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分层空调技术在某工程中的应用与探讨
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内容提示：探讨了分层空调技术及其在黑龙江广电中心D区演播室和多功能馆两个高大空间中的实施。工程采用了低速单风道送风方式，按要求采取全新风系统，设计采用可调球形喷口，以保证上部回风、排风下工作、人员区合理气流组织；非空调区采用机械通风排除余热，并兼作火灾时排烟。为了减轻冬季热射流向上弯曲程度，同时也给出了冬季运行合理的出风角度30o。相关设计计算、风口布置都经过了CFD模拟检验，以及其它计算方法的对比，
1 概况
黑龙江广电中心位于哈尔滨市开发区，是一座现代化的综合性广播电视建筑，与著名的亚洲第一钢塔龙塔毗邻。按使用功能，建筑分为六大区，其中的D区主要为一个800 m2的演播大厅和2600 m2多功能馆（如图1）。演播室和多功能厅的高度均达到23.7 m，内部空间高度分别为17.7 m和23.7 m，跨度分别达到25.20 m和47.25 m。演播室和多功能馆均无外窗，屋顶为轻型材料结构，灯光照明达到400 W·m-2。工程由广播电视部设计院设计，哈
尔滨华日空调工程有限责任公司负责施工，在施工阶段的大量论证和经济性分析的基础上，进行了局部空调方案的改造，对大空间的演播室、多功能馆采用了分层空调气流方式。（参考《建筑中文网》）
2 室内设计参数夏季：干球温度25 oC，相对湿度60%；
冬季：干球温度20 oC，相对湿度50%。
3 分层空调技术应用分层空调作为一种特殊的气流方式，可以节约空调冷量15～50%，它于20世纪60年代最早出现在美国，后又在日本、中国等开始大量应用[1]。典型的分层空调在大空间两侧或单侧腰部设置送风喷口，下部同侧均匀设置回风口，运用多股平行非等温射流将空间隔断为上下两部分，仅对下部空调，形成“空调区”，对上部通风形成“非空调区”。
由于演播室和多功能馆的灯光照明都很大，且屋顶得热量也较大，使得大量余热集中于上部空间。可见，上部空间对空调负荷以及人员区舒适条件有着十分重要的影响。为此，考虑采用分层空调气流来实现空间上下的纵向隔断。此外，由于地下室有大量配套的化妆室、录音室以及厨房、大小餐厅、仓库等，诸多水、暖以及消防管路错综复杂，使大尺寸回风道布置困难，且室内空气品质要求较高，考虑采用全新风系统。
这样，实际的气流组织为：空间中部以下开设可调球形喷口从空间两侧侧向送风，利用机械通风带走积聚在顶棚下的高温污浊空气（含下部空调送风和上部机械进风），特别地，由于缺少空间下部均匀回风条件，除了利用空气密度差产生的冷气流自然下坠，还应保持球形风口以一定倾斜角向下出风。冬季条件下，为减轻热射流向上弯曲，喷口向下倾角更大。
根据80年代中国建筑科学研究院的大量试验研究结论，采用相应辐射与对流热迁移简化计算方法[2]，计算了空调负荷。冷负荷由两部分组成：空调区本身得热负荷和非空调区对空调区的热转移得热负荷；热负荷则应按照整个空间冬季失热计算。
根据分层空调多股平行非等温射流计算公式[3]，对分层空调气流组织进行了合理设计。按照要求，工作区允许最大风速为0.25 m/s，取射流末端速度为0.5 m/s；适当减少角落喷口布置以减轻射流垂直交叉带来的不理影响；夏季送风温差取为7.5 oC，冬季为18 oC。喷口夏季和冬季出风角度分别为15o和30o。演播室和多功能馆夏季分层空调设计参数计算结果见表1和表2。
表1 800m2演播室夏季分层空调设计计算结果
| 空调风量 （m3/h） | 空调负荷 （kW） | 喷口直径 （mm） | 喷口数量 （个） | 通风量 （m3/h） |
| 40000 | 120 | 400 | 26 | 60000 |
表1 2600m2多功能厅夏季分层空调设计计算结果
| 空调风量 （m3/h） | 空调负荷 （kW） | 喷口直径 （mm） | 喷口数量 （个） | 通风量 （m3/h） |
| 100000 | 320 | 300 | 76 | 160000 |
图2和图3分别给出了演播室和多功能馆空调风平面和立面布置方式。图2所示为演播室和多功能馆送风管及球形喷口平面布置。图3所示立面图中，自上而下分别为排风、进风和送风管路与风口。送风和进风管道主要安装在空间环形走廊下部，排风管道吊装于顶棚下的网架内。
图2 800m2演播室和2600m2多功能馆风管平面布置
图3 800m2演播室和2600m2多功能馆风管立面布置
另外，由于本工程与一般的分层空调相比，没有下部均匀回风条件，且射流可能出现垂直交叉，使得工作区条件相对难以满足，设计的可靠度需要经过检验。基于此，笔者用一种大空间简易能量平衡分析模型检验了空调负荷，并利用CFD软件对设计的气流组织进行了验证。简易能量平衡分析模型为CFD模拟提供能量边界条件，CFD模拟时对几何条件进行适当简化。并结果表明，空调区的得热计算吻合较好，相差约6%；工作区的气流组织基本满足要求，人员区有明显回流，竖向气流能达到地面以上1.5 m左右。
4 几点体会① 国内外的大量模型实验和工程实践已经证明，在高大空间中应用分层空调技术能节能又能较好地满足工作区人员的热舒适条件。与全室空调相比能节约大量冷量和运行费用，因此是一种较为经济的方式。
② 分层空调技术体现了气流组织对空调负荷以至能耗的影响，合理利用气流组织，可以大大降低空调系统能耗。
③ 无下部回风或只有集中回风条件的分层空调理论上是可行的，但是需要借助CFD模拟等手段反复验证，以保证工作区良好的气流组织条件。
④ 实际条件下，为了兼顾下部各个区域人员，使得人员都能处于回流区，往往出现多股垂直交叉射流，如何设计这样的气流，有待进一步研究。
参考文献1. 满孝新.高大洁净厂房分层空调气流组织数值模拟.哈尔滨工业大学硕士学位论文.1998
2. 邹月琴，王师白，彭荣，等.分层空调热转移负荷计算方法的研究.暖通空调，1983，3（2）：11~17
3. 邹月琴，王师白，彭荣，等.分层空调气流组织计算方法研究.暖通空调，1983，3（2）：1~7
来源: 《建筑中文网》.原文网址：http://www.pipcn.com/research/200606/8560.htm
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