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暖通设计|高大空间空调系统和系统设计(带例题)

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高大空间暖通空调系统

现在很多大型的建筑一般具有高度高、体积大等显著特点。一般的大型建筑高度都在10 m 以上,有一些体育场馆的高度更高,达到30 m 以上。这些大型建筑具有如下特点:

(一)高度较高,在空间上形成温差梯度。建筑外墙面积与地面面积比差异大,室内气流易受外界影响。

(二)人员聚集,使用时间集中,诸如影剧院、多功能会议中心等对舒适度提出了较高要求,空调冷、热负荷分布不均匀。

(三)具有多个功能区域,对于不同功能区域的环境空调负荷要求不一。

例如,剧场舞台外墙上外窗少,夏季围护结构的冷负荷相对小,观众厅密集,新风量大,导致冷负荷较大;而舞台区域人相对不多,冷负荷主要来自电气设备发热、灯光照明;剧场办公、休息区域等与一般办公楼一样,采用一般的空调系统即可。

又如,体育场馆人员、灯光照明、设备等散热量占总冷负荷约70%,新风冷负荷约20%,其余为围护结构。设计时应根据功能不同划分不同区域,分别计算其制冷负荷,选择更加合理的空调系统。

01高大空间暖通空调设计的难点

(1)高大空间建筑设计往往需要有单独的热源,以满足空调、采暖、制冷、热水供应等方面的需求。由于用地紧张和其他一些原因, 很多高大空间建筑需要在地下室或屋项上设置锅炉房,这使得高大空间建筑的热源设计变得更为复杂。

(2)高大空间建筑往往高度较高,这也加重了采暖系统的垂向失调,同时由于系统水静压力较大,直接影响到室外管网的水力工况,其系统的形式及与室外管网的连接与多层建筑有较大差异。

(3)高大空间建筑的空调设计气流组织因温度梯度较大,需采用合理的送风方式。上送下回方式为从顶棚送风下部回风,现工程多采用可调节风量和射程的风口,提高冬季的送风风速。侧送下回方式送风口高度大多在3m左右,需要结合建筑装修设计布置风口位置以达到室内美观,同时需要精确的空调气流组织计算。

02冷热源的选择

由于高大空间空调系统的特殊性,所以要独立设置冷、热源。如果区域内设置有区域供冷、供热站时,为了合理利用资源,要多利用区域供冷、供热站。

对冷热源的选择,可以采用常规的电动压缩式制冷机组、直燃式制冷制热机组、集中式换热站和锅炉房,且风冷热泵机组可以做为辅助热源来使用。

在确定冷热源方案时应结合当地资源的特点,从经济性、安全性等方面进行论证。由于此类建筑均属于人员短期密集,辅助房间(如办公、对外营业场所等)面积占整个建筑面积的比例很小,人员负荷、灯光负荷、新风负荷占空调冷负荷的大部分,而且该部分负荷变化大,在选择机组台数时,应考虑以下几点因素:

(1)使得机组的台数应能满足负荷的变化要求;

(2)人员数量变化大,新风负荷变化大;

(3)不举办活动时,只有对外营业场所以及少量的办公等辅助用房需要供冷或供热。

系统设计

01.上送下回全空气空调系统

在这套系统内,在上方的网架空间内或在顶棚安装有送风口,在侧墙或者下方座椅旁边设置回风口,可以从上到下把气流输送到人员区域内,并由回风系统将其排出。

机械集中的排风系统应放置在舞台空间的顶部或上部。设计过程中要注意,热、冷源需在距离地面大概两米的人员停留区域,气流的平均风速为0.2 ~ 0.5 m / s,而送风口的风速一定要小于等于10 m / s。

旋流风口或喷口是上送风系统中的主要适用风口,主要特点是大风量、低噪音、风速可控、射程远、稳定的阻力特性,所以很多空间很大的建筑会使用旋流风口。该风口不仅可以安装在如会议室等层数较低的楼层,而且也可安装在体育馆、厂房、机场等层高很高的地方。

空气处理完后会被上送风系统运送到各个不同的地方,以满足各种不同的需求。

然而,有利就有弊,该套系统与其他系统相比会消耗更多资源,且由于热空气的进入会使人员区域内的空气质量相对较差,不利于健康。所以,设计过程中,不仅要考虑环保,更要在环保的基础上选择性价比较高的系统。

02辅助房间内系统的设计

在许多大型的公共建筑内部,通常会有一部分辅助房间,如会议室、贵宾休息室、机房、器材室等。这些辅助房间的功能、构造、部位、环境、使用条件与主体部位不一样,所以对辅助房间的空调系统要单独设置节约能源。

辅助房间的系统有加新风系统、恒温恒湿系统、多联机系统等可以选择。

选择好之后,要按照房间的使用时间和功能的不同来区分控制,同时也要与主系统区分,以节约能源,达到最好的效果。

03采暖系统

现在的高大空间公共建筑使用的次数一般较少,大部分时间都在闲置中。

相对来说,更为寒冷的北方的大型建筑在冬季一般会采用以空调采暖为主、地暖或者散热器等其他采暖方式为辅的采暖方式。

建造时,几种不同的采暖系统不能设计在一起。建筑在平时不使用时,关闭主系统,只使用辅助取暖,辅助取暖的温度一般为5 ~ 10℃。开始使用后,同时开启两种系统共同采暖。地暖也就是地板辐射采暖的原理是利用热辐射来达到采暖的目的,相对比较舒适。

所以,在一些需要高温度的场所采用地暖系统更为合适。地暖系统中,供回水的温度不高,约45 ~ 55 ℃。地暖在建造时,为了达到最好的效果,从中间到外围应该逐渐增大管道的距离。

04下送风空调系统

在大型建筑的大厅内,因为使用频率低、空间大且人多,对噪声的要求很严格。这种类型的大厅一般要使用下送风空调系统。送风口建造在座椅下面,顶棚会建造回风口。

为了使使用者更加舒服,送风口送的风温差小于5 ℃,以4 ℃为宜。在送风口旁另设送风道,并有一定的防火措施和降低噪音的措施等。

采用该系统,大厅温度会从下到上逐渐提高,各方面的指标都很好,非常适合电影院的观众厅。

不过要注意,送风口距离前面观众手肘处的距离在一米之内,从舒适度方面考虑,一定要严格控制观众所在区域的温度和空气流速。

05分层空调系统

特点:该系统是利用更为合适的气流对建筑的工作区域、非工作区域除外,进行适当的处理,在空间的中部设置高速喷口来作为工作区和非工作区的分界线。该系统的回风口在送风口的一侧靠下位置,比其他系统更加节省能源,降低了20% ~ 40% 的能耗。

该系统的气流组织:恻送下回是使用最多的方式。在建筑周围的墙上设置送风口,按照一定角度开始送风,初始风速为6 ~ 12 m / s、送风温差为8 ~ 12 ℃。

当射流落下时,低速通过工作区域,此时风速为0.2 ~ 0.5 m / s 左右。为避免其他的物体档风,应在四米之上的高度设置送风口。设计时的注意要点:

  • 因为送风口的设置点比工作区域高得多,喷口喷出的气流正常情况不可能到达工作区域。为了使回流风到达工作区域,需要在喷口的同一侧面设置回风口,使系统能够达到使用的需要。
  • 由于高大空间建筑的空间跨度较大,应该使用两侧送风回风或者单侧送风回风等形式进行设计。
  • 计算冷负荷时,一定要注意到非工作区域对工作区域的热对流以及热辐射所产生的冷负荷,并采用分层计算的方法计算冷负荷。分界层的高度越高,下层的空调区域就越大,所以冷负荷就会越大。对热负荷进行计算时,应该使用全空间计算的方法。
  • 当该系统使用侧送风时,因为空调所动的风射程较远、所送气流温差较大等原因,会造成该系统制热过程中热空气的抬升及该系统在制冷时内部冷空气的下降等现象明显。
  • 解决的方法有换送风喷口,选择一种可以根据要求随时调节的喷口,在该系统使用的不同时间段内,按照不同的要求调整喷口的送风位置,同时喷口的筏形应该使用可以自配风量的类型,按照使用时间的不同和对风速要求的不同,不断调整风量,达到任何时间都能满足人员需要的要求。
  • 当该系统的覆盖范围大于30m 时,可以在不同的高度位置上设置多个喷口来满足需要。较高位置的喷口可以把风送到更远的区域内,位置较低的喷口可以负责近处的区域,从而实现对整个区域的覆盖。
  • 将排风系统设计在非工作区域的上部分,以排出工作区域发散出来的多余热量。
  • 同时,可以将上部分位置的温度调解下来,减少非工作区域与工作区域的热对流以及热辐射所造成的不必要麻烦,从而保证该系统的顺利工作,使其达到指定的环境要求,同时使其所在的建筑有一个良好的工作环境。分层空调系统具有很好的节能性、安全性、环保性,是一套相当好的系统。

目前,该系统已经运用到更多的高大空间建筑。

06新风热回收系统

对于人员密集、设备散热量高的大型场所,如体育馆、剧院、礼堂等,新风热回收系统的应用效果非常明显。

冬夏季节空调系统的运行主要是启动空调机组、关闭排风机,以确保室外新风可以先在空气热交换机组内和室内排风系统中得到充分的热交换处理。后经过空调机组处理运输至观众厅,使室内排风系统的余热量充分利用,有效降低空调机组能耗。

春秋季空调系统的运行主要是启动排风机、关闭空调机组,室外新风直达观众厅,开启全新风模式可提高室内新风量,改善人体的舒适感,降低空调系统能耗。

该系统提高了空调系统余热量的利用率,降低了系统能耗。设计时要严格防止冬季设备使用时被冻坏,严格控制排风温度不低于5 ℃。

1、体育馆、礼堂等属于人员密集、设备散热量大的场所,过渡季节仍然需要空调降温。室外进入的新风和部分回风混合后,经过滤、冷却或加热处理后送入比赛大厅。面积大的场馆划分多个通风空调系统区域,便于系统调节以及能量控制。辅助房间如贵宾室、休息厅、工作人员用房、服务用房可采用风机盘管加新风系统。

2、一般来说,高大空间建筑物的使用率不高,闲置时间较长。在采暖地区,为节能和便于管理,采用空调送热风与散热器值班采暖相结合的方式。值班采暖温度按5℃或1O℃考虑,开展或举办活动期间,由空调系统补充不足的热量。

3、高大空间建筑物多数为轻型结构,外围护结构多采用玻璃幕墙。因此,要注意维护结构表面结露问题。从节能和满足卫生要求的角度,暖通专业给建筑师提出围护结构的最经济传热阻。同时,设计热风幕系统, 自上而下或自下而上对玻璃幕墙表面进行加热。

4、气流组织的选择应根据建筑物的类型、结构形式。体育馆、礼堂屋项结构形式多为网架或桁架,层高≥10m,体育馆屋顶最高点可高达25m。体育馆的气流组织一般为高速射流顶送或侧送、座椅下回风或场地下回风、项部排风;礼堂的气流组织一般为喷口或旋流风口或散流器项送、场地下回风、舞台上空排风。

5、空调机房的布置应以施工安装、管理维护方便,管道布置合理经济为原则。机房作为空间系统的核心部分,其位置的选择、面积的大小直接影响到系统的合理性以及使用效果。每个空调机房所承担的空调系统的面积不宜过大,宜控制在500m2以内,这样可以避免系统风量过大,管道尺寸合理。而且应尽可能靠近空调房间、靠近外墙,远离振动、噪声要求高的房间,便于送、回风管、进、排风口的布置 同时应避免布置在建筑物的核心筒内。机房的高度应按空调机组的高度以及风管、水管、电器桥架以及检修空间决定,一般净高控制在4~6米,否则会给施工安装、运行管理带来诸多不便。

噪声与振动

礼堂对噪声振动要求很高,因此,通风空调系统的设计应慎重考虑消声减噪、减振问题。风机、空调机组、冷水机组、水泵是噪声源与振动源。设计中,应注意以下几个问题:

(1)尽量让设备用房远离噪声要求高的房间;

(2)选择质量好噪声低的空调设备、消声效果好的消声设备,同时消声设备的风速不宜太高,消声器应靠近出机房的位置;

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(3)设减振垫、软接头等减振措施;风机的风压应经过计算后确定,要控制风管、风口的风速,避免风口风速过高而产生二次噪声。

MX空气分布系统是柔性的材质做成,本身不会产生噪声并且可以通过柔性的管体材料吸收一部分由风机传来的声音,非常适合用在这类场所。

伴随社会发展,大空间公共建筑越来越多,其暖通空调设计往往比较复杂,需要针对其特殊性和难点,综合考虑多种因素,才能做到科学合理。

常用风口的设计选型与比较

我们在实际的工程项目设计施工过程中,常常会需要对类似车站和机场的候车厅、体育馆、大型展览馆、装备车间等高大空间的空气气流组织进行设计和选型。那么研究和讨论根据已知条件来合理地设计和选择空气的气流组织以及各类送风口的问题就变得现实和需要了。为此结合实际的工程项目设计和应用的结果,讨论以下关心的问题:

01.高大空间的送风口布置形式

对于高大空间送风口类型的选择和布置,一般而言,高大空间的空气气流分布形式较多采取上送风下回风的形式,与其对应的送风风口的布置形式常见的有顶送风和侧送风二种。对于选择顶送风时,常常选择可变旋流风口。而选择侧向送风时则多选择球形喷口或鼓形喷口,且可以考虑从二侧同时送风的布置形式。根据空间内热湿处理要求,无论考虑选择哪一类送风口,其风口都应具有夏季工况(即送冷风)、冬季工况和过渡季节这三种不同的送风方向的要求。以下结合我们的工程实例讨论如下:

1.1侧送风布置形式的风口设计选型

1.1.1已知条件

某体育馆所,其长66m宽52m有效层高22m其容积为:75504m3,设计容纳人数为:7000人.夏季室内要求温度27℃±2℃,冬季室内要求温度17℃±2℃;夏季送风温度16℃,冬季送风温度26℃;设计冷负荷为:1050KW,设计热负荷为:875KW,即已知夏季送风温差为11℃,冬季送风温差为9℃,由建筑具体结构的设计决定可设置风口的安装高度为:12.2m.送风口考虑采取二侧上送风下

回风布置形式。要求所有送风口具有根据季节送风温度的变化自动调节送风角度的功能。

1.1.2设计选型

根据已知条件可按图1所示:

风口选型程序作出下列选择:

1):送风量Q确定:

Q=G*cp*⊿t

夏季送风量:283528m3/h;

冬季送风量:288779m3/h;

式中:G为送风量,kg/s;

Cp为空气的定压比热;⊿t为送风温差,℃;

综合考虑系统可能的漏风和峰值负荷后,

可选定送风系统的最小额定风量为:297000m3/h。

1.1.3选择确定喷口型号、规格和数量

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本例是属高大空间送风系统,所选择风口应具备送风射程远、单个风口的送风量大、安装调试方便、风口工作时噪声低等要求,为此选择的风口类型为鼓形喷口,鼓形喷口的的型号规格为:FK-GP/W/750*250;

图2鼓形喷口产品照片

其单个鼓喷的流通面积为:0.112m2;

单个风口的设计送风量为5940m3/h;

风口合计数量为:50个。

即沿着体育馆长度方向的间隔为2.5m,在

沿体育馆长度方向二侧布置鼓形喷口。

其主要技术参数,包括送风距离、夏季和冬季的送风转角值、噪声值评估、鼓形喷口内阻等;

具体的设计计算符号如图3所示:

图3 温度感应自动调节控制的鼓形喷口布置图

1.1.4主要技术参数复核计算

(1) 水平送风距离x:

根据等温自由射流轴心速度衰减的计算表达式:

Vx/Vo=0.48/〔(ax/do)+0.145〕 (1)

式中:Vo 为鼓形喷口出风口断面的平均风速,m/s;

本例的Vo值为:Vo=5940/(3600*0.1125)=14.66m/s;

Vx 为射程达x处的射流轴心速度,m/s; 按照一般的使用要求其计算射流断

面处的速度(也就是末端风速)取值为0.5m/s;

X 为射流断面到鼓形喷口出风口的距离,也即送风距离,m;

do 为鼓形喷口的当量内径(也就是气流的流通当量直径)

do=4*流通面积/2*鼓喷内周长;本例do为0.250m

a 为鼓形喷口的紊流系数,其值反映了鼓形喷口在送风气流所在各断面上的

速度不均匀程度,由鼓形喷口的结构、几何形状、表面粗糙度等因素来确定.对于各种射流风口而言,紊流系数值一般由实验测试而得。

附表一为由苏州市创建空调设备有限公司提供的温度感应自动调节控制的鼓形喷口、球形喷口紊流系数的测试值,可以在工程设计中加以引用的。

表1 常用射流风口的紊流系数实验数值

将以上数据代入上述表达式(1)有:

0.5/14.66=0.48/[(0.138*X/0.250)+0.145]

求得:x=25.23m此值即为送风末速度为0.5m/s时的送风水平距离L。

(2)冬季工况和夏季工况需要自动调整的送风角度的校核

1)冬季工况

此工况是送热风,根据已知条件安装高度为12.2m;考虑人员的温度感受高度(一般取值为1.7m)后。已知气流从鼓喷送风出口到末端风速处的高度实际落差为:10.5m.(图3所示的H尺寸)这样送热风夹角

α2为:

α2=arcsin(H/L)=24.58°;为了稳妥起见建议送热风转角设定值为25°.

2)夏季工况

此工况为送冷风。鼓形喷口安装高度到屋顶距离为9.8m,考虑到实际结构布置

情况(上方灯具照明等因素),我们设鼓喷送冷风时向上的转角为10°。

此时从图3可以看出,二股送冷风的等温气流交点到喷口安装位置的距离是:H2=L*sin10°=4.38m

2.1.5非等温送风气流情况下对送热风时的射程值影响分析

由于空气的送风温度和室内使用温度之间存有温度差,这样射流气流与其周围空气接触混合时,由于温度的差别而使他们的密度也不同,即气流所受浮力与重力不相平衡而将会发生弯曲。出现冷射流朝下曲,而热射流朝上弯曲。对于实际的工程项目而言,由于其影响不大,所以通常都作忽略处理。

2.1.6鼓形喷口内阻值评估

在风管系统设计和调试时常需对各类风口的局部阻力值有一个要求,以利于系统风压的平衡设定和调整。鼓形喷口是一种矩形射流风口,其流通阻力主要是以局部阻力的形式存在。通常流通阻力可以下式表示为:

Hd=ζ*V*V*ρ/2 Pa

式中:ζ为鼓形喷口的阻力系数,由实际检测确定;可取值为0.9

V为设计风量下空气流经鼓喷内腔时的流速,m/s;

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ρ为空气的密度,取值为1.2;

这样本例鼓喷的内阻值为:0.9*14.66*14.66*1.2/2=116Pa,由此可见,在单个风口的风量、射程要求都较大时,鼓形喷口的内阻值是相当小的。

2,1.7鼓形喷口噪声值评估

高大空间内允许的噪声值根据使用场所的差别,会有不同的要求,一般允许的噪声值在50dB(A)~60dB(A)范围,为此通常在设计和选择送风风口时应该对所选风口的再生噪声值作设计计算评估。本例结合工程项目中实际测量到的噪声量值,作具体的分析如下:

鼓形喷口噪声修正曲线 图4

气流流经鼓形喷口所产生的再生噪声的声功率级可按下式计算:

Lw=10lgA+algv+b dB(A)

式中:

A 为鼓形喷口的流通面积,m2;

V 为鼓形喷口出口风速,m/s;

a、b为实验常数,图4为由苏州市创建

空调设备有限公司提供的鼓形喷口的algv+b的修正曲线图。根据以上的数据空气在流经鼓形喷口时所产生的再生噪声值为:

Lw=10lg0.1125+68.5=59 dB(A)

为了能更准确的了解和评估实际使用场所的噪声在各个倍频程下的声功率级的量值,通常可以采用以下列表所示修正值,来对鼓形喷口在各个倍频程下的声功率级进行修正:

表2 鼓形喷口倍频程声功率级修正值及修正结果 dB(A)

03采用温度自动感应鼓形喷口的主要优点

对于高大空间送风气流的组织要求,当需要考虑根据季节的变化而对送风方向有相应调整要求的项目来说,传统的设计方案常采用由人通过电控平台给电动执行器输入信号,由执行器动作来改变送风口送风的选择角度来达到夏季工况气流朝上送而冬季工况气流朝下送的使用要求。和传统的设计配置方案相比,本项目所选择配置的温度感应自动控制鼓形喷口具有以下主要优点:

3.1采用温度感应自动控制的鼓形喷口,就无需由人员来发出信号,能实现随着季节的变化即送风温度的变化使鼓形喷口能作相应的调整并具有自动调整送风角度,即实现夏季朝上送冷风,冬季朝下送热风的功能要求。这在客观上降低了对使用管理的要求和管理人员配置的要求。

3.2由于鼓形喷口上配置了温度感应器,风口能自动识别送风温度(即是送冷风还是送热风)并通过鼓喷所附的传动机构将温度感应器的直线位移放大和转换成鼓形喷口的选择运动。所以整个使用场所可以在没有电源的条件下实现正

常的调整工作。完全不需要在安装过程中布置安装所以风口的连接电线和相应的电动控制设备。大大节约了安装的费用和时间,使整个项目的造价大为降低。

3.3 由于温度感应器是一个密闭的类似油缸活塞装置,其动力来自感应器内部媒体随着温度变化而发生的体积变化所形成的运动位移量。这种媒体的物理性能稳定,且感应器运动和位移都十分平稳。在正常情况下每年四季变化一次,也就是说每年鼓喷的转角只需变化调整一次,所以从苏州市创建空调设备有限公司提供的实验报告的数据分析,其温度感应自动调节控制系统在正常使用条件下可以达到10年免维护的水平。


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