大空间分层空调

分层空调1分层空调技术介绍分层空调指使高大空间下部工作区域的空气参数满足设计要求的空气调节方式。分层空调方式是以送风口中心线作为分层面，将建筑空间在垂直方向分为2个区域，分层面以下空间为空调区域，分层面以上空间为非空调区域。如图1所示。图1分层空调示意图分层空调的空调区的冷负荷由2大部分组成，即空调区本身得热形成的冷负荷和非空调区向空调区热转移形成的冷负荷。热转移负荷包括对流和辐射2部分。当空调区送冷风时，非空调区的空气温度和内表面温度均高于空调区，由于送风射流卷吸作用，使非空调区部分热量转移到空调区直接成为空调负荷即对流热转移负荷。而非空调区辐射到空调区的热量，被空调区各个面接收后，其中只有以对流方式再放出的部分才转为空调负荷即辐射热转移负荷，夏季由于太阳辐射热作用到各外围护结构中，屋盖的内表面温度最高，而地板的内表面温度往往是最低的，非空调区各个面(包括透过窗进入空调区的)对地板的辐射热占辐射热转移热量Qf的70%～80%。采用分层空调与全室空调相比，可显著地节省冷负荷、初投资和运行能耗。按国内的实验和工程实际运用，一般可节省冷量在30%左右。因此，对于高大空间建筑中，房间高度≥10m，容积＞10000m3的建筑，采用分层空调这种方式是非常适宜的。近些年来，随着我国大型展览、会议场所和航空、铁路、陆路交通枢纽建设的大力发展，出现许多高大空间建筑，这些建筑中需要空调的区域仅为下部工作区域，可利用合理的分层空调技术实现高大空间节能。现状存在的问题是分层空调技术应用不普以及有些做法值得商榷。如，分层空调在满足空调区使用要求的各项参数下，分层高度h1越低越节能，有些建筑借用冬季地板辐射采暖的设备满足高大空间空调制冷，辐射地面温度比全空气系统对流换热时的温度低，空气是辐射的近似透明体，这样采用辐射供冷处理高大空间空调没有分层高度，同时会加大空调制冷的能耗。在高大空间中，利用合理的气流组织仅对大空间下部（或上部）的空间即工作区进行通风空调，而对上部（或下部）的大部分空间不进行空调，非空调区和空调区以大空间腰部喷口送风形成的射流层作为分界线。大空间建筑分层空调适用的气流组织形式主要有四种：1）带空气幕的双侧对喷下部排风；2）双侧对喷上、下部排风；3）双侧对喷上、下部排风中部一次回风；4）双侧对喷上、下部排风中部送新风。这种技术应用的基本原则是：1）供冷时，冷风只送到工作区，此外利用室外空气或回风以分隔形成上部非空调空间，或用于满足消防排烟之需；2）在供暖时，送风温差宜小，且应送到工作区。有条件时与辐射供暖相结合。采取这些措施后，空调负荷可减少30%~40%。在分层空调的设计中，气流组织非常重要，它直接与空调效果有关。能否保证工作区的温度分布均匀，得到理想的速度场，达到分层空调的效果和节能的目的，很大程度上取决于合理的气流组织。只要将空调区的气流组织得好，使送入室内的空气充分发挥作用，就能在满足工作区空调要求的前提下，最大限度地降低分层高度，节约空调负荷，减小空调设备容量并节省设备运转费用。2常见的气流组织形式通风空调室内的气流组织，是指其中的气流流形以及空气的各物理量的分布，如温度、速度、湿度以及污染物浓度等。气流组织的方式归结起来主要取决于送风口和回风口的位置和形式，即送、回风方式。常见的空调送、回风方式可分为如下几种形式：1）侧送下回方式。侧送方式是大空间建筑采用的最广泛的一种气流组织形式，它是将送风口设在大厅侧墙上部，冷风（或热风）由送风口送出，气流吹过一定距离后转折下落到工作区后以较低的速度流过整个工作区，由设置于同侧下部的回风口排出。根据空间跨度大小，分单侧送风单侧回风方式和双侧送风双侧回风方式。侧送方式中，以喷口侧送最为常见。除了喷口送风外，侧送方式还包括百叶侧送，但由于有噪声和“脑后风”等，百叶侧送只作为辅助送风方式被采用。2）上送下回方式。上送下回方式，是将送风口安装在建筑的顶棚或上部网架空间内，将回风口设在下部侧壁上，空气自上而下送至人员活动区，然后由回风口抽走，其送风形式包括散流器、喷口、旋流风口、条缝和孔板送风等。从使用效果上讲，上送下回方式是比较好的。它能把处理好的空气均匀送到各个部位，以满足不同区域的空调要求。但上送风也存在着诸多不足：空调区域包括了建筑内的上部空间，冷（热）负荷较大，能耗高，送风量比喷口侧送大25%～30%左右。3）下送上回方式。这种气流组织的方式是由下部（如地板或侧墙下部）送风，由空调房间上部回、排风。它作为一种节能型气流组织形式，比较适合于人员较多的建筑。这种送风方式避免了将灯光和屋顶负荷的对流部分带入空调区域，可使送风量大大减小，从而节省了设备运行和投资费用。但下送风风口形式复杂、数量多，难以运行管理，目前对于很多空调设计单位技术上还难以实现，因此在大空间建筑空调实例中并不多见。4）假柱送风方式。目前，在我国一些大型会展建筑中采用了类似于机场候机厅风柱送风的送风方式，即假柱送风。假柱送风是在候车厅人员活动区均匀布置几根假柱，送风高度约2~2.5m，柱体断面为方形或圆形，出风口为假柱顶面或侧面、面积较大（非喷射型）。此种送风方式，送风口离人员活动区近，因此送风速度小，但是布置假柱占用人员活动空间，采用时应综合考虑现场结构条件和经济条件。5）多种气流组织形式的结合使用。为了达到最佳的气流组织效果，同时取得更加经济、节能的运行方式，从二十世纪八十年代至今，工程设计人员把多种气流组织形式结合使用，以达到能耗低与效果好的统一。3冬季工况采用高大空间分层空调需注意，分层空调技术对于夏季空调是节能的，大约节约30%的冷量，因此节省运行能耗和初投资，但对于严寒和寒冷地区，在冬季供暖工况下并不节能，冬季由于热空气上浮，人员活动区域的温度就会受到影响，上部空间的温度较高，通常有两种方法可应用：1）设置室内循环系统，将上部过热空气通过风道引至下部空间再利用。2）底层设置地板辐射供暖系统或地板送风供暖系统。下部送风的空调系统形式作为一种通风效率高、空气龄短、空气品质较高的通风方式，通常可分为置换通风和地板送风的方式。置换通风是将经过处理或未经处理的空气，以低风速、低湍流度、小温差的方式送入室内人员活动区的下部，使送入房间的气流在地板上均匀分布，首先带走人员负荷，然后，升温的空气上升至上部空间，被灯光等设备散发的热量加热，在房间上部空间形成滞留层，从滞留层中带走房间余热和污染物。形成以热烟羽形式向上的对立气流，有效地将热量和污染物排出人员活动区。地板送风（UFAD）是指利用地板静压箱，将经热湿处理的空气由地板送风风口送到人员活动区的气流组织形式，与置换通风相比，地板送风以较高的风速从尺寸较小的地板送风口送出，形成相对较强的空气混合，因此送风温度可较置换通风的低，系统负担的冷负荷也大于置换通风，但是地板送风的风口附近区域不应有人长期停留。下部送风方式的节能性还体现在，送风温度较高，一般为16～18℃，随着送风温度的提高，冷水机组的出水温度提高，COP值也相应提高，因此对于除湿要求不严格的场所，是一种舒适节能的系统形式。4送风口相对高度及换气次数对分层空调气流组织的影响房高不同、送风口高度不同、送风速度不同、送风口断面高度不同在分层空调方案设计时,推荐应用以下结论:当建筑物的送风口相对高度Ω值为0.2~0.4时,将整体空间的换气次数设定在1~3次之间(小于1次时,空调区温度过高,热舒适性差;大于3次时,空调系统提供的冷量过大,能耗高),室内垂直方向上温度分布存在梯度,能够产生明显的分层现象,从而达到节能的目的。并且,将送风口以下空调区的换气次数维持在6次左右时,能够使工作区产生较好的热舒适性效果。5自然通风与分层空调耦合运行的节能分析5.1温度分布比较单独运行分层空调和耦合运行时在垂直方向上的温度云图。可以看出：1）两种方式下，下部空调区域（高度0~4m），空气混合均匀，温度均满足舒适性要求。在上部区域，随着高度的增加，温度逐渐升高，均会产生明显的温度分层现象。2）在分层空调单独运行时，下部空调区域温度为298K（25℃），房顶处温度最高可达318K（45℃），在非空调区域尤其在天花板处热气流滞留明显。3）在自然通风与分层空调耦合运行时，下部空调区域温度下降为296K（23℃），房顶处的温度下降为310K（37℃），上部热气流滞留的现象得到了明显的缓解。对于分层空调，空调区域冷负荷由两部分组成，即空调区域本身得热所形成冷负荷和非空调区域通过对流及辐射方式向空调区域转移的热负荷。也就是说，非空调区温度越高，热转移负荷越大。利用自然通风与分层空调耦合运行，可有效降低非空调区域的温度，从而减少空调区域的冷负荷，达到节能的效果。5.2气流分布比较单独运行分层空调和耦合运行时速度矢量图。可以看出：1）分层空调系统单独运行时，空调区域采用双侧水平送风，下部同侧回风，使工作区处于回流区，得到均匀的速度场和温度场；在上部非空调区域，部分空气受到热浮升力作用上升，导致热气流滞留。2）自然通风与分层空调耦合运行时，在下部空调区域，气流组织与单独使用分层空调系统基本一样；在上部非空调区域，热空气受到自然通风的诱导排到室外，有效地减少了上部非空调区域热空气的滞留，同时降低了非空调区向空调区域对流及辐射热转移。