大空間分層空調(diào)

1、分層空調(diào)1 分層空調(diào)技術(shù)介紹分層空調(diào)指使高大空間下部工作區(qū)域的空氣參數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求的空氣調(diào)節(jié)方式。 分層空調(diào)方式是以送風(fēng)口中 心線作為分層面， 將建筑空間在垂直方向分為 2 個(gè)區(qū)域， 分層面以下空間為空調(diào)區(qū)域， 分層面以上空間為非空調(diào) 區(qū)域。如圖 1 所示。圖 1 分層空調(diào)示意圖分層空調(diào)的空調(diào)區(qū)的冷負(fù)荷由 2 大部分組成， 即空調(diào)區(qū)本身得熱形成的冷負(fù)荷和非空調(diào)區(qū)向空調(diào)區(qū)熱轉(zhuǎn)移形 成的冷負(fù)荷。 熱轉(zhuǎn)移負(fù)荷包括對(duì)流和輻射 2 部分。 當(dāng)空調(diào)區(qū)送冷風(fēng)時(shí)， 非空調(diào)區(qū)的空氣溫度和內(nèi)表面溫度均高于 空調(diào)區(qū)，由于送風(fēng)射流卷吸作用，使非空調(diào)區(qū)部分熱量轉(zhuǎn)移到空調(diào)區(qū)直接成為空調(diào)負(fù)荷即對(duì)流熱轉(zhuǎn)移負(fù)荷。而非 空調(diào)區(qū)輻

2、射到空調(diào)區(qū)的熱量，被空調(diào)區(qū)各個(gè)面接收后，其中只有以對(duì)流方式再放出的部分才轉(zhuǎn)為空調(diào)負(fù)荷即輻射 熱轉(zhuǎn)移負(fù)荷，夏季由于太陽(yáng)輻射熱作用到各外圍護(hù)結(jié)構(gòu)中，屋蓋的內(nèi)表面溫度最高，而地板的內(nèi)表面溫度往往是 最低的，非空調(diào)區(qū)各個(gè)面 （包括透過窗進(jìn)入空調(diào)區(qū)的 ）對(duì)地板的輻射熱占輻射熱轉(zhuǎn)移熱量Qf的70%80%。采用分層空調(diào)與全室空調(diào)相比，可顯著地節(jié)省冷負(fù)荷、初投資和運(yùn)行能耗。按國(guó)內(nèi)的實(shí)驗(yàn)和工程實(shí)際運(yùn)用，一般可節(jié)省冷量在 30%左右。因此，對(duì)于高大空間建筑中，房間高度10 m，容積10 000m3的建筑，采用分層空調(diào)這種方式是非常適宜的。近些年來，隨著我國(guó)大型展覽、會(huì)議場(chǎng)所和航空、鐵路、陸路交通樞紐建設(shè)的大力發(fā)展

3、，出現(xiàn)許多高大空間 建筑，這些建筑中需要空調(diào)的區(qū)域僅為下部工作區(qū)域，可利用合理的分層空調(diào)技術(shù)實(shí)現(xiàn)高大空間節(jié)能。現(xiàn)狀存在的問題是分層空調(diào)技術(shù)應(yīng)用不普以及有些做法值得商榷。如，分層空調(diào)在滿足空調(diào)區(qū)使用要求的各項(xiàng)參數(shù)下，分層高度 h1 越低越節(jié)能，有些建筑借用冬季地板輻射采暖的設(shè)備滿足高大空間空調(diào)制冷，輻射地面 溫度比全空氣系統(tǒng)對(duì)流換熱時(shí)的溫度低，空氣是輻射的近似透明體，這樣采用輻射供冷處理高大空間空調(diào)沒有分層高度，同時(shí)會(huì)加大空調(diào)制冷的能耗。在高大空間中， 利用合理的氣流組織僅對(duì)大空間下部 （或上部） 的空間即工作區(qū)進(jìn)行通風(fēng)空調(diào)， 而對(duì)上部 （或 下部）的大部分空間不進(jìn)行空調(diào)，非空調(diào)區(qū)和空調(diào)區(qū)以大空

4、間腰部噴口送風(fēng)形成的射流層作為分界線。大空間建 筑分層空調(diào)適用的氣流組織形式主要有四種：1 ） 帶空氣幕的雙側(cè)對(duì)噴下部排風(fēng)； 2）雙側(cè)對(duì)噴上、 下部排風(fēng)； 3）雙側(cè)對(duì)噴上、下部排風(fēng)中部一次回風(fēng)；4）雙側(cè)對(duì)噴上、下部排風(fēng)中部送新風(fēng)。這種技術(shù)應(yīng)用的基本原則是：1）供冷時(shí)，冷風(fēng)只送到工作區(qū)，此外利用室外空氣或回風(fēng)以分隔形成上部非空調(diào)空間，或用于滿足消防排煙之需；2）在供暖時(shí)，送風(fēng)溫差宜小，且應(yīng)送到工作區(qū)。有條件時(shí)與輻射供暖相結(jié)合。采取這些措施后，空調(diào)負(fù)荷可減少30%40%。在分層空調(diào)的設(shè)計(jì)中，氣流組織非常重要，它直接與空調(diào)效果有關(guān)。能否保證工作區(qū)的溫度分布均勻，得到理想的速度場(chǎng)，達(dá)到分層空調(diào)的效果和

5、節(jié)能的目的，很大程度上 取決于合理的氣流組織。只要將空調(diào)區(qū)的氣流組織得好，使送入室內(nèi)的空氣充分發(fā)揮作用，就能在滿足工作區(qū)空 調(diào)要求的前提下，最大限度地降低分層高度，節(jié)約空調(diào)負(fù)荷，減小空調(diào)設(shè)備容量并節(jié)省設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用。2 常見的氣流組織形式通風(fēng)空調(diào)室內(nèi)的氣流組織，是指其中的氣流流形以及空氣的各物理量的分布，如溫度、速度、濕度以及污染 物濃度等。 氣流組織的方式歸結(jié)起來主要取決于送風(fēng)口和回風(fēng)口的位置和形式，即送、回風(fēng)方式。 常見的空調(diào)送、回風(fēng)方式可分為如下幾種形式：1）側(cè)送下回方式。 側(cè)送方式是大空間建筑采用的最廣泛的一種氣流組織形式，它是將送風(fēng)口設(shè)在大廳側(cè)墻上部，冷風(fēng)（或熱風(fēng)）由送風(fēng)口送出，氣流吹

6、過一定距離后轉(zhuǎn)折下落到工作區(qū)后以較低的速度流過整個(gè)工作區(qū)，由設(shè)置 于同側(cè)下部的回風(fēng)口排出。 根據(jù)空間跨度大小， 分單側(cè)送風(fēng)單側(cè)回風(fēng)方式和雙側(cè)送風(fēng)雙側(cè)回風(fēng)方式。 側(cè)送方式中， 以噴口側(cè)送最為常見。除了噴口送風(fēng)外，側(cè)送方式還包括百葉側(cè)送，但由于有噪聲和“腦后風(fēng)”等，百葉側(cè)送只 作為輔助送風(fēng)方式被采用。2）上送下回方式。 上送下回方式， 是將送風(fēng)口安裝在建筑的頂棚或上部網(wǎng)架空間內(nèi)， 將回風(fēng)口設(shè)在下部側(cè)壁上， 空氣自上而下送至人員活動(dòng)區(qū)，然后由回風(fēng)口抽走，其送風(fēng)形式包括散流器、噴口、旋流風(fēng)口、條縫和孔板送風(fēng) 等。從使用效果上講，上送下回方式是比較好的。它能把處理好的空氣均勻送到各個(gè)部位，以滿足不同區(qū)域

7、的空 調(diào)要求。但上送風(fēng)也存在著諸多不足：空調(diào)區(qū)域包括了建筑內(nèi)的上部空間，冷（熱）負(fù)荷較大，能耗高，送風(fēng)量 比噴口側(cè)送大 25%30%左右。3）下送上回方式。這種氣流組織的方式是由下部（如地板或側(cè)墻下部）送風(fēng)，由空調(diào)房間上部回、排風(fēng)。它作為一種節(jié)能型氣流組織形式，比較適合于人員較多的建筑。這種送風(fēng)方式避免了將燈光和屋頂負(fù)荷的對(duì)流部分帶入空調(diào)區(qū)域，可使送風(fēng)量大大減小，從而節(jié)省了設(shè)備運(yùn)行和投資費(fèi)用。但下送風(fēng)風(fēng)口形式復(fù)雜、數(shù)量多，難以運(yùn) 行管理，目前對(duì)于很多空調(diào)設(shè)計(jì)單位技術(shù)上還難以實(shí)現(xiàn)，因此在大空間建筑空調(diào)實(shí)例中并不多見。4）假柱送風(fēng)方式。目前，在我國(guó)一些大型會(huì)展建筑中采用了類似于機(jī)場(chǎng)候機(jī)廳風(fēng)柱送風(fēng)的

8、送風(fēng)方式，即假柱送風(fēng)。假柱送風(fēng)是在候車廳人員活動(dòng)區(qū)均勻布置幾根假柱，送風(fēng)高度約22.5m ，柱體斷面為方形或圓形，出風(fēng)口為假柱頂面或側(cè)面、面積較大（非噴射型） 。此種送風(fēng)方式，送風(fēng)口離人員活動(dòng)區(qū)近，因此送風(fēng)速度小，但是布 置假柱占用人員活動(dòng)空間，采用時(shí)應(yīng)綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)結(jié)構(gòu)條件和經(jīng)濟(jì)條件。5）多種氣流組織形式的結(jié)合使用。為了達(dá)到最佳的氣流組織效果，同時(shí)取得更加經(jīng)濟(jì)、節(jié)能的運(yùn)行方式，從二 十世紀(jì)八十年代至今，工程設(shè)計(jì)人員把多種氣流組織形式結(jié)合使用，以達(dá)到能耗低與效果好的統(tǒng)一。3 冬季工況采用高大空間分層空調(diào)需注意，分層空調(diào)技術(shù)對(duì)于夏季空調(diào)是節(jié)能的，大約節(jié)約30%的冷量，因此節(jié)省運(yùn)行能耗和初投資，但對(duì)

9、于嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)，在冬季供暖工況下并不節(jié)能，冬季由于熱空氣上浮，人員活動(dòng)區(qū)域的溫 度就會(huì)受到影響，上部空間的溫度較高，通常有兩種方法可應(yīng)用：1）設(shè)置室內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)，將上部過熱空氣通過風(fēng)道引至下部空間再利用。2）底層設(shè)置地板輻射供暖系統(tǒng)或地板送風(fēng)供暖系統(tǒng)。下部送風(fēng)的空調(diào)系統(tǒng)形式作為一種通風(fēng)效率高、空氣齡短、空氣品質(zhì)較高的通風(fēng)方式，通?？煞譃橹脫Q通風(fēng) 和地板送風(fēng)的方式。置換通風(fēng)是將經(jīng)過處理或未經(jīng)處理的空氣，以低風(fēng)速、低湍流度、小溫差的方式送入室內(nèi)人 員活動(dòng)區(qū)的下部， 使送入房間的氣流在地板上均勻分布， 首先帶走人員負(fù)荷， 然后， 升溫的空氣上升至上部空間， 被燈光等設(shè)備散發(fā)的熱量加熱，在房間上部空間

10、形成滯留層，從滯留層中帶走房間余熱和污染物。形成以熱煙羽 形式向上的對(duì)立氣流，有效地將熱量和污染物排岀人員活動(dòng)區(qū)。地板送風(fēng)（UFAD）是指利用地板靜壓箱，將經(jīng)熱濕處理的空氣由地板送風(fēng)風(fēng)口送到人員活動(dòng)區(qū)的氣流組織形式，與置換通風(fēng)相比，地板送風(fēng)以較高的風(fēng)速?gòu)某叽?較小的地板送風(fēng)口送岀，形成相對(duì)較強(qiáng)的空氣混合，因此送風(fēng)溫度可較置換通風(fēng)的低，系統(tǒng)負(fù)擔(dān)的冷負(fù)荷也大于 置換通風(fēng)，但是地板送風(fēng)的風(fēng)口附近區(qū)域不應(yīng)有人長(zhǎng)期停留。下部送風(fēng)方式的節(jié)能性還體現(xiàn)在，送風(fēng)溫度較高， 一般為1618C,隨著送風(fēng)溫度的提高，冷水機(jī)組的岀水溫度提高，COP值也相應(yīng)提高，因此對(duì)于除濕要求不嚴(yán)格的場(chǎng)所，是一種舒適節(jié)能的系統(tǒng)形式。4

11、 送風(fēng)口相對(duì)高度及換氣次數(shù)對(duì)分層空調(diào)氣流組織的影響房高不同、送風(fēng)口高度不同、送風(fēng)速度不同、送風(fēng)口斷面高度不同在分層空調(diào)方案設(shè)計(jì)時(shí)，推薦應(yīng)用以下結(jié)論：當(dāng)建筑物的送風(fēng)口相對(duì)高度Q值為0.20.4時(shí)，將整體空間的換氣次數(shù)設(shè)定在 13 次之間 （ 小于 1 次時(shí), 空調(diào)區(qū)溫度過高 , 熱舒適性差 ; 大于 3次時(shí), 空調(diào)系統(tǒng)提供的冷量過 大, 能耗高 ） , 室內(nèi)垂直方向上溫度分布存在梯度 , 能夠產(chǎn)生明顯的分層現(xiàn)象 , 從而達(dá)到節(jié)能的目的。并且 , 將送 風(fēng)口以下空調(diào)區(qū)的換氣次數(shù)維持在 6 次左右時(shí) , 能夠使工作區(qū)產(chǎn)生較好的熱舒適性效果。5 自然通風(fēng)與分層空調(diào)耦合運(yùn)行的節(jié)能分析5.1 溫度分布比較

12、單獨(dú)運(yùn)行分層空調(diào)和耦合運(yùn)行時(shí)在垂直方向上的溫度云圖。可以看出：1） 兩種方式下，下部空調(diào)區(qū)域（高度04m），空氣混合均勻，溫度均滿足舒適性要求。在上部區(qū)域，隨著 高度的增加，溫度逐漸升高，均會(huì)產(chǎn)生明顯的溫度分層現(xiàn)象。2） 在分層空調(diào)單獨(dú)運(yùn)行時(shí)，下部空調(diào)區(qū)域溫度為298K （ 25 °C）,房頂處溫度最高可達(dá) 318K （ 45C）,在非空 調(diào)區(qū)域尤其在天花板處熱氣流滯留明顯。3） 在自然通風(fēng)與分層空調(diào)耦合運(yùn)行時(shí)，下部空調(diào)區(qū)域溫度下降為296K （23 C） ，房頂處的溫度下降為 310K （37 C），上部熱氣流滯留的現(xiàn)象得到了明顯的緩解。對(duì)于分層空調(diào)，空調(diào)區(qū)域冷負(fù)荷由兩部分組成，即空調(diào)區(qū)域本身得熱所形成冷負(fù)荷和非空調(diào)區(qū)域通過對(duì)流及 輻射方式向空調(diào)區(qū)域轉(zhuǎn)移的熱負(fù)荷。也就是說，非空調(diào)區(qū)溫度越高，熱轉(zhuǎn)移負(fù)荷越大。利用自然通風(fēng)與分層空調(diào) 耦合運(yùn)行，可有效降低非空調(diào)區(qū)域的溫度，從而減少空調(diào)區(qū)域的冷負(fù)荷，達(dá)到節(jié)能的效果。5.2 氣流分布比較單獨(dú)運(yùn)行分層空調(diào)和耦合運(yùn)行時(shí)速度矢量圖。可以看出：1 ）分層空調(diào)系統(tǒng)單