鄭毅然

中國(guó)建筑科學(xué)研究院建筑設(shè)計(jì)院

淺析高大空間建筑空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鄭毅然

中國(guó)建筑科學(xué)研究院建筑設(shè)計(jì)院

本文介紹了高大空間建筑的空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。結(jié)合中國(guó)國(guó)家博物館西入口大廳和學(xué)術(shù)報(bào)告廳兩個(gè)空間，詳細(xì)介紹了不同類型高大空間的空調(diào)系統(tǒng)送風(fēng)形式，并闡述了設(shè)計(jì)過(guò)程中遇到的難點(diǎn)及體會(huì)。

高大空間 分層空調(diào) 座椅送風(fēng) 置換通風(fēng)

0 引言

近年來(lái)，隨著人類生存及發(fā)展需求，公共民用建筑的規(guī)模日趨龐大，高大空間在民用建筑內(nèi)出現(xiàn)得越來(lái)越多。為了能夠充分地發(fā)揮這類建筑的功能，為這些空間創(chuàng)造更好的室內(nèi)環(huán)境，合理設(shè)置暖通空調(diào)系統(tǒng)，對(duì)改善大空間建筑內(nèi)部環(huán)境起著至關(guān)重要的作用。

1 大空間建筑特征對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的影響

大空間建筑特征對(duì)空調(diào)系統(tǒng)具有以下影響[1]：

1）大空間建筑高度高，這是形成溫度梯度的主要原因；

2）大空間建筑外墻面積與地板面積之比大，這造成了外界界面對(duì)室內(nèi)空間的自然對(duì)流影響很大，冬季易在四周造成下降氣流；

3）大空間建筑的功能多樣，使用對(duì)象差異大，要求空調(diào)系統(tǒng)能夠滿足多種環(huán)境，且控制靈活。

2 工程實(shí)例分析

中國(guó)國(guó)家博物館位于天安門廣場(chǎng)東側(cè)，與人民大會(huì)堂遙相呼應(yīng)。2003年2月在原中國(guó)歷史博物館和中國(guó)革命博物館兩館合并的基礎(chǔ)上組建成立，是集收藏、展覽、研究、考古、公共教育、文化交流于一體的綜合性國(guó)家博物館。新國(guó)博總建筑面積19.1900萬(wàn)m2，其中保留建筑面積35452m2，新館建筑面積156448m2（地上79679m2，地下76769m2），建筑輪廓尺寸：長(zhǎng)330m，寬204m；共5層。

2.1 西入口大廳空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

西入口大廳（圖1）建筑面積8840m2，長(zhǎng)260m，寬34m，中間部分寬60m，中間四個(gè)核心筒之間形成49m×60m區(qū)域。西入口大廳地面至鋼桁架金屬板底高26.9m。

圖1 西入口大廳空間實(shí)景

博物館西入口長(zhǎng)達(dá)260m的藝術(shù)長(zhǎng)廊作為建筑體的中央交通連接貫通南北，長(zhǎng)廊中部擴(kuò)展為主入口大廳。這個(gè)面積達(dá)8840m2，空間高度超過(guò)26m的巨大中軸長(zhǎng)廊連接了整座博物館近2萬(wàn)m2的公共空間。

如此高大空間室內(nèi)氣流存在明顯分層現(xiàn)象，且垂直方向溫度梯度很大。對(duì)于這樣的空間，如果要進(jìn)行全室空調(diào)，其空調(diào)的耗能非常巨大。其實(shí)，在這種高大空間中，需要空調(diào)的部位一般僅為下部距離地面2～3m高的工作區(qū)域，應(yīng)采用分層空調(diào)方式，在空調(diào)區(qū)內(nèi)利用合理的氣流組織對(duì)其進(jìn)行空氣調(diào)節(jié)，達(dá)到設(shè)計(jì)需要的溫濕度?？照{(diào)區(qū)以上空間為非空調(diào)區(qū)，此區(qū)域內(nèi)不設(shè)置空調(diào)。為避免上部熱空氣滯留，以熱輻射形式對(duì)空間下部人員活動(dòng)區(qū)熱舒適性產(chǎn)生影響，采取可開(kāi)啟天窗和機(jī)械通風(fēng)等措施，改善上部空間的通風(fēng)條件，緩解上部熱空氣層滯留問(wèn)題。通過(guò)CFD對(duì)大廳進(jìn)行了溫度場(chǎng)、氣流速度場(chǎng)的模擬得知，豎向溫度梯度達(dá)到12℃[2]。為節(jié)省大廳的空調(diào)運(yùn)行能耗，設(shè)計(jì)采用分層空調(diào)和地板盤管輻射空調(diào)結(jié)合的方式。

西入口大廳所有空調(diào)措施和送回風(fēng)的氣流組織都設(shè)置在距地面6m高的范圍內(nèi)，利用合理的氣流組織保證距離地面2～3m高的工作區(qū)域達(dá)到設(shè)計(jì)需要的溫濕度。主要空調(diào)措施如下：

1）入口大廳中部四個(gè)核心筒之間形成49m×60m區(qū)域：在地下-1.75m標(biāo)高處空調(diào)機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)置4臺(tái)空調(diào)機(jī)組，利用觀光電梯井道兩側(cè)核心筒側(cè)壁內(nèi)豎向排列的鼓形風(fēng)口，負(fù)擔(dān)此區(qū)域空調(diào)送風(fēng)，在觀光電梯后部地面設(shè)置格柵回風(fēng)口。低位送風(fēng)，地面回風(fēng)的氣流組織確保人員活動(dòng)區(qū)域空調(diào)效果。

2）入口大廳與中央大廳間88m×12m區(qū)域：在+29.0m標(biāo)高處設(shè)置空調(diào)機(jī)房，機(jī)組送風(fēng)管利用結(jié)構(gòu)柱間豎井向下，至中央大廳西側(cè)大銅門兩邊門洞上方鼓形風(fēng)口，向室內(nèi)送風(fēng)。回風(fēng)利用大銅門周圍條縫回風(fēng)口。

3）入口大廳兩側(cè)各80m×20m長(zhǎng)廊：在西入口大廳南北長(zhǎng)廊東墻上約6m高處，均勻設(shè)置鼓形風(fēng)口。并通過(guò)電梯廳吊頂回風(fēng)口集中回風(fēng)。長(zhǎng)廊西側(cè)為26m高幕墻，沿西大樓梯兩側(cè)幕墻設(shè)置地面送風(fēng)口，在西大樓梯平臺(tái)下設(shè)置集中回風(fēng)口。夏季當(dāng)27m高的頂部區(qū)域空氣溫度高于室溫通風(fēng)溫度時(shí)，可以利用屋頂?shù)淖詣?dòng)窗實(shí)現(xiàn)自然通風(fēng)或利用與消防合用的風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)械通風(fēng)，從而在不增加空調(diào)系統(tǒng)冷負(fù)荷的條件下，消除頂部余熱。

4）采用地板輻射供暖供冷：為滿足室內(nèi)典雅莊重的設(shè)計(jì)風(fēng)格，室內(nèi)可以設(shè)置風(fēng)口的位置非常有限，因此設(shè)計(jì)中考慮冷/熱輻射地板承擔(dān)主要冬季熱負(fù)荷和一定的夏季冷負(fù)荷。地板盤管系統(tǒng)覆蓋了西大廳中部、西大廳北部、西大廳南部、西大廳北側(cè)通廊、西大廳南側(cè)通廊及主題大廳前廳總計(jì)約6700m2的面積（圖2）。

圖2 西入口大廳地板輻射供暖/供冷區(qū)域

從以上分析可以看出，冬季地暖可滿足主要供熱負(fù)荷，空調(diào)機(jī)組提供室內(nèi)新風(fēng)和輔助供熱；夏季，冷輻射地板與空調(diào)系統(tǒng)結(jié)合供冷，可以使人員活動(dòng)區(qū)域的溫度分布更均勻，室溫波動(dòng)小，減小吹風(fēng)感和噪聲，比常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)更優(yōu)越。

2.2 學(xué)術(shù)報(bào)告廳（兼劇場(chǎng)）空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

國(guó)家博物館作為世界上建筑面積最大的博物館，除了設(shè)有48個(gè)能舉辦各種類型展覽的展廳外，還設(shè)有300余個(gè)座位的數(shù)碼影院，近800個(gè)座位的學(xué)術(shù)報(bào)告廳（兼劇場(chǎng)）及600m2的演播室。國(guó)家博物館學(xué)術(shù)報(bào)告廳（兼劇場(chǎng)）與一般的劇院及娛樂(lè)場(chǎng)所不同，更多的關(guān)注宣教功能，用這一多元性的展示平臺(tái)，開(kāi)展學(xué)術(shù)交流，更好地達(dá)成傳播人類古老文明、傳承民族文化、普及科學(xué)知識(shí)的目的。

學(xué)術(shù)報(bào)告廳（兼劇場(chǎng)）建筑高度為10.5m，觀眾區(qū)跨度28m，進(jìn)深21m，舞臺(tái)進(jìn)深14m，寬30m。

良好的氣流組織對(duì)觀演類建筑空調(diào)效果的優(yōu)劣起著決定性作用。觀眾廳面積大、頂棚高、人員集中，而舞臺(tái)則有復(fù)雜的布景、幕布、燈具及吊杠、天橋等，給空調(diào)送回風(fēng)氣流設(shè)計(jì)、送回風(fēng)口布置等提出許多特殊要求。學(xué)術(shù)報(bào)告廳的主要空調(diào)措施如下：

1）觀眾廳區(qū)域

觀眾廳設(shè)有743個(gè)座位，屬于人員密集區(qū)，人體濕負(fù)荷較大，且空間高10.5m，地面前低后高，在垂直方向上存在著較大的溫度分層現(xiàn)象。為使人體活動(dòng)區(qū)得到較高的空氣品質(zhì)及熱舒適度，觀眾廳空調(diào)采用了座椅下送風(fēng)，頂部回風(fēng)及排風(fēng)的氣流組織形式。

在學(xué)術(shù)報(bào)告廳東西兩側(cè)-6.0m標(biāo)高處的空調(diào)機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)置2臺(tái)空調(diào)機(jī)組，負(fù)擔(dān)觀眾廳池座及樓座空調(diào)送風(fēng)。經(jīng)過(guò)處理的空氣通過(guò)管道，以4m/s左右的風(fēng)速，一部分均勻送入池座座椅下部空間形成的建筑靜壓箱，再經(jīng)過(guò)座椅下部的送風(fēng)柱送入室內(nèi)；另一部分通過(guò)風(fēng)管，接至樓座各座椅下部送風(fēng)柱，繼而送入室內(nèi)。送入室內(nèi)的空氣在吸收了人體散發(fā)的熱、濕后才被吸入設(shè)置于頂部的回風(fēng)及排風(fēng)口。這種座椅下送風(fēng)，頂部回風(fēng)及排風(fēng)的置換通風(fēng)方式對(duì)于提高觀眾區(qū)空氣品質(zhì)起著重要作用[3]。

2）舞臺(tái)區(qū)域

舞臺(tái)區(qū)域分為主臺(tái)和側(cè)臺(tái)。鑒于舞臺(tái)空間高，設(shè)備及燈具復(fù)雜，發(fā)熱量大且不穩(wěn)定的特點(diǎn)[4]，舞臺(tái)部分采用分層空調(diào)設(shè)計(jì)。在學(xué)術(shù)報(bào)告廳兩側(cè)-6.0m標(biāo)高處的空調(diào)機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)置2臺(tái)專供舞臺(tái)使用的空調(diào)機(jī)組，負(fù)擔(dān)舞臺(tái)區(qū)域的空調(diào)送風(fēng)。舞臺(tái)東西兩側(cè)天橋下距離舞臺(tái)地面3.25m高處設(shè)置側(cè)送及下送風(fēng)口，側(cè)送風(fēng)口采用鼓形噴口，下送風(fēng)口采用雙層百葉風(fēng)口。當(dāng)舞臺(tái)演出有幕布時(shí)，為了避免送風(fēng)吹動(dòng)幕布，關(guān)閉側(cè)送風(fēng)管道上的電動(dòng)風(fēng)閥，由下送風(fēng)口送風(fēng)；當(dāng)舞臺(tái)用于會(huì)議無(wú)幕布時(shí)，打開(kāi)電動(dòng)風(fēng)閥，由側(cè)送及下送風(fēng)口聯(lián)合送風(fēng)[5]。

由于舞臺(tái)燈光及設(shè)備繁多，為了消除頂部的負(fù)荷，在舞臺(tái)葡萄架上方設(shè)置機(jī)械通風(fēng)，負(fù)擔(dān)消除舞臺(tái)上部的對(duì)流熱。

從以上分析可以看出，觀眾區(qū)座椅送風(fēng)能夠?qū)⑿迈r空氣直接送至人體的呼吸區(qū)，大大提高了工作區(qū)的空氣品質(zhì)；而舞臺(tái)區(qū)的分層空調(diào)，在空調(diào)區(qū)內(nèi)利用合理的氣流組織對(duì)其進(jìn)行空氣調(diào)節(jié)，非空調(diào)區(qū)域采用機(jī)械通風(fēng)以消除余熱，節(jié)省了空調(diào)運(yùn)行能耗，兩部分空調(diào)系統(tǒng)相結(jié)合，為學(xué)術(shù)報(bào)告廳（兼劇場(chǎng)）提供了舒適的室內(nèi)環(huán)境。

3 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)大空間建筑越來(lái)越多，建筑趨向大空間，給暖通空調(diào)設(shè)計(jì)帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)。通過(guò)對(duì)以上兩個(gè)不同類型的大空間空調(diào)系統(tǒng)形式的比較可以看出，選擇大空間建筑空調(diào)系統(tǒng)時(shí)，需要充分了解其空間特點(diǎn)及使用要求等因素，把握其特殊性及難點(diǎn)，合理確定空調(diào)系統(tǒng)形式，為人們提供更為舒適的公共建筑空間。

[1]范存養(yǎng).大空間建筑空調(diào)設(shè)計(jì)及工程實(shí)錄[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2001.

[2]盛曉康,董靜.中國(guó)國(guó)家博物館暖通空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].暖通空調(diào), 2011,(10):1-5

[3]陸耀慶.實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)(2版)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2008

[4]李惠風(fēng),白雪蓮,李昕原.觀演建筑空調(diào)設(shè)計(jì)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2008

[5]劇場(chǎng)建筑設(shè)計(jì)規(guī)范(JGJ57-2000)[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2000

The Air Conditioning Sys te m De s ign of La rge Spa c e Building

ZHENG Yi-ran
Architectural Design Institute,China Academy of Building Research

This paper introduces the design of air conditioning system of large space buildings.Combined with the Chinese National Museum west entrance hall and conference hall,the details of air conditioning system of different large space are introduced,and the experience and difficulties encountered in the design process is discussed.

large space,stratified air conditioning,seat air supply,displacement ventilation

1003-0344（2015）01-097-3

2013-12-28

鄭毅然（1978～），女，本科，工程師；北京市北三環(huán)東路30號(hào)新主樓13層南側(cè)（100013）；010-64694340；E-mail:z-yr@163.com