浅析高大空间空调系统设计及其二次深化必要性应用

引言

本文论述的高大空间主要指一般民用建筑中高度大于5m、体积大于1万m3的空间,主要包括影剧院、音乐厅、大会堂、体育馆、展览馆、候机厅、商业中庭、酒店大堂及宴会厅等。随着我国社会日益增长的美好生活需要和不平衡不充分的发展之间的矛盾的变化,民众对高大空间提出了健康、美学、舒适、环保、节能等创新要求。同时,随着EPC工程管理体系的大规模项目运用,伴随着咨询顾问公司的专业化、内装美学造型的二次深化,必然产生工程中相关专业的二次深化设计要求。

1高大空间空调特点

(1)高度都在10m以上,容易形成温度梯度。对建筑空调区域采用分层空调系统化设计,一般仅对室内下部空间进行空调设计。有些方案要考虑可行性,比如商业中庭到了顶层层面依然是一些餐饮等商铺,部分排热方案无法实施。

(2)外墙面积与地面面积比大,外界面对室内自然对流影响大,冬季四壁有下降冷气流。根据ADPI(空气分布特性指标)配置合适气流组织和采用不同的有效的空气分布器完善。

1)气流组织的选择要注意不同负荷率对空调送回风方式的选择。

2)空气分布器的选择(根据日本井上宇市教授分析送风方式)如表1所示。

(3)室内人均体积大,可采用较小换气次数,一般控制不大于6次/h。根据不同的建筑特性、人数情况而定,不能一味根据经验值上限去计算,比如日本东京都体育馆换气次数仅有1.2次/h,而大阪府立体体育馆则达到了4.5次/h。

(4)造型和使用功能多样化:美学考虑导致建筑单体外形不规则化,单体的功能区域划分更加细化。根据多功能、多分区,通过不同区域、不同时间段控制相应的温湿度设计要求。根据存在的温度不同特性,采用多台空调箱或系统支路上设置温控以控制送风温度。

2高大空间空调设计节能措施

(1)负荷指标很多按照概算指标进行计算,数据或大或小,比如北京中国剧院冷负荷指标为180w/m2,而福州人民剧场冷负荷指标为389w/m2。故应针对具体项目进行详细计算,尤其是分层空调负荷,其含有两个负荷:一是空调区域本身的负荷,二是高大空间中上下区域温差产生的对流热和辐射热转移部分的负荷。有条件的可进行模型实验及数值模拟。

(2)室内设计温度提高,通过加大室内回旋气流补偿舒适度要求。

(3)应考虑节能减排要求,因地制宜利用区域优势选取冷热源。比如,夜间削峰填谷电价采用冰蓄冷系统供冷,电厂废蒸汽热媒换热作为供热热源,直燃吸收式冷热水机组作为冷热源,充分利用北方冬季集中供热的有利条件等。为减少冷热负荷消耗,可适当利用热对流,通过热压作用强化自然通风效果:敢于创新利用新能源,包括土壤、雨水和太阳能的利用,比如太阳能供热系统获得热水经过辅助加热后就可以作为吸收式制冷机的热源而提供冷量。

(4)对大空间大送排风要求的可设置转轮全热交换机组(空气流入转轮前应经过滤处理,以免污染转轮),可使新风从总负荷组成中下降10%左右。

(5)对新风量的控制:根据实时人的多少,可通过回风系统中设置二氧化碳浓度传感器来控制引入新风量:加强空气循环过滤能力,可使新风量降低,从而节约负荷(比如美国乔治亚体育馆通过设置静电过滤器,新风量由25m3/人·h减少到8.5m3/人·h)。

(6)高大挑空玻璃和双膜结构高位设置可自动启动的遮阳措施,减少负荷负担。

3高大空间二次深化设计的必要性应用

高大空间的二次深化设计指在业主或各专业设计顾问提供的条件图或原理图的基础上,结合二次建筑环境(内饰及家具、设备等)的变化以及内装设计要求,配合施工现场实际情况,对系统进行优化、补充和完善。高大空间的深化设计的依据除了各专业提供的图纸、国家规范及顾问和管理公司要求外,大量的计算复核必不可少。只有在深入分析这些要求的基础上,才能更好地进行二次深化设计,指导施工,保证满足功能要求。以下结合笔者实施过的高大空间(商业中庭、酒店中庭等)项目经验,浅谈相关一次设计基础上二次深化设计的必要性应用。

3.1负荷二次参数计算复核

(1)根据二次内装建筑环境的变化,对负荷进行计算复核,为最终采购选型合适设备提供可靠依据。

(2)由于二次建筑环境的变化以及针对施工指导进行的BIM设计及综合管线设计,路由的实际布置会不同于原设计,故对水泵和风机的机外余压需进行实际计算,保证设备选型采购无误。例:湖南湘潭中心项目原设计对水泵和风机设备尤其是空调箱的机外余压均估算为600Pa,后续二次深化水力计算调整压头,为系统和功能达标提供了可靠依据。

3.2对建筑环境变化

较大区域进行二次空调系统优化设计含气流组织的优化,空气分布器类型、位置和数量的变化,对高大空间温度梯度严重的热空气上部滞留的控制,声学噪声控制等,从而满足不同区域的美学和舒适性需要。

案例:郑州冰雪城堡酒店项目,酒店宴会厅结构层高17.5m,设备结构转换层空调为2.8m(含梁),内空间中间玻璃穹顶净高13.9m,四周区域净高8.35m。图1为设计建筑环境立面,图2一次设计空调方案考虑了暖通空调措施:冬季采用地暖满足供暖要求,夏季采用定风量全空气系统,气流组织采用上送集中下侧回,高位设置机械排烟。

二次内装及相关顾问公司跟进建筑环境变化(图3),并与内装及造型美学、噪声、舒适性等要求配合,暖通空调系统二次设计调整如下:

(1)对夏季空调气流组织的调整:考虑原旋流喷口形式对天花整体线条造型影响较大,取消旋流风口,采用条形风口上送,为了满足射流要求,采用妥思条形风口。同时,对回风系统进行调整,采用40%上回风,配合装饰面立柱设置60%下部回风夹墙回风,避免了原方案的气流短距离短路,从而满足了舒适性要求,具体如图4所示。

(2)玻璃穹顶高位区域温度梯度严重的热空气上部滞留对负荷影响的控制:结合排烟系统将穹顶高位侧边排烟风机调整为双速风机,小风量排风用于高位热负荷的控制,以减小对室内负荷的影响,过渡季节可用于自然通风换气,同时增设补风,如图5所示。

(3)空调系统的噪声控制:此项目宴会大厅、宝座大厅等高大空间一次设计对全空气系统通常根据经验增加ZP100型消声器,一次设计阶段设备采购无法确认,故未能对噪声不同频率进行噪声量计算。由此在设计和选择消声设备时,根据相关噪声特性,对各个频率噪声量进行计算,选择负荷、频段都满足要求的)音设备,以达良好的效果。根据二次建筑环境的变化及声学顾问提出的dB(A)控制标准进行计算,现对计算方法简述如下:

空调通风系统噪声为气流噪声、风机噪声、自然衰减及噪声的能量混合,需要对每个倍频的中心频率进行分别计算,得出相关频率下噪声后与要求的噪声NR曲线比较得出消声量。

式中,ΔL为选择)音器的)音量:ΔL1为设备噪声衰减剩余值:

ΔL2为房间计算允许噪声值。

式中,ΔLe为由厂家技术资料查明的相应频率下的设备噪声值:As为风系统的局部(变径、三通、阀门、风口等)气流噪声衰减:45为直管段的气流噪声衰减。

表2展示了如何计算气流衰减。

ΔΣ根据de(当量直径)查表3。

式中,L3为允许噪声级,根据NR曲线与A声级关系表查出对应频率下的噪声值:L0为传入房间气流噪声值,L0=系统最后点气流噪声-房间衰减量ALf。

对系统的每一段进行标号,如图6所示。

0一1段变径管气流噪声L0-1=A+B1g⑦-3K,0一1段的自然衰减AL0-1=101g[(1+m)2/4m],其中m为变径前后截面积比。

1一2段直管段气流噪声L1-2=LwC+501g⑦+101gs+K,其中K为倍程修正,如表4所示。

1一2管段自然衰减AL1-2可通过表3查得。

此时0一1段产生噪声经过1一2段混合,则可计算出2点的混合量:

式中,0为风口指向性因素;r为风口与房间内某点距离;a为房间内平均吸声系数;F为房间总面积。

气流噪声计算公式如表5所示。

4结语

关于高大空间空调系统的设计很多还是建立在经验基础上的,人们期盼着能够建设更多功能合理、质量上乘、环境舒适的公共活动空间,对于这些空间的环境设备也在健康、舒适、能源有效利用和地球环境保护等方面提出了要求,随之而来的是二次深化设计的必要性应用,当前的空调系统如何适应这种需要,是现代大空间建筑的设计、运行、管理者们应重视的问题。