高大空間暖通空調通風系統的設計探討

文／何安良 江西省建筑設計研究總院集團有限公司 江西南昌 330000

引言：

隨著城市化進程的加速和建筑技術的不斷發展，高大空間建筑越來越多地出現在人們的生活中。這些建筑的特殊形態和功能對暖通空調通風系統的設計提出了特殊的要求。本文將詳細探討高大空間暖通空調通風系統的設計。

1.高大空間暖通空調通風系統設計概述

高大空間建筑的定義是指具有高大空間特點的建筑，如大型商場、體育場館、會展中心等。這些建筑的共同特點是空間高度較高，面積較大，人員密集，需要保持適宜的溫度和濕度，以及良好的空氣品質。因此，其暖通空調通風系統的設計需要充分考慮這些因素。

2.高大空間暖通空調通風系統的設計原則

2.1 滿足高大空間人員舒適性要求

暖通空調通風系統的設計還應著重考慮人員的舒適性要求。人員的舒適感受與空氣的溫度、濕度、清潔度等都密切相關。因此，系統的設計應通過合理的設計方案和技術措施，確保空氣品質的優良，提供適宜的溫濕度環境，并減少空氣中污染物和有害物質的含量[1]。

公式1 表示了空氣的濕度調節能力。其中C 為相對濕度變化率，T1 為初始溫度下的濕度值，T2 為最終溫度下的濕度值。通過這個公式，我們可以計算出在給定的溫度變化下，空氣濕度的變化百分比。這可以幫助我們更好地理解空氣濕度調節的過程和影響因素。

2.2 高大空間暖通空調通風系統設計考慮因素

2.2.1 建筑結構類型與特點

高大空間建筑的結構類型和特點對暖通空調通風系統的設計具有重要影響。這些影響包括建筑物的熱傳導性能、保溫性能、熱負荷和風荷載等。因此，在設計暖通空調通風系統時，應充分了解并考慮建筑的結構類型和特點。

圖1 暖通空調管道通風系統

2.2.2 氣流組織設計

氣流組織設計是高大空間暖通空調通風系統設計的關鍵。良好的氣流組織可以有效地提高系統的效率并提高空間的舒適度。設計時，應根據建筑的結構類型和特點，結合使用功能需求，對送風口、回風口的位置和分布進行精心設計。

圖2 暖通空調暖通實例圖

2.2.3 能源利用與節能

在高大空間暖通空調通風系統的設計中，應充分考慮能源利用和節能措施。可以利用可再生能源如太陽能、地熱能等，并采用各種節能設備和措施，如能源回收水箱、變頻控制系統等，以降低系統的能源消耗。

2.2.4 噪音與振動控制

高大空間暖通空調通風系統的噪音和振動問題也不容忽視。應選擇低噪音、低振動的設備，并采取有效的消音、減振措施，以減少系統運行時對環境的影響。

2.2.5 安全與可靠性

高大空間暖通空調通風系統的安全性和可靠性也是設計時需要考慮的重要因素。應確保系統在運行過程中的安全穩定，避免因設備故障等原因導致的不安全事件。為此，可采取一系列技術措施如冗余設計、自動監控等以提高系統的安全性和可靠性[2]。

2.2.6 經濟性與可維護性

高大空間暖通空調通風系統的經濟性和可維護性也是設計中應考慮的重要因素。應選用性價比高的設備、材料和技術方案，并考慮系統的可維護性和可擴展性，以便在系統運行過程中進行維護和升級。

2.3 合理選擇暖通空調設備及布置方式

2.3.1 制冷設備的選擇

高大空間暖通空調通風系統中的制冷設備應選用高效、低能耗、低噪音的設備。在設備選擇時，應充分考慮其制冷量、能效比、噪音等級等因素，并根據建筑的實際需求進行選型。

2.3.2 熱泵設備的選擇

熱泵是一種能夠從外部環境中吸收熱能并轉化為有用能源的設備。在高大空間暖通空調通風系統中，熱泵設備可以作為一種節能的方案。在選擇熱泵設備時，應考慮其制冷量、制熱量、能效比、噪音等級等因素，并根據建筑的實際需求進行選型[3]。

2.3.3 通風設備的選擇

高大空間暖通空調通風系統中的通風設備應選用高效、低噪音的設備。在設備選擇時，應充分考慮其排風量、風壓、噪音等級等因素，并根據建筑的實際需求進行選型。

2.3.4 空氣處理設備的選擇

高大空間暖通空調通風系統中的空氣處理設備可以包括空氣過濾器、加濕器、除濕器等。在設備選擇時，應充分考慮其空氣過濾效果、加濕或除濕效果等因素，并根據建筑的實際需求進行選型。

2.3.5 制冷設備的布置方式

制冷設備的布置應考慮到系統的制冷效果和能耗。在布置制冷設備時，應盡量將設備布置在建筑物的中部或上部，以減少制冷能量的損耗。此外，制冷設備的進風口應避免直接面對建筑物的出風口或大面積的玻璃窗，以避免熱空氣直接進入設備。

2.3.6 熱泵設備的布置方式

熱泵設備的布置應考慮到系統的制熱效果和能耗。在布置熱泵設備時，應盡量將設備布置在建筑物的中部或上部，以減少制熱能量的損耗。此外，熱泵設備的進風口應避免直接面對建筑物的出風口或大面積的玻璃窗，以避免冷空氣直接進入設備[4]。

2.3.7 通風設備的布置方式

通風設備的布置應考慮到系統的通風效果和能耗。在布置通風設備時，應盡量將設備布置在建筑物的下部分層或吊頂內，以避免擾亂氣流并降低噪音。此外，通風設備的出風口應避免正對人員活動區域或主要出入口，以避免影響人員舒適度和氣流分布。

2.3.8 空氣處理設備的布置方式

空氣處理設備的布置應考慮到系統的空氣處理效果和能耗。在布置空氣處理設備時，應盡量將設備布置在建筑物的中部或上部，以減少能量的損耗。此外，空氣處理設備的進風口應避免直接面對建筑物的出風口或大面積的玻璃窗，以避免空氣直沖。

2.4 優化控制系統，提高能源利用效率

2.4.1 能量管理

能量管理是優化控制系統的關鍵，其目的是實現能源的合理分配和有效利用。在高大空間暖通空調通風系統中，需要精確控制制冷和制熱量，以及濕度的調節，以達到節能減排的目的。

2.4.2 空氣流動控制

空氣流動控制是保證室內空氣品質的重要手段。通過合理控制送風和排風的比例和速度，可以有效地改善室內空氣質量，同時減少能源的浪費[5]。

2.4.3 人體舒適度調節

人體舒適度調節是高大空間暖通空調通風系統的重要功能之一。通過調節溫度、濕度、空氣流動等參數，可以滿足不同人員的舒適度需求，減少不必要的能源消耗。

2.4.4 室內空氣品質控制

室內空氣品質控制是高大空間暖通空調通風系統的核心要求之一。除了保證空氣的新鮮度和流通性外，還需要對空氣中的細菌、病毒等有害物質進行過濾和清除，以保障人員的健康和舒適。

2.5 考慮設備和系統的安全性和維護便利性

2.5.1 設備選型

設備選型是高大空間暖通空調通風系統設計的關鍵環節之一，需要充分考慮設備的安全性和維護便利性。在選擇設備時，需要考慮設備的性能、可靠性、安全性以及維護保養的難易程度等因素。此外，還需要根據實際需求進行設備的定制和選配，以滿足特定場景的需求。

2.5.2 系統布局

系統布局是高大空間暖通空調通風系統設計的核心環節之一，需要考慮設備和系統的安全性和維護便利性。在布局系統時，需要合理安排設備的安裝位置和線路的走向，以減少設備的運行風險和提高維護便利性。此外，還需要根據實際需求進行系統結構和控制方式的定制和選配，以滿足特定場景的需求。

2.5.3 控制策略

控制策略是高大空間暖通空調通風系統設計的關鍵環節之一，需要充分考慮設備和系統的安全性和維護便利性。在制定控制策略時，需要選用具有智能控制功能的設備并合理的應用智能控制技術對整個暖通空調通風系統進行優化調控。

2.5.4 維護保養

維護保養是高大空間暖通空調通風系統的重要組成部分之一，需要充分考慮系統和設備的安全性和維護便利性。在制定維護保養計劃時，需要定期對設備進行檢查、清理、維護和保養，以保證設備的正常運行和使用壽命。此外，還需要建立完善的維護保養記錄和故障處理機制，以便及時發現和處理問題。

3.高大空間暖通空調通風系統設計要點

3.1 負荷計算與設備選型

在設計初期，我們需要根據建筑的使用功能、空間布局等因素，對暖通空調負荷進行詳細計算。在此基礎上，選擇合適的設備型號，確保系統在滿負荷和部分負荷工況下都能高效運行。

對于高大空間的暖通空調系統，我們應特別關注以下幾點：

（1）人員密度和分布情況對冷熱負荷的影響；

（2）高大空間的外墻和屋頂的熱傳導系數；

（3）高大空間內設備和照明產生的熱量。

根據以上三點，我們可以得出以下公式：

其中，Q 為冷熱負荷（W），q 為人員密度（人/m2），t 為時間（h），a 為建筑面積（m2），ARV 為空調區域的空氣體積（m3）。此公式可以用于估算高大空間暖通空調的冷熱負荷。

3.2 氣流組織與溫度控制

高大空間的氣流組織設計是暖通空調通風系統的關鍵。我們應根據空間的形狀、尺寸和使用情況，制定合理的送排風口位置和尺寸，以及選擇適合的通風方式。

對于溫度控制，我們通常采用分層空調的方式，將空調區域劃分為不同的高度區間，分別進行溫度控制。這樣可以有效降低能源浪費，提高系統的能效比。具體來說，我們可以用以下公式來計算分層空調時各區間的溫度：

其中，T1 為各區間的溫度（℃），T0 為基準溫度（℃），ΔT 為各區間與基準溫度的差值（℃），a1 為各區間的面積（m2），a0 為基準區域的面積（m2）。此公式可以用于計算分層空調時各區間的溫度。

3.3 節能技術與智能調控

隨著技術的發展，越來越多的節能技術被應用到高大空間的暖通空調系統中。例如，地源熱泵技術利用地球表面的熱能，提供冷熱源；太陽能利用技術通過太陽能集熱器提供熱水或熱能等。這些技術的應用可以大大降低系統的能耗。

同時，智能調控技術如自適應控制、模糊控制等也被應用到暖通空調通風系統中。通過實時監測室內外環境參數（如溫度、濕度、空氣質量等），自動調整設備的運行狀態和參數，實現系統的優化運行。

在此可以引出另一個重要的公式：

其中E 為單位時間能耗（W），ΔQ 為單位時間內的冷熱負荷變化（W），Δt 為時間間隔（h）。該公式用于計算高大空間暖通空調通風系統的能耗。通過對比不同節能技術下的能耗情況，我們可以評估各種節能技術的應用效果。同時，智能調控技術通過實時監測E 值的變化并自動調整設備的運行狀態和參數（如改變空氣流量或改變加熱/冷卻設備的功率），可以優化系統的運行狀態并減少能源浪費。

4.高大空間暖通空調通風系統設計的關鍵技術

4.1 氣流組織設計

氣流組織設計是高大空間暖通空調通風系統設計的關鍵之一。良好的氣流組織可以有效地提高系統的效率并提高空間的舒適度。設計時，應根據建筑的結構類型和特點，結合使用功能需求，對送風口、回風口的位置和分布進行精心設計。同時需要考慮到風速、風量、溫度分布等參數以及室內人員的舒適度和健康需求。在設計中可以通過對氣流組織的模擬和分析來優化設計方案并提高系統的效率。常用的氣流組織模擬軟件包括Fluent、CFX 等。這些軟件可以模擬流體流動、傳熱傳質等過程并可以對模擬結果進行分析和優化。

4.2 全空氣系統與空氣-水系統選擇

高大空間暖通空調通風系統可采用全空氣系統或空氣-水系統。全空氣系統指制冷劑直接蒸發制冷，適用于大空間低負荷場所而空氣水系統指制冷劑通過載冷劑（水或乙二醇等）制冷，適用于負荷較高使用功能較復雜的場所因此在設計中應根據實際需求進行選擇全空氣系統具有簡單穩定性高的優點，但同時也存在能耗較高的問題。空氣-水系統雖然復雜度較高，但能夠更好地滿足復雜的功能需求，并且具有較低的能耗。在選擇系統類型時，應根據實際需求進行綜合考慮。

4.3 一次回風與二次回風系統

高大空間暖通空調通風系統可采用一次回風或二次回風系統。一次回風系統指新風與部分排風混合后直接送入室內，適用于小空間、負荷較輕的場所二次回風系統指新風與部分排風混合后再與室內空氣混合然后再送入室內，適用于大空間、負荷較高的場所。在設計時。一次回風系統具有較低的投資成本和運行費用，但同時也存在新風量不足的問題。二次回風系統能夠更好地滿足大空間的需求，但同時也增加了系統的復雜性。在選擇系統形式時，應根據實際情況進行綜合考慮[6]。

4.4 補風與排風系統

補風與排風系統是高大空間暖通空調通風系統的核心組成部分。對于補風系統而言，其主要目的是在保證空調區域微環境空氣質量的同時，防止空調區域的空氣氣壓波動，確保工作區的空氣流通。高大空間的暖通空調通風系統的補風量一般要大于排風量，這樣既能保證空間內的空氣流通，又能避免因冷熱不均造成的能源浪費。

在排風系統中，為防止倒灌和交叉感染等問題，高大空間的暖通空調通風系統應設置排風罩，并確保排風罩的吸入口低于室內排風口，同時需在排風口附近設置溫度傳感器，以便實時監控室內溫度[7]。

4.5 熱回收與節能措施

熱回收與節能措施是高大空間暖通空調通風系統設計的重要環節。采用熱回收技術可以有效降低空調能耗，提高能源利用率。常用的熱回收設備有熱回收環、熱回收盤管等。這些設備能夠將排風中的熱量回收，再利用，從而減少新風的加熱量，達到節能的目的。

在節能措施方面，除了選擇能效高的空調設備外，還可以考慮使用可再生能源，如太陽能、地源熱泵等。同時，通過合理的氣流組織設計，優化溫度和濕度的控制策略，以及采用自動控制系統等手段，都可以實現節能減排的目標。

結語：

通過本文的撰寫，旨在為設計師和技術人員提供一些實用的參考資料，同時，也希望通過我們的工作，能激發他們的創新思維，進一步優化高大空間暖通空調通風系統的設計。