。从功能　来说要求灵活，如膜造结构，作为半永久性建筑，　常作为展示场馆用，展览结束，可以拆除。此外，　甚至要求“一种空间，两种效果”，即可开启式大　空间建筑。　剧场观众厅部分与舞台部分是有很大区别的。　观众席部分的热负荷特征是；人员密度约达１．８人／　ｍ　时（办公室为０．１－０．２人／ｍ　），人员发热负荷大，　故人体负荷的取值和计算应力求正确，观众厅的热　湿比值（或用显热比表示）近似为人体在该条件下自　身的发热发湿比。此外由于人多，新风负荷也随之　而增加。外墙面积虽大，但一般无窗，故夏季围护　结构冷负荷并不大。观众厅新风量占总风量的３０％　左右。故应尽可能采用全热交换器及以新风控制以　节约能耗。有些场合（如下送风），空气处理有再热　要求，则应在冷负荷中予以考虑。舞台负荷的照明　容量很大，而顶棚甚高，不需处理这些滞留在顶部　的负荷，仅在上部设排风即可。　剧场是一个封闭的具有一定蓄热性能的建筑　物，运转是间歇性的，因而往往有较大的预热（或　预冷）负荷，把这种间歇负荷通过动态负荷解析，　可获得预热负荷以确定装置容量或运转方法（如提　１．２大空间建筑的特征　１．２．１空间尺度的特征　（１）大空间的特征之一是高度高。这是形成　温度梯度的主要原因。　（２）大空间的外墙面积与地板面积之比较大，　这就形成了外界界面对室内空间的自然对流影响　较大，冬季易在四周造成下降冷气流。　１．２．２居留区的特征　由于大空间建筑高度大，室内体积亦远较正常　建筑为大，人均体积大，从卫生角度看是好的，可　采用较小的换气次数。　１．２．３使用特征　’杨中，男，１９７９年８月出生，在读硕士研究生　维普资讯 http://www.cqvip.com

５４　制冷与空调　２００６年第１期　前关闭新风作空场循环等）。此外这类建筑又存在　部分负荷的问题。　２．２体育比赛场馆或多功能大厅　与各种多用途的大空间建筑相比，体育场馆的　大空间特性尤为突出。必须建立一个适合于四周人　员密集的观众席和人数少的比赛场地这二者既有　区分而又共存的空气环境，为抑制供暖时上下温度　分布不均及壁面下降气流，可考虑采用外墙保温和　双层窗的措施。又因临近地面处的温度急剧下降和　壁面的下降冷气流，可用踢脚板对流器辐射供暖。　空调负荷取决于内部发热与新风负荷（人均新风量　取２０　ｍ３／ｈ为宜，可比剧场稍高、，供冷工况内部发　热负荷约占７０％，新风负荷占２０％。供暖时新风负　荷可能达７Ｏ。观众席人员密度为１．５￣２人／ｍ　，照　明发热在赛场为６０－－８０　Ｗ／ｒｎ　，包括观众席在内的　比赛馆整体可按４Ｏ．６０　Ｗ／ｍ２计。围护结构负荷一　般以屋顶负荷为主，屋顶传热系数应限定在　１．１６３Ｗ／（ｍ２．￣ｃ）以下。制冷工况设计计算时，除薄　膜构造外，通常对于屋顶保温良好、高度在１５　ｍ　以内者可以不考虑上下温度分布不均匀问题。对于　存在上下较大温差的场合，可仅对下部居住域考虑　空调控制以节约能量，供暖工况时应按全部空间的　负荷来设计计算。　多功能大厅的负荷比较复杂，应该根据使用功　能作具体分析计算，确定其各种用途下的冷热负　荷，以控制其运行方式。由于这类建筑内部负荷占　很大比例，故供冷运转期比一般建筑为长。　２－３空港旅客候机大厅　大厅建筑物长度长，面积大，玻璃窗面积大，　并为防止交通工具的噪声而做成密闭型。但出入口　的门开启频率高，人员流动性大，变化多。因此通　过出入口的渗透风量大。作为空调负荷除照明和建　筑围护结构外，应根据空港班次　虑发展）而确定　人员密度（包括接送人员）。　２．４中庭（共享空间）　根据建筑平面设计可分为被周围建筑包围的　内包型和具有一面以上的垂直外窗而易受日射影　响的温室型两种。从它与周围房间的关系来分有封　闭型和开放型两种。前者仅中庭自身的环境处理，　后者与四周房间走廊相连，温热环境相互影响。不　论何种型式，温度梯度的存在是必然的。对于闭式　中庭，在送风口高度以下或作为居住域的３ｍ高度　以下的负荷为冷负荷。送风口过分提高，就要增加　冷负荷。中庭顶部玻璃窗面积大，有遮阳的必要，　屋架等结构构件能起到一部分遮阳作用。但内部遮　阳结构形成的热量在项部的滞留现象不能忽视。采　用水平“风幕”方式或利用室外空气的自然通风和　机械通风可达到很好的隔热和排热效果。不存在热　滞留空间的场合，应考虑屋顶的传热负荷。开放式　中庭可在中庭与业务空间（周围房间走廊为过渡）之　间设起空气幕作用的风机盘管，除热滞留空间部分　外，中庭全部负荷都应处理。　供暖负荷计算时，中庭全域的负荷均须处理。　热风供暖对于大门进口处因烟囱效应而有大量的　渗透负荷无法解决，故须用辐射供暖。高度２０　ｒｎ　左右的中庭可用热风供暖而５０　ｒｎ以上者必须全部　地面用辐射供暖。　３、大空间空调方式和气流组织的一般概念　３．１空调方式和气流组织对室内环境和负荷的影响　３．１．１　空调方式和温度梯度影响：采用不同空调方　式或气流组织时室内温度垂直方向的分布如图１　所示。供冷时存在的问题比供暖时为小。对于大空　间的车间或体育场馆，这个问题是选定空调方式的　重要考虑因素。　．　ｙ空溢　棚　部　供幔宵式‘　ｆｌ／，Ｉ　哪Ｘ　．％９１Ｂｉ★ｋｉ　ｎｉ　铺　ｍ　勰　嬲式　嗽　西　百ｒ一她咖　一　两＝ｒ一地喇　图１　空调方式对温度垂直分布的影响　３．１．２空调送回风方式对负荷率的影响：根据宫川　保之的研究，大空间建筑送回风的布置所构成的气　流组织对冷气负荷率具有的影响。因此在设计过程　中气流组织设计与负荷计算是相互有联系的。　３．２居留域（工作区）空调和诱导通风的应用　对于一般电影院、会场等的空调和气流组织，　由于高度有限，一般都采用全面空调方式，辅以比　较常规的气流组织方式。　基于前述，高大空间室内空气温度分层的现象　，　维普资讯 http://www.cqvip.com

２００６年第１期　制冷与空调　５５　非常严重。实践证明，可以在不同的场合采用不同　的分层空调方式来实现。只要思路合理，手法灵活，　宜将送风温差控制在较小的数值，则风量增大。如　采用诱导方式（诱导风口的诱导比可为４－５倍），从　问题不难解决。　而可使上下温度分布均匀，图３　图２是典型的居留区域空调的实例。　，ｔ的避风　缝　只建供■工况　札　ｔ．况　时远　ｊ　时　ｊｉ　图２典型的居留区域空调实例　其原则是：　（１）供冷时，冷风只送到工作区。此外利用室　图３利用诱导送风方式厂房的供暖　外空气或回风以分隔形成上部非空调空间，或用于　即这种方案的示意。由此可知，对大空间的空　满足排烟之需。　调来说，最重要的是对气流的控制。　（２）在供暖时，送风温差宜小，且应送到工作　３．３大空间送风方式的总体选择　区。有条件时与辐射供暖相结合。采取这些措施后，　日本井上宇市教授对于不同性质的公共建筑　空调负荷可减少３０％－４０％。　和人员停留情况，整体考虑的送风方式如表１所　使用吊挂式空调机组的例子。强化温度分层效　示。具体措施应对各类建筑分别处置。　应，以使工作区实现经济的降温。供热风时一般　表　’　不论规模大小均适宜；　仅小规模适用；　按实际场合使用决定；　×不适当　４、空调方式和气流组织应考虑的问题　的可调射程和方向的送风口。有的则控制阴节）送　４．１保证场内温度的均匀性　风口的个数，以提高冬季的下吹风速。对于上送下　最根本的方法用多分区方式，根据厅内温度　回的送风方式，比较理想的回风方式采用均匀布置　分布特性，采用多台ＡＨＵ或系统支路上设调温装　的地面（或台阶）回风口。日本则广泛采用蘑菇型回　置，以控制室内环境。一般观众厅在平面和垂直方　风口。　向上可分３－５区。　（２）侧送下回：从观众厅两侧（高度３ｍ左右）　４．２主要送回风方式　水平方向的喷口送风亦有应用，造价便宜。正确的　（１）上送下回：以垂直向下的顶送为主。根据控　布置和计算同样能获得很好效果，但在装修方面应　制高度的不同，可采用普通的散流器和下送喷口。　协调。　考虑冷、热射流的区别，很多工程上采用专门设计　（３）下送上回：从６０年代起欧洲不少剧院和　维普资讯 http://www.cqvip.com

制冷与空调　２００６年第１期　音乐厅采用下送风方式，用椅背送风（有诱导性能的）　总的结论归纳如表２。从温热感来说，一般认为人　和座椅柱脚送风等方式。这些国家大多是对供暖的　需求多于供冷。有不少文献介绍了他们的试验结果。　从脚到头部（坐着）的温度差以小于３１２为宜。　４．３用辐射供暖提高舒适性　表２　观众厅前座冬季偏冷，可利用电热为热源的辐　射地板。６Ｏ年代以来在日本应用十分广泛。但地　板供暖应解决热惰性大的问题。　性的措施。　参考文献　【１】陈滨．日本大空间空调现状．暖通空调，１９９４，Ｎｏ．３．　【２】殷平．商业建筑空调设计方法．暖通空调，１９９４，（３）　【３】范存养．国外大空间建筑的空调设计．暖通空调，１９９６，　Ｎｏ．４．　４．４实现全年新风可变，采用双风机系统　为了既能维持固定的室内正压，又能使全年新　风按需调节（如过渡季节用全新风供冷），应设计双　风机空调系统。这在大型公共民用建筑中已成规范　（上接第５２页）　要考虑选择具有优良品质的压缩机和电机的离心　我们从上表可以看出，如果选用机组Ａ，３０年　节省的运行费用已超过购买一台新机组的价格。另　外，同样的机组Ａ，选用两台机组比三台更经济。　但为了调节负荷灵活性和备用性的要求，设计者选　用了三台离心机组，以使各台机组都能在高负荷区　高效运行。　式冷水机组，在有条件的情况下，要考虑选择带有　防止喘振的能量调节构件和节能装置。当然，随着　科学的进步，冷源的制造越来越多应用了新技术，　相信离心机会变得更节能、更高效、更可靠。　参考文献　［１］陈沛霖，岳孝方主编．空调与制冷技术手册［Ｍ］．上海：　同济大学出版社，１９９９　［２］夏国欣，陈汝东．空调制冷机组的选择与分析［Ｊ］．制冷　技术，２００３（１）：２１－２４　４、结论　在选择离心式冷水机组时要综合考虑多种因　素，包括机构特点、技术特性、可靠性和运行费用　等。在离心式冷水机组的四大构件（压缩机、冷凝　器、蒸发器和节流器）中，首要选择的是压缩机和　电机，它是机组的核心，其性能和寿命决定了机组　的可靠性和效率。因此，在项目造价一定的情况下，　［３］范际礼，卢士勋等编著．制冷与空调实用技术手册［Ｍ］．　沈阳：辽宁科学技术出版社，１９９５　［４］张成宝．离心式压缩机的喘振分析与控制［Ｊ］．压缩机技　术，２００２（６）：４－８