淺談高大空間建筑空調系統設計要點及節能措施

申翠娟

西部建筑抗震勘察設計研究院

引言

    近年來隨著建筑行業的發展，各種高大空間公共建筑應運而生，如體育館、影劇院、會展中心、航站樓、候車廳等。高大空間建筑不僅要求自身體形美觀大方，各種設施齊全，同時還具有單層面積較大、層高較高、功能多樣化、人員密集等特點。此類建筑一般大量采用玻璃幕墻、空調冷負荷較大，垂直方向室內溫度呈梯度變化，空調系統設計時需選擇合理的室內設計參數、冷熱源方案和氣流組織形式，在滿足室內舒適度的同時節約能耗。本文以某高校綜合體育訓練中心為例，分析高大空間建筑空調系統設計要點、節能措施以及分層空調系統的特點及應用。

一、工程概況

    本綜合體育訓練中心位于陜西省西安市，建筑面積28800㎡，建筑高度23m，游泳館為單層，其余場館地上三層，局部五層，地下一層為設備用房和汽車庫，地上設有籃球、羽毛球、網球、排球、乒乓球等球類場館以及跆拳道館、武術館、健身房、棋牌室、臺球室、空調機房等，集體育訓練、競賽、校園文化活動、體育休閑娛樂等多功能于一體。

二、室內外計算參數

    西安市地處寒冷B區，夏季空調室外干球計算溫度35℃，室外濕球溫度25.8℃，最熱月平均相對濕度58%；冬季空調室外干球計算溫度-5.7℃，最冷月平均相對濕度66%。

訓練館兼平時訓練和正規比賽兩種用途，場館周邊均設有單排座位，室內計算參數的確定參考《體育建筑設計規范》JGJ31-2003的建議值，人員數量和新風量的取值綜合考慮平時和比賽時的使用要求，并適當兼顧多功能使用的要求。

三、冷熱源選擇

    經計算空調系統冷負荷為：3284KW，熱負荷為：3014KW，冷源采用兩臺水冷螺桿式冷水機組，制冷量為1640KW/臺，機組設在地下室制冷機房內，空調冷凍水供回水溫度為7/12℃，冷卻塔設置于游泳館屋面。冬季熱源由校區熱力管網提供，機房內設置一套板式換熱機組，換熱后提供60/50℃的熱水。

四、空調水系統

    空調水系統采用主機側定流量，負荷側變流量的一次泵雙管制系統，通過冷（熱）水供、回水管間的電動旁通調節閥控制系統供回水總管的壓差恒定。冷熱水泵各設置三臺，其中一臺備用。冷凍水系統采用冷量控制冷水機組及其對應的水泵、冷卻塔的運行臺數；冷卻塔風機的運行臺數由冷卻水回水溫度控制。熱水系統采用熱量和氣候補償器控制換熱機組一次水流量及熱水循環泵的運行臺數。補水定壓采用落地式膨脹罐，配備兩臺補水泵，平時運行一臺，初期及事故補水時兩臺泵同時運行。

五、空調風系統

1、網球排球館空調系統

    網球排球館空間高大，建筑面積2920㎡，長73米，寬40米，層高15.5米，屋頂為網架結構，分為網球區和排球區，場地周邊設置單排休息座位。空調系統采用全空氣定風量一次回風系統，空調機房設置于網球館西側相鄰區域的頂層，采用3臺新風自適應節能型組合式空調機組一次回風運行，內設雙風機，單臺風量40000m³/h；新風自適應型空調機組根據室內空氣CO2濃度監測結果以及室內外空氣的比焓，自動調節新風比或轉為全新風運行，機組的排風量與之適應。

    當建筑空間高度≥10m且體積＞10000m³，且空調區高區與房間總高度之比≤1/2時，宜采用分層空調系統，分層空調是一種僅對室內下部人員活動區進行空調，而不對上部空間進行空調的特殊空調方式，與全室性空調方式相比，分層空調夏季可節省冷量30％左右，因此能節省運行能耗和初投資。該網球館高度、體積均滿足分層空調設置條件，且屋面設有天窗冷負荷較大，故采用分層空調方式。

    網球館分層空調系統下部空調區氣流組織采用側送、同側底部回風，空調送、回風管通過豎井引至房間中部，水平送風管沿球館周邊敷設形成圍合狀，送風口采用電動球形噴口，雙側送風。根據室內網球場凈空高度規定：端線6.4米以外的上空凈高不小于6.4米，室內屋頂在球網上空的凈高不低于11.5米，因此回風干管按底距地6.4米設置，噴口距地8米，相鄰噴口間距3米，送風速度5.5m/s，夏季水平送風，多股平行射流互相搭接，送風射程18m。回風干管設于送風管同側下方，沿側墻及柱邊設置多個回風立管均勻回風，回風口設于房間下部，使人員活動區處于射流回流區。采用均勻回風室內的溫度場、速度場較均勻，空調區域溫差小，分層效果較好。

    網球館上部非空調區采用高窗自然進風，屋面天窗自然排風方式，以排除房間上部余熱，降低上部空氣溫度和屋面內表面溫度，達到減少非空調區的對流熱轉移和輻射熱轉移的效果。該球館側墻上方設有大面積高窗，屋面設有天窗，非空調區的得熱包括透過圍護結構傳入室內的熱量、通過高側窗和屋面天窗等進入室內的輻射熱、上部設備及照明散熱等，其中以屋頂和外窗傳入熱量和玻璃窗輻射得熱為主，非空調區熱強度q≥4.2W/m³，因此設置通風設施。所有外窗設置電動開啟機構，根據室外溫度變化分時段開啟，同時由消防控制室聯動控制，火災時全部開啟自然排煙。為防止進風干擾空調區的氣流組織，進風口設置在非空調區的1/3高度以上。

    分層空調系統夏季節能效果明顯，但冬季會加大溫度梯度而使耗熱量增加，同時空調區垂直溫度的均勻性也會變差，為防止熱氣流上浮，將空調回風口設置于房間兩側下部，噴口采用電動調節，冬季可將送風下傾角調整為大于30°，使送出的熱風斜向下吹，同時回風口設置在房間下部，保證熱風到達人員活動區。

2、羽毛球館空調系統

    羽毛球館建筑面積1900㎡，長55米，寬35米，層高15.5米，屋頂為網架結構。空調系統采用全空氣定風量一次回風系統，空調機房設置于球館東側區域頂層，采用2臺新風自適應節能型組合式空調機組，內設雙風機，單臺風量50000m³/h。因羽毛球訓練場地距地9米范圍內要求風速≤0.2m/s，不適合采用分層空調系統側向送風方式，因此采用頂送頂回的全室性空調系統。為嚴格控制場地內氣流速度，設計時將空調送風管沿場地周邊布置，送風口采用旋流風口，沿場地外區布置，頂送風，消除外墻外窗等周邊負荷后，冷熱空氣以較低的風速均勻流過訓練場地，然后由設在另一側頂部的回風口吸入返回空調機組。此氣流組織送風射流僅設在房間周邊區域，保證訓練場地的氣流速度滿足要求。

3、籃球館空調系統：

    籃球館層高為9m，位于網球館下層，房間上部無屋面冷負荷且層高小于10m，設置分層空調系統節能效果不明顯，因此按全室性空調設置。空調機房位于籃球館東側，采用2臺組合式空調機組，內設雙風機和轉輪式全熱回收裝置，單臺送風量35000m³/h，其中新風量7000m³/h，回風量28000m³/h，設置熱回收裝置可有效回收排風中的冷熱量，節約能耗。為節約訓練場地凈高，將空調送回風管均沿場地周邊布置，采用噴口雙側對送，同側底部回風方式，送風射程18米。雙側送風比單側送風射程短，風口風速小，可有效降低風口處噪音。回風立管沿場地周邊均勻布置，保證較均勻的溫度場。

4、游泳館空調系統

    游泳館建筑面積5800㎡，高12.5米，采用6臺熱泵式預冷型溶液調濕全空氣空調機組，單臺風量50000m³/h，氣流組織為頂送頂回，送風口采用旋流風口，空調排風系統與消防排煙系統合用風機，根據新風量調整排風機運行臺數，過渡季節可實現全新風運行。

5、其它場館

   乒乓球館、跆拳道、武術館、臺球館等場館采用吊頂式空氣處理機組，頂送頂回，單臺風量3500~4000m³/h，新、排風由吊頂式全熱回收新風換氣空調機負擔。棋牌室、更衣室、服務室等面積較小房間設置風機盤管+新風系統。

六、設計總結和體會

1、高大空間建筑應優先采用分層空調系統，噴口側送覆蓋范圍大，管路布置簡單，與建筑裝飾易于結合，夏季節能效果明顯。當送風射程大于25m時，宜雙側送風，管路布置困難時也可采用單側雙層噴口送風，分別負擔遠近區域，必要時可在房間中部設置風亭。層高較高且冬季需送熱風時，回風口宜設在房間下部。

2、全空氣系統采用組合式空氣處理機組，當回風管路較長時需設置回風機，同時宜設置熱回收段，但設回風機和熱回收段的空調機組尺寸較大，高度約3米，對空調機房的平面尺寸及凈高要求均較大，設計方案階段應與土建專業協調，保證機組和風管的安裝及檢修空間。

(本文來源：陜西省土木建筑學會   文徑網絡設計項目投資中心：劉紅娟 尹維維 編輯   劉真 文徑 審核)