雷彬
（中铁第四勘察设计院集团有限公司，430063）
【摘要】本文在相关理论指导及多年的实践工作经验基础上，通过简单论述国内外对分层空调的研究动态、分层空调应用于高大空间建筑特点、分层空调的负荷计算与气流组织形式，旨在分层空调在满足空调区域舒适性要求的同时，最大限度降低其高大空间建筑的耗能，节省运营成本，对分层空调在高大空间建筑的应用有一定的借鉴意义。
【关键词】分层空调;高大空间;气流组织;应用
【Abstract】Inthispaper,thetheoryofguidanceandmanyyearsofpracticalexperienceonthebasisofasimplediscussionofairconditioningathomeandabroadtostudythedynamichierarchical,stratifiedairconditioningappliedtoarchitecturalfeatureslargespace,airconditioningloadcalculationhierarchicalformsoforganizationandflowdesignedtomeetthestratifiedairconditioninginthecomfortofair-conditionedarearequirementswhileminimizingenergyconsumptionanditslargespacebuilding,savingoperatingcosts,stratifiedairconditioninginlargespacebuildingapplicationhasacertainsignificance.
【Keywords】stratifiedairconditioning;largespace;airdistribution;applications
1．前言
随着我国经济的不断发展，人们对社会生活环境提出的高要求，国家对建筑节能日益重视，使得分层空调技术逐渐被广泛应用于高大空间建筑中。在空间高度＞10m、体积＞1万立方米的铁路旅客站房、大型体育馆、机场候机室以及高大厂房采用分层空调技术后，给人们带来了良好的空气品质和更加舒适的环境。
2．国内外对高大空间空调技术的研究现状
2.1国外研究现状
美国是最早对分层空调理论进行研究的国家，其早在20世纪60年代就已开始先后于等离子实验室、展览馆极易工厂等地运用分层空调技术，70年代初，美国对分层空调的冷负荷计算方法进行深入的理论探讨与研究，日本则开始运用分层空调技术，并对高大空间气流分布状况进行了相关的实验研究，以验证气流分布对分层空调设置的影响，至进入80年代后，分层空调技术在日本高大民用建筑中开始得以广泛应用。目前，针对分层空调技术，国外主要以理论模型试验和气流数值模拟为主要研究方式，前者可有效验证设计预想的可行性，且可通过应用气流观察试验作直观的识别手段；后者则可通过三维紊流数值解析获得复杂大空间内的气流分布与风速的矢量分布，并对室内空气与热流动进行综合解析。
2.2国内研究现状
1976年，一机部第二设计院首次将分层空调设计运用于高大空间建筑中，并取得了显著效果；1979年，中国建筑科学院空调所组织相关设计院参与了“高大厂房分层空调技术研究”；1990年，首次对分层空调的气流进行数值模拟。随后，分层空调研究道路逐渐明朗，且得到了广泛应用。
3．分层空调的应用与高大空间建筑的特点
3.1分层空调的应用
分层空调就是为了确保空调区内湿度与温度能够满足室内要求，合理的利用气流组织，仅对高大空间下部（或上部），即地面至地上2m高的区域设置空调送风，其他区域不设空调送风，如下图一所示。其与全室空调相比，具有夏季可最大限度节省空调负荷、有效节省初期投资与减少后期运行费用等优势，经调查与研究发现，其至少可节能15%以上。
3.2高大空间建筑特点
通常情况下，空间高度＞10m，建筑体积＞10000m3的建筑物均可称之为高大空间建筑，其具有以下几点主要特点：（1）净空高，一般均达10m以上，以此，负荷较大，极易导致室内出现空气垂直温差现象；（2）体积相对较大，但换气次数较小；（3）地板面积与外墙面积之比较悬殊，从而在一定程度上影响着室内空间与外界的自然对流，使得建筑四周形成不同程度的下降冷气流；（4）功能多，对空调系统的设置提出了高要求，且直接关系到空调系统负荷与冷热源的配置；（5）其负荷特性较为特殊，一般情况下，高大空间的冷负荷主要由9.5~11.2%的漏损热、2.5~11.0%的灯光散热、50~80%的人体散热以及7.9~26.5%的围护结构散热构成。基于高大空间建筑特点，相关研究人员设计并极力推荐采用分层空调系统，以此降低能量损耗，节约运用成本。
4．分层空调负荷
根据高度将高大空间建筑划分为空调区与非空调区的设计方式即为分层空调，采用分析空调方法计算高大空间建筑的空调负荷，可有效实现较少资源能量的耗损。自美国出现并采用分层空调技术以来，业内相关人士均先后对分层空调负荷计算方法等进行了大量研究与实验，最后发现且证实，分层空调负荷主要由空调区本身的冷负荷与非空调区冷负荷转入空调区的部分组成，在满足空调的基本使用基础上，空调区的高度与其负荷呈负相关关系。
分层空调负荷计算主要体现在夏季空调负荷计算上，对于冬季而言，由于其负荷相对较小，在气流组织设计不合理的情况下，分层空调极有可能加剧室内的温度梯度，因此，除特殊情况外，均应以全室空调采暖方式给予计算。而非空调区向空调区转移负荷（辐射热转移负荷、对流热转移负荷）则应分别按下述方法计算。
4.1辐射热转移负荷（qf）的计算
由于ψ（各围护相态系数）、ε（各围护表面材料的黑度）以及τ（各围护结构内表面温度）可直接影响辐射热转移负荷的大小，加上其内表面黑度ε≥0.8，因此，可以以式子其辐射换热的总合，其中，Fi、εij以及Co分别表示表面面积（m2）、材料表面黑度以及黑体的辐射系数[Co=5.67W/(m2?K2)]；Ψij则表示形体系数；Ti、Tj则表示表面绝对温度（K），其中，i、j指的是非空调区和空调区的表面序号。然后将已受辐射热的各空调区表面置于空气热量中计算，即可得到，其中，qf、C分别表示辐射热转移负荷（W）与负荷系数（通常情况下取c=0.5）。
4.2对流热转移负荷（qd）的计算
非空调区得热量Q2或空调区得热量Q1以及非空调区的热强度q2或空调区热强度q1均可在一定程度上影响着对流转移负荷。其中，V2、V1为非空调区及空调区体积（m3）；qd/Q2可随q2/q1的增大而增大。如下图所示。
5．气流组织形式
空调送风口与回风口所处的位置与采取的形式，即送、回风方式，可直接影响着气流组织形式，而气流组织形式又可直接影响到空调的运行效果，例如，空调是否能够保证工作区内的温度得以均匀分布，其速度场是否达到理想状态以及该分层空调是否达到一定的节能目的，因此，在进行分层空调设置时，必须充分考虑气流组织的作用。送风口和回风口的位置和形式空调的运行效果，有相关研究人员指出，在通常情况下，高大空间的气流组织形式可分为侧送下回方式、上送下回方式、下送上回方式以及假柱送风等。
5.1侧送下回方式
在高大空间建筑中使用最为广泛的气流组织形式即为侧送下回方式，其通过在大厅侧墙上部设置送风口（通常为球形喷口），可有效将室内冷风（或热风）送出，使吹过的气流于一定距离内转折下落至工作区域，从而降低其流速。一般情况下，可根据同侧下部的回风口排出状况以及空间跨度大小而适当选择侧送方式，即单侧或双侧送风（回风），例如，在铁路旅客站房的空调设计中，由于高大空间多出现在中部的候车大厅或集散大厅，两侧多为客运办公、旅客服务及四电设备用房，若其空间跨度较小，则可选择单侧送风方式，反之，则选择双侧送风形式，如下图三所示。在侧送方式，数球形喷口侧送与百叶侧送最为常见，但是，由于百叶侧送方式在使用过程中会产生一定噪音或“脑后风”，因此，就目前而言，铁路站房候车大厅、集散大厅基本都采用球形喷口侧送风。该气流组织形式，美观且经济节能的同时，空调效果非常好，得到广大旅客的广泛认可。
5.2上送下回方式
通过利用安装于高大空间建筑最顶端位置，例如顶棚或上部网架空间内的送风口以及安装于空间下部区域侧壁上的回风口，使空气能够实现自上而下的流通，即借助送风口，可将空气有效且均匀的送达主要人群活动区域内，甚至是空间内的各个部位，再由回风口抽走。上送下回方式空调系统的送风口形式主要有旋流风口、散流器、条缝、喷口和孔板送风等，具有能够最大限度的满足不同空间内部位对空调的需求的特点，但是，该方式却一直存在诸多不足不处：首先，由于空调区域包括了建筑内的所有空间，尤其是上部空间，因此，其冷（热）负荷极大，且能耗较高；其次，其送风量大约比侧送方式大25%－30%；另外，若采用上送下回的空调送风方式，冬季会出现上部热风送不下来，下部空调区太冷，难以到达想要的空调效果，热舒适性较差。
5.3下送上回方式
下送上回方式是一种由空间下部（侧墙下部或地板）送风，经空间上部进行回风与排风的节能型气流组织形式，极为适用于人群较密集的高大空间建筑中。由于下送上回方式能够有效避免将屋顶负荷及室内灯光负荷的对流部分带入空调区域内，从而大大减少了送风量，在极大程度上节省了高大空间建筑内的设备投资费用与运行费用等，因此，多被人们所青睐。但是，由于下送风风口形式较为复杂，所需风口数量较为庞大，难以对其进行实时有效的监督与管理，卫生条件难以控制以及所需技术要求较高等诸多难，因此，下送上回气流组织方式在高大空间建筑的空调设计中很难推广应用。
5.4假柱送风方式
假柱送风（也称送风单元）是目前高大空间建筑中，例如，大型铁路旅客站房、航站候机厅以及体育馆等比较常用的送风方式，其通过在人员较为密集的空间区域内，均匀设置几根高度约2~2.5m的方形或圆形断面柱体，并将出风口设置于该柱体的顶端位置或侧面位置实现送、回风，如下图四所示。值得注意的是，该送风方式极易导致非空调区内的热负荷逐渐向空调区转移，从而造成气流组织混乱，而空调管理者在日常工作中，为了极大满足主要人员密集区域内人们对空调的需求，而特意将部分送风口调至最低或很低，从而导致部分区域吹风感较强，人员活动区未能处于气流回流区，此外，该送风方式的送风口离主要人群活动区域较近，送风速度相对较小，使得该空间内主要人员分布区域丧失了一定的活动舒适性，因此，若考虑将其应用于高大空间建筑中，则应尽可能增加下回风风柱的数量或配合其他形式的低位回风口。
综上所述，侧送下回的气流组织方式最大限度的避免了气流死角，较其他送风方式在空调节能、送风量、系统管理及空调器舒适性方面都有明显的优势，最大限度的满足空调区空气品质要求的同时，实现了经济节能与舒适的协调统一。该气流组织方式被广泛应用于高大空间建筑的空调设计中。
6．结论及建议
1）实践证明，对某一高度以下区域有空调设置要求的高大空间，分层空调是一种非常经济、节能、实用的系统形式。
2）分层空调与全室空调相比，节能效果显著，分层空调的节能效率可达15%-50%。
3）对于铁路旅客车站等高大空间建筑，在上部非工作区设置可开启天窗等措施很有必要，可及时排走上部的余热和废气，以减少上部热空气以热辐射形式对下部空调区热舒适的影响。
4）侧送下回的气流组织方式实现了经济节能与舒适的有效统一，高大空间建筑的空调设计中被广泛应用。
总而言之，在工业与公共建筑不断大规模兴建以及不断强调并推崇最大限度节约能源的当下，分层空调所发挥的作用越来越受社会重视，在未来的社会发展中，随着相关工程研究人员对分层空调的进一步研究与实践论证，分层空调设置形式将会迎来新的挑战与发展浪潮。
参考文献：
[1]黄崴.危江兰.分层空调在高大空间建筑中的运用[J].民营科技.2010,10(11):308-309.
[2]钟铿.分层空调在机场建筑中的应用[J].制冷.2014,33(02):49-54.
作者简介：
雷彬（1982-），男，硕士研究生，工程师。