分层空调系统及应用案例

由于大空间建筑高度较高，热分层现象比较明显，每年由于没有充分考虑热分层作用，而使得空调冷负荷过高估计值高达45.5％。

分层空调 是指以送风口中心作为分层面，在垂直方向上将整个空间体积分为空调区和非空调区，从而仅对空间的下部区域进行空调，而对上部区域不进行空调的空调方式。

对于高大空间来说，送风量往往很大，大空间上部和下部的温差也比较大，因此将大空间分为上下两部分区别对待是合理的，即采用分层空调技术，下部视为工作区，上部视为非工作区。

在高大空间中，利用合理的气流组织仅对大空间下部(或上部)的空间即工作区进行通风空调，而对上部(或下部)的大部分空问不进行空调，非空凋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主要有四种：1)带空气幕的双侧对喷下部排风；2)双侧对喷上、下部排风；3)双侧对喷上、下部排风中部一次回风；4)双侧对喷上、下部排风中部送新风。这种技术应用的基本原则是：1)供冷时，冷风只送到工作区，此外利用室外空气或回风以分隔形成上部非空调空间，或用于满足消防排烟之需；2)存供暖时，送风温差宜小，且应送到工作区。有条件时与辐射供暖相结合。采取这些措施后，空渊负茼可减少30％-40％。

在分层空调的设计中，气流组织非常重要，它直接与空渊效果有关。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。

分层空调与其它全室空调的本质区别在于其气流组织的独特性，能否同时达到设计要求的气流分布和节能双重目的的关键在于是否具有合理的气流组织。分层空调的气流组织实际上是单侧喷口方式或双侧对喷方式的室内受限射流，同时伴随上部非空调区通风气流的明显三维流动，这种流动的气流组织形式复杂，流动空间大，同时内外扰、送风参数、送风方式等影响气流组织的因素多。

图1：分层空调气流组织示意结构图

常见的气流组织形式：

通风空调室内的气流组织，是指其中的气流流形以及空气的各物理量的分布，如温度、速度、湿度以及污染物浓度等。气流组织的方式归结起来主要取决于送风口和回风口的位置和形式，即送、回风方式。常见的空调送、回风力式可分为如下几种形式：

1) 侧送下回方式。侧送方式足大空问建筑采用的最广泛的一种气流组织形式，它是将送 口设在大厅侧墙上部，冷风(或热风)由送风口送出，气流吹过一定距离后转折下落到工作区后以较低的速度流过整个工作区，由没置于同侧下部的回风口排出。根据空间跨度大小，分单侧送风单侧回风方式和双侧送厂和双侧回风方式。侧送方式中，以喷口侧送最为常见除了喷口送风外，侧送方式还包括百叶侧送，但由于有噪声和“脑后风”等，百叶侧送只作为辅助送风方式被采用。

2) 上送下回方式。上送下回方式，是将送风口安装在建筑的顶棚或上部网架空间内，将同风口设在下部侧壁上，空气自上而下送至人员活动区，然后由同风口抽走，其送风形式包括 散流器 、喷口、旋流风口、条缝和孔板送风等。从使用效果上讲，上送下同方式是比较好的。它能把处理好的空气均匀送到各个部位，以满足不同区域的空调要求。但上送风也存在着诸多不足：空调区域包括r建筑内的上部空间，冷(热)负荷较大，能耗高，送风量比喷口侧送大25％～30％左右。

3) 下送上回方式。这种气流组织的方式是由下部(如地板或侧墙下部)送 ，由空调房间上部固、排风。它作为一种节能型气流组织形式，比较适合于人员较多的建筑。这种送风方式避免了将灯光和屋顶负荷的对流部分带入空调区域，可使送风量大大减小，从而节省了设备运行和投资费用。但下送风风口形式复杂、数量多，难以运行管，目前对于很多空调设计单位技术上还难以实现，因此在大空间建筑空调实例中并不多见。

4) 假柱送风方式。日前，在我国一些大型会展建筑中采用了类似于机场候机厅风柱送风的送风方式，即假柱送风。假柱送风是在候车厅人员活动区均匀布置几根假柱，送风高度约2-2.5m，柱体断面为方形或圆形，出风口为假柱顶面或侧面、面积较大(非喷射型)。此种送风方式，送风口离人员活动区近，因此送风速度小，但是布置假柱占用人员活动空间，采用时应综合考虑现场结构条件和经济条件。

5) 多种气流组织形式的结合使用。

假柱送风方式 ：假柱送风方式又被称之为送风单元，在高大空间内普及率比较高的送风方式。在送风区域内均匀的安装圆形或者是方形的断面柱，可以在柱体的顶部或是侧面设置送风或者是回风装置。但是使用该种方式送风，容易致使非空调区内的热负荷逐渐移向空调区域内，致使气流组织出现混乱的现象。为了能够最大限度地满足空调区域送风的需要，需要空调管理人员将分层空调系统的温度调至最低，因此,在空调区域会有较强的吹风感。在使用假柱送风方式进行送风时，可以考虑加装下回风风柱，也可以与其他形式的低位回风相配合着使用。

侧送下回方式送风 ：分层空调系统在高大空间中的安装与使用，可将送风口安装在大厅的侧面墙壁上，多用球形的喷口，将室内不符合人们需要的风送至室外，再将气流置于相应的范围内，进行相应的转折使其落于工作区域内，使流速被其有效的降低。

上送下回方式送风 ：分层空调安装在高大空间的顶棚或者是上部网架等最上面的位置，空气的流动方向是自上而下的，也就是说，在高大空间内，分层空调借助送风口，将空气均匀的送到人群活动密集以及高大空间内的各个部位，最后回风口抽走这些被利用过的空气。

分层空调系统适用于高大空间内的应用，主要是因为分层空调在使用时，可以充分的满足于在高大空间内，避免由于大空间内出现的不规整建筑空间而造成的供暖/制冷不均现象。这种上送下回的送风方式，还存在着很多问题。

下送上回方式送风 ：是由侧墙下部以及地板等高大空间的下部向上送风，可由空间的上部回风或者是排风，这种方式与其他送风方式相比较，要更加的节能，适用于高大空间内人流比较密集的地方。因为下送上回方式可以杜绝在空调区域内出现屋顶负荷或者是室内灯光负荷的对流部分，因此降低了送风量，与此同时，也降低上分层空调在高大空间内的安装的成本，也因此特别的受人们的欢迎。

下送上回送风方式需要风口的数量比较多，是因为以这种形式送风的风口形式非常的复杂，不能实施及时准确的监管，不易于保持良好的卫生条件，而且下送上回方式送风需要的技术水平也要比其他送风方式要高，正因为这些原因，使下送上回送风方式很难在高大空间内实施使用。表1为非空调区与空调区各个内表面温度。

表1：为非空调区与空调区各个内表面温度

非空调区	屋顶	33.43
	外墙	33.33
	外窗	33.25
空调区	外墙	27.21
	地面	28.13

自由射流的流动规律：

1 、等温自由射流流动特性

流体射入同温同介质空间内扩散，在不受界壁限制的情况下，可以自由扩展的射流称为等温自由射流。

由直径为d0的喷口以出流速度u0射入等温空间介质内扩散，在不受周界表面限制的条件下，则形成如图2所示的等温自由射流。当射流流体进入某边界没有限制的空间后，在受到流体湍流横向脉动和粘性的影响下，在向前流动的同时，气体微团的横向脉动速度使得射流不断与周围介质进行质量和动量的交换，从而不断将周围介质卷吸入射流主体，使得射流断面不断扩大，同时射流主体的速度从射流中心开始逐渐向边界衰减并沿射程不断变化，整个射流呈锥状。在射流理论中，通常把圆锥的顶点0叫做极点，圆锥的 半顶角 a叫做极角。把气流速度还保持初始速度的边界线(DA和EA)叫做射流内边界。把气流速度等于零的边界线(DF和EG)叫做射流外边界。把射流内、外边界之间的部分叫做射流边界层。射流边界层随着射程的增加不断向两边扩展。一边是向外扩展，将更多的气体介质带进边界层以内；一边是向中心扩展，进一步减少速度保持初始值的区域，形成射流核心区DAE。射流沿X方向距离越大，射流边界层越宽，当达到某一距离处，射流边界层扩展到射流轴心线，此时只有射流中心某一点的速度仍保持初始速度，射流的这一截面BAC叫做过渡面。在射流理论中，将射流轴心速度保持不变的一段长度叫做起始段，其后叫做主体段。起始段长度取决于喷嘴的形式，一般都很短，空调中常用的射流段为主体段。

2 、非等温自由射流(温差射流)

等温射流大多应用在通风工程中，仅用来满足某空间内部的通风换气，不能起到空调的作用。在空调工程中，夏天要送冷风来降低室温，空调输送的是冷射流。冬天要送热风来提高室温，空调输送的是热射流．这两种射流都属于非等温射流，也叫做温差射流。非等温射流就是射流本身的温度和周围介质的温度不相等的射流。在射流中，有着质量交换和 动量交换 。射流与周围空气的掺混结果使射流的温度场(浓度场)与速度场存在相似性，只是热量扩散比动量扩散更剧烈，因此温度边界层比速度边界层发展要快些。它的射流结构如图3所示。其中实线为速度内外边界层，虚线为温度内外边界层。不过在实际运算中，一般认为两者的内外边界是相同的。

分层空调系统在超高中庭中的应用：

丽泽SOHO 近200米的中央中庭被誉为世界之最 ^[1] ，鱼鳞状幕墙扭曲上升，呈复杂丰富的非线性建筑形体，整体造型极为复杂。其地上45层，地下4层，建筑高度199.99m，仅中庭防火幕墙面积就达28,000m ² ，其中庭结构呈双螺旋状，且直通建筑顶层，见图1高大空间内设置空气调节系统，由于建筑体积大、空调负荷大，因而其空调能耗量相当可观。

[1] ：节选张景 徐俊杰《分层空调系统在北京丽泽SOHO超高中庭中的应用》

图1丽泽SOHO外立面与中庭效果图

表1 设计气象参数(℃)

表2 模型单侧送风口统计

表4 相关设备统计(依据设备参数表)

冬季工况：

图2与图3为冬季中庭内纵横轴剖面上温度分布情况（图中温度单位为摄氏度，以下同）。整体看来，在冬季中庭内热环境可以满足设计目标，且中庭内存在明显的热羽流现象。热羽流发生在中庭一层中部，热气流上升，而南北两侧有外墙的中庭部分冷气流下沉，至三层与一层、二层喷射出来的热气流混合。如果中庭底部开口（如门）和顶部开口（如排风/烟口）密封性能不好，向上的热浮升力会产生烟囱效应，使底层灌入大量冷风，影响中庭底部人流区的热环境。因此，在冬季必须重视建筑开口和幕墙的密闭性能，尽可能减小热压通路的形成。

距地面0.5m水平面上平均温度22℃；距地面1.5m水平面上平均温度18℃；距地面197m水平面上平均温度18.5℃；距地面199.5m水平面上平均温度8℃。模拟结果显示，中庭下部人员逗留区域的温度在冬季可以实现设计目标，而在屋顶需注意结露现象的发生。

模拟结果显示，距地面1.5m水平面上中心处风速较低，最大不超过0.3m/s。中庭大堂吧台内侧及中庭靠外墙侧的气流速度也较低，一般大不超过0.5m/s，其余部位风速稍高于前述部位，但均未超过1.5m/s。

夏季工况：

图7与图8为夏季中庭内纵横轴剖面上温度分布情况模拟结果显示，温度分层现象明显，分层空调设计效果显著；下冷上热，越靠近顶棚，温度升高的越快，贴近顶棚处温度高达32.8℃，但仍能低于室外设计温度33.5℃。整体看来，夏季中庭内热环境可以达到设计目标，并满足相关设计标准要求。

距地面0.5m水平面上平均温度22.0℃；距地面1.5m水平面上平均温度22.5℃；在距地面197m水平面上平均温度32.5℃；在距地面199.5m水平面上平均温度32.8%；模拟结果显示，中庭下部人员区的温度在夏季可以满足设计目标要求鉴于人员区温度低于设计温度26℃，在夏季建议中庭一二层空调非满负荷运行。

距地面1.5m水平面上风速较低，平均风速0.41m/s，中心区域风速均未超过0.3m/s。在风口处风速较大，但在中庭其余空间内风速均未超过0.6m/s。

可见，采用分层空调技术冬季、夏季中庭内人员区热环境可以满足设计目标。冬季中庭内存在明显的热羽流现象，需采取减弱热压效应的措施。夏季分层空调效果显著，中庭一层、二层空调可不满负荷运行。

根据分析结果，提出如下措施与建议以保障空调效果并实现节能。冬季运行设备配置：开启首层、二层空调送风，首层回风，地暖，热风幕等采暖辅助措施停止中部送风和屋顶排风。夏季运行设备配置：开启首层、二层的空调送风，首层回风，中部送风和屋顶排风。

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