分层空调节能技术

时间：2022-10-13 百科知识版权反馈

【摘要】：与全室性空调方式相比，分层空调夏季可节省冷量30%左右，能节省运行能耗和初投资。大空间建筑分层空调适用的气流组织形式常见的以下几种。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。分层空调设计中一般采用与送风口同侧的下部回风，当冬季送热风时，下部回风更为有利。

第四节　分层空调节能技术

随着当今经济的发展，人们对社会生活、文化发展和空间环境等有了更高的要求，高大空间建筑，如体育馆、展览馆、火会堂、影剧院、音乐厅、机场候车厅、高大厂房等，近年来发展迅速。高大空间建筑一般有层高高、室内体积大、外墙与地板面积之比较大等特点，其空气调节也具有其特殊性，如气流存在明显的分层现象，且垂直方向温度变化很大。对于这样的空间，如果要安装全室空调，其空调的耗能相当巨大。实际上，在这种高大空间中，需要空调的部位一般仅为下部2～3m高的工作区域。因此，可以采用分层空调的方式，即利用房间中部送风气流，将空间在高度上一分为二。气流的下方为空调区，利用合理的气流组织对其进行空气调节，从而达到满足工艺和人员所需要的温度、湿度要求。气流的上方(上部较大的空间)为非空调区。非空调区不设空调，可根据该区热负荷强度酌情采取一般通风排热措施或者不采取任何排热措施的调节方式，如图5－12所示。

与全室性空调方式相比，分层空调夏季可节省冷量30%左右，能节省运行能耗和初投资。实践证明，对于高度大于10m，容积大于10 000m³的高大空间，空调区高度与建筑物高度之比不大于0.5时，分层空调方式才经济合理，但冬季空调并不节能。

图5－12　高大空调分层空调示意图

一、常见的气流组织形式

在高大空间中，利用合理的气流组织仅对大空间下部的空间即工作区进行通风空调，而对上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常见的以下几种。

(1)带空气幕的双侧对喷下部回风。腰部带空气幕的双侧对喷喷口水平送风，下部回风加顶部排风方式，如图5－13(a)。该方式适用于有害物和烟尘少的场合，较适合冬季使用，部分阻止热气流上升，防止过大的温度梯度;夏季也可以减少上部热空气混入送风射流中，也可以不用空气幕。缺点是管道多，有时不好布置，能量消耗大。

(2)双侧对喷上、下部排风。中部送风下回风见图5－13(b)，中部送风下回风加顶部排风方式见图5－13(c)。

图5－13(b)中，空调区是100%回风，系统简单，但当建筑物不很高或上部围护结构做得较差时，向下转移热量较大。图5－13(c)的优点是上部非空调区的排风，不需要利用空调排风的冷量，气流没有交叉，空调区也是100%回风，适用于上部散热量较大时，由高侧窗自然进风，屋顶机械排风，以排除上部热量。但冬季应停止运行，因为冬季会加大温度梯度，耗热量增加，气流也交叉。

(3)双侧对喷上、下部排风中部送新风。高侧窗自然进风并辅以20%空调排风进入非空调区，屋顶机械排风，以排除上部热量，空调区是80%回风。气流组织形式简单，设备费较便宜，可以充分利用空调排风冷量排除上部热量，以及有利于有害气体和烟尘向上排走，减少对工作区污染。

图5－13　部分典型双侧对喷气流组织形式

(a)带空气幕的双侧对喷下部回风(b)双侧对喷中部送风下回风(c)双侧对喷中部送风下回风加顶部排风方式

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，就能存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。

图5－14　双侧对喷上、下部排风中部送新风

二、分层空调冷负荷

分层空调区得热所形成的冷负荷除了通过墙、窗等外围结构得热形成的冷负荷、设备、照明和人体等内部热源发热引起的冷负荷和室外新风或渗漏风形成的冷负荷外，还有热转移负荷。热转移负荷是采用分层空调后，当空调区送冷风时，上下两区因空气温度和各个内表面温度的不同而产生由上向下的热转移，由此形成的空调负荷称为非空调区向空调区的热转移负荷，它由两部分组成:一部分是由于送风射流的卷吸作用，使非空调区部分热量转移到空调区的对流热转移负荷，另一部分是由于非空调区温度较高的各表面向空调区温度较低的表面的热辐射，空调区各实体表面接受辐射热后，其中一部分热量以对流方式再放到空气中，形成辐射热转移负荷。因此，分层空调负荷计算的特点，除了要计算通常空调区本身得热所形成的冷负荷外，还必须计算对流和辐射的热转移负荷。详细计算，这里不再赘述。

至于冬季，则必须按全室采暖方式进行计算。特别是冬季在没有设置空气幕而且上下温度很不均匀时，则必须按照垂直方向温度梯度来确定上部的气温，然后计算围护结构耗热量。

三、设计要点

1.空调送风系统

送风口的安装高度和送风角度对气流组织的影响较大，送风口的高度决定了分层高度，它等于工作区高度与射流落差之和。侧送喷口高度宜距地4～5m;空调区宜采用喷口侧送，当空调区跨度大于18m时，宜采用双侧送风，回风口宜布置在送风口的同侧下方。

侧送多股平行气流应互相搭接，以便形成覆盖。双侧对送射流末端不需要搭接，按相对喷口中点距离的90%计算射程即可。送风口的构造，应能满足改变射流出口角度的要求，送风口可选用圆喷口、扁喷口和百叶风口，都是可以达到分层效果的。

带送风口的送风管，其长度尽量短一些，各个风口采用弧形调节板调节时，最长不宜超过40m。

2.调回风系统

分层空调设计中一般采用与送风口同侧的下部回风，当冬季送热风时，下部回风更为有利。回风口的形式与全室空调相同，回风口的吸风速度不宜过大，一般取1.5～3.5m/s。风口底边距离地面0.2～0.3m，回风口宜均匀布置且应邻近局部热源，尽量消除气流停滞死角，以减小空调区域温差。各个回风口的回风量宜进行调节，尽量利用回风支管接至总管处的三通风阀进行调节，不要用回风口上的百叶片进行调节，以免增大噪声。

3.应尽量减少非空调区向空调区的热转移

当空调送风方式一定时，非空调区向空调区的热转移量主要取决于非空调区的得热量和排热量，且随着上下区之温差的增大而增加。因此必要时，可在非空调区设置送、排风装置减少非空调区向空调区的热转移。例如公共建筑的中庭等高大空间应能利用自然通风排除上部高温空气，必要时设置机械排风装置。

4.非空调区进排风方式

非空调区设置通风是为了排除上部余热、降低上部空气温度和屋顶内表面温度，以达到减少非空调区的对流热转移和辐射热转移量的效果。大部分高大建筑物非空调区的得热，以屋顶与窗传入热量和玻璃窗辐射热为主。因此要求屋顶作良好的保温或作通风屋面，向阳玻璃窗还要考虑遮阳。

根据国内外实例，大多采用自然进风、机械排风。但按具体条件，也可采用机械进风、自然排风或机械进排风。

自然进风时常见的是高侧窗，进风面积应按计算决定，不宜开得太多，防止在上部空间形成穿堂风。也可利用采光窗进风，投资省。但存在窗户不易关严，进风位置与面积常受建筑设计的制约。若为机械进风，设计时应注意每个风口的进风量力求均匀，宜设在非空调区的适当高度处，该处的进风温度应小于非空调区同高度处的空气温度。进风口最低位置宜为非空调区高度的1/3处，以防止进风干扰空调区的气流组织。若使用轴流风机，尽量选用多个小型号的，布置均匀，还要注意风机噪声的影响。

非空调区的排风分为机械排风和自然排风。自然排风一般利用风帽或设置在靠近屋顶的高侧窗;机械排风可用轴流风机式屋顶通风器或调速式屋顶离心通风机，也可以专设排风管道布置在建筑物两侧屋面下，排风口均匀布置，向下偏斜45°角。夏季用作排风，冬季转为向下吹风，形成自上而下的垂直气流，迫使空调区热气流向下弯曲。当非空调区热强度小于4.2W/m³时，可不设进排风装置。上午得热量不大，上午也不必通风。

非空调区换气次数不宜大于3次/小时。有条件时可以充分利用空调系统多余的低温排风量(包括建筑物的其他空调系统)来排除上部空间热量，此时通风量可适当减少。

5.喷口送风

对于空间较大的公共建筑和室温允许波动范围要求不太严格的高大厂房，宜采用喷口或旋流风口送风方式。为满足射程的要求，送风速度和风口直径必然较大，送风速度以4～10m/s为宜，超过10m/s，将产生较大的噪声;送风口直径一般为0.2～0.8m，过大则轴心速度衰减慢，导致室内速度场，温度场的均匀性差。

喷口送风因射程长，与周围空气有较多混合的可能性，因此射流流量较之出口流量大得多，所以设计时可适当加大送风温差，减小出口风量。送风温差宜为取8～12℃。

考虑到体育馆等建筑的空调区地面有一倾斜度，因而送风亦可有一向下倾角。对冷射流α取0°～12°，热射流易于浮升，故倾斜度宜大于15°。

喷口高度一般较高，喷口太低则射流易直接进入工作区，太高则使回流区厚度增加，回流速度过小，两者均影响舒适感。

6.冬季减小温度梯度的措施

高大建筑物分层空调用于夏季节能效果显著，但用于冬季，却反而会加大温度梯度而使热耗增大，同时空调区垂直温度的均匀性也将变差，因此必须采取有效措施。如送风口送风下倾角度应大于30°，使送出的热风斜向下吹。送风速度应较大，送风口应做成活动式，便于换季时进行调节;回风口应布置在室内两侧下部，不应采用集中回风、上部回风或中部回风等。还可以利用垂直下送气流改变分层空调热射流流型，或者设置水平空气幕，阻隔热气流上升。

四、工程实例——南京会展中心展厅分层空调设计

1.概述

南京会议展览中心占地5km²，处于河西新区中央区的中心位置。一期建筑总面积181 660m²，分为展馆、会议中心、办公楼3个部分。其中展馆部分面积127 000m²，共6个标准展馆和3个登陆厅，每个标准展馆包括展厅、设备用房、办公会议室等。标准展馆中展厅平面为矩形，东西长160m，南北长72m，屋顶由两块高度从15～20m的坡屋面组成。

2.空调负荷及风量计算

(1)空调负荷计算。展厅平面尺寸为160m×72m，工作区高度为2m，坡屋顶高度15～20m。外墙在高度12m以下为砖墙，以上为双层玻璃幕墙。室外计算温度t_w= 35℃，计算日平均温度t_wp= 31.4℃，室内设计温度为26℃。围护结构传热系数分别为:外墙1.0W/(m²·K)，屋顶0.7W/(m²·K)，双层玻璃幕墙2.5W/(m²·K)，地板1.0 W/(m²·K)。

分层空调的冷负荷由两部分组成:空调区本身得热所形成的冷负荷和热转移负荷。前者包括空调区外围护结构冷负荷，内热冷负荷(人员、设备、照明等发热引起的冷负荷)，室外新风渗透造成的冷负荷;后者则包括对流热转移负荷和辐射热转移负荷。因此，分层空调的冷负荷可表示如下。

q_CL= q_1W+ q_1n+ q_x+ q_f+ q_d

式中: q_CL——分层空调冷负荷，kW;

q_1w——空调区外围护结构冷负荷，kW;

q_1n——空调区内热冷负荷，kW;

q_x——空调区新风渗透冷负荷，kW;

q_f——辐射热转移负荷，kW;

q_d——对流热转移负荷，kW。

计算中考虑展厅外围护结构密闭性较好，新风渗透冷负荷忽略不计，即q_x= 0。因此分层空调冷负荷的关键在于后两项热转移负荷的计算，计算过程如下。

1)确定分层高度h₁。射流作用距离为34m，计算射程X= 0.93×34m= 31.62m。侧送喷口由于展厅门高5m的限制条件，安装高度为7～9m，由气流组织确定射流落差为Y= 31.62m/4=7.9m≈8m，根据分层高度的计算公式如下。

h₁= h+ Y

式中: h为工作区高度，m，本工程为2m。可得h₁为8m。

非空调区的室内温度t₂:t₂=

式中: t₁——空调区计算温度，℃;

t_2d——屋顶下侧附近空气温度或排风温度，计算出t₂为32℃。

2)计算空调区和非空调区外围护结构冷负荷及内热冷负荷。根据分层高度，10m以下为空调区，以上为非空调区。采用谐波反应法分别计算空调区和非空调区的室内冷负荷(计算过程略)，得到空调区外围护结构冷负荷q_1w= 64kW，空调区内热冷负荷q_1n= 2 027kW;非空调区外围护结构冷负荷q_2w= 308kW，非空调区内热冷负荷(照明冷负荷) q_2n=77kW。

3)计算外围护结构内表面温度τ。空调区外围护结构全部为墙体，非空调区外围护结构在高度12m以下为墙体，以上为双层玻璃幕墙。外围护结构内表面温度用下式计算。

式中: t_n——室内计算温度，空调区为t₁，非空调区为t₂，℃;

K——外围护结构传热系数，W/(m²·K);

Δt_th——外围护结构综合温差(对于窗户，不包括透过玻璃的太阳辐射部分)，℃;

α_n——外围护结构内表面传热系数，W/(m²·K)，取8.7W/(m²·K)。

对于外墙或屋顶，综合温差Δt_th的计算公式为:

Δt_th= t_wp+Δt_fp+Δt_w－t_n

式中:Δt_fp——屋顶或外墙外表面辐射平均温升，℃;

Δt_w——屋顶或外墙“作用时间”室外温度波动部分的综合负荷温差，℃。

对于玻璃窗(或幕墙)，综合温差:

Δt_th= t_wp+Δt_k－t_n

式中:Δt_k为夏季室外逐时温差，℃。展厅外围护结构内表面温度计算结果见表5－9。

表5-9　展厅外围护结构内表面温度计算结果(℃)

注:a.对墙为Δt_fp，对窗为Δt_k

本列计算数值对墙为Δt_fp;对窗为Δt_k。

4)计算辐射热转移负荷q_f。辐射热转移负荷可用下式计算。

q_f= 0.5Q_f= 0.5×1.3×(∑Q_i，d+∑Q_F，d)= 0.65(∑Q_i，d+∑Q_F，d)式中: Q_f——总的辐射热转移量，kW;

∑Q_i，d——非空调区各个面对地板的辐射换热量，kW;

∑Q_F，d——透过非空调区玻璃窗被地板接受的日射得热量，kW。

式中: F_i——计算表面面积，m²;

ε_i，ε_d——计算表面和地板表面的黑度;

c₀——黑体辐射发射率，c₀= 0.0057kW/(m²·K⁴);

φ_id——计算表面对地板的辐射角系数;

T_i，T_d——计算表面和地板表面的热力学温度，K;

ρ_d——地板的吸收率;

J_i——透过玻璃窗的太阳辐射照度，kW/m²。

∑Q_i，d和∑Q_F，d计算结果见表5－10和表5－11。

表5-10　非空调区各个面对地板的辐射换热量计算结果

表5-11　透过非空调区玻璃窗被地板接受的日射得热量计算结果

将表中结果代入q_f计算式可得:

q_f= 0.65∑Q_i，d+∑Q_F，() _d=0.65×(39+126)=107(kW)

5)计算对流热转移负荷q_d。设空调区热量为Q₁，非空调区热量为Q₂，则

Q₁= q_1w+ q_1n+ q_f=64+2027+ 107= 2198(kW)

Q₂= q_2w+ q_2n－Q_f=308+ 77－1.3×(39+ 126)=171(kW)

空调区和非空调区的体积分别为V₁= 111 360m³，V₂= 86 400m³。由此可计算出空调区单位体积热量为，非空调区单位体积热量为0.002(kW/m³)。得排热量q=109kW。非空调区排热量:

Q_p=ρc_p G_pΔt_p

式中:ρ——空气密度，kg/m³，取1.2kg/m³;

c_p——空气比定压热容，kJ/(kg·K)，取1.01kJ/(kg·K);

Δt_p——排风温差，取3℃。

排风量按照展厅空间风量平衡取进入新风量的85%，得到G_p=107 900m³/h;于是可求Q_p= 109kW。设q_d为对流热转移负荷是非空调区热量Q₂的5%，则q_d= 0.05Q₂= 9kW。

6)分层空调冷负荷。根据前述公式，展厅分层空调总的冷负荷为:

q_CL= q_1W+ q_1n+ q_x+ q_f+ q_d= 64+2027+ 107+ 9= 2207(kW)

(2)风量计算。①系统分区。建筑设计时在展厅南北两侧分别设置宽度2m、高度6～12m的管廊，用于敷设空调送风管和其他设备管线，管廊下外墙有5m高的卷帘门。受门高限制，送风口下方无法布置回风管，回风口只能设于东西端面侧墙，高度4m左右。为削弱端面回风给气流组织带来的不利影响，同时考虑布展时展位的遮挡引起回流不均等因素，送风分为远、近两个区域，均采用球形喷口侧送(后称内区系统)。因展厅周边区不完全处于回流区，为减小室外气候对展厅空调的影响，在周边区另设空调系统处理周边区空调负荷，空调机组置于管廊空间，送风采用旋流风口沿周边区外墙向下送。展厅送风系统分区示意图，见图5－15。②风量计算。按照系统分区方法，周边区空调机组负责处理空调区周边外围护结构得热所形成的冷负荷，计算时需根据各朝向外围护结构空调负荷大小，设定送风温差，从而得到系统所需风量。