#低风速分层空调系统在寺庙大殿中的应用研究11-03-22

低风速分层式空调系统在
寺庙大殿中的应用研究
黄奕沄1张玲1韩晓红2
1 浙江建设职业技术学院
2 浙江大学
摘要本文针对寺庙大殿的高大空间及功能特点，提出了一种分层式空调设计方案。

通过采用风机盘管隐蔽在佛台下以低风速送风的设计方法，形成了室内分层空调环境。

由于在使用中不允许关闭大门导致大量室外热空气进入，室内空气的分层高度只有1.7米左右。

对实测结果的分析表明，这种空调系统与普通空调系统相比可以减少夏季空调负荷41.2%。

这种低风速分层空调的设计方法未见到有文献涉及，它不仅适应了寺庙大殿的装饰要求和大门始终开启的使用要求，同时能够大大降低空调能耗，其代价是牺牲了少许空调舒适感。

Keywords: stratified air conditioning, temple, low velocity, fan coil, large space
0前言
随着我国经济持续不断的发展以及城市文化建设的需要，在旅游事业中承担重要角色的寺庙数量越来越多，对于寺庙内的环境要求也进一步，开始有了空气调节的要求。

寺庙大殿通常都比较高，因此大殿的空调设计具有高大空间空调设计的特点。

一般高大空间具有垂直温度梯度明显、空调负荷较大等特点，为了获得良好的节能效果和满足人员的热舒适性，其中只冷却下部人员工作区的分层空调被认为是一种设计简单、投资较省、运行节能、舒适环境有保障的实现方式。

分层式空调与全室空调相比，夏季可节省冷量30％左右[1]。

国内不少研究人员对分层式空调进行了研究。

文献[2]分别对采用百叶侧送侧回、喷口侧送侧回、散流器顶送下回、分层空调、置换通风方式的大空间建筑空调室内气流的速度场和温度场进行了数值模拟，并对其结果进行了实验验证。

结果表明，分层空调和置换通风是大空间建筑中较好的气流组织方式。

此外一些研究人员通过理论研究与实际案例对分层空调的温度分布及节能性进行了分析。

如文献[3]在多股平行非等温射流研究的基础上提出了一种适用于模拟分层空调大空间垂直温度分布的简化Block模型。

文献[4]基于单股射流模型、动量守恒以及射流气流之间的交叉几何关系理论进一步完善大空间多股平行非等温射流模型，建立了多股平行非等温射流的流量计算模型，得到了相应计算公式。

文献[5]以重庆地区某高大机械加工厂房分层空调为对象，建立厂房分层供暖设计方案的计算模型；提出冬季工况下通过控制送风射流F 边界高度和射流搭接高度来选择合理的送风角度，探讨了送风角度对实现分层供暖、抑制对流热转移的影响。

文献[6]根据现有大空间分层空调理论,以某大空间建筑为研究对象,分析在不同日射强度、室外温度、通风量和分层高度下分层空调的热转移负荷特性。

文献[7]认
为：采用分层空调与全室空调相比，冷负荷少则可节约14%，多则可大50%，一般可以节约30%左右。

因此对于高大空间建筑，这种空调方式是值得推荐的。

案例[8]东营会展中心是屋面膜结构的，夏季按设计工况计算，通过屋面膜结构传热引起的空调冷负荷占室内总负荷的50%，夏季设计分层空调系统节能效果显著。

案例[9]采用了球形喷口送风，在整个展览空间达到了分层空调的效果。

所有展厅在2m以下的人员活动区内温度都在26℃以下，而且温度变化比较稳定和均匀，即使在热扰温度较高的区域也可以满足空调设计精度。

案例[10]详细介绍了下送风式分层空调系统在一仿古建筑酒吧项目中的应用情况。

通过测试，认为对该建筑采用分层空调系统，夏季空调效果达到了设计要求，室内空调冷负荷是常规空调计算冷负荷的45%。

寺庙大殿的使用和布局特点与一般高大空间有着明显的差别。

佛教寺庙大殿都有类似的结构布局，中央为大型佛像，两侧和后面各有一排较小的佛像；中央区域屋顶为了容纳佛像比周边更高；建筑物的保温性能通常很差，大门经常开启，空调系统的布置不能影响寺庙装饰风格和文化。

如何在这种条件下进行空调系统设计，尚未见到文献述及。

本文针对寺庙大殿的这些特点，结合实际工程应用试做一探讨。

1工程概况
工程应用项目为浙江杭州市郊区的中天竺寺庙新建西方三圣大殿，大殿下部大半为土壤，其余为架空层，是寺庙内僧侣的食堂。

大殿建筑面积509㎡，其中有146㎡中间区域（三座佛像周围）高度为11m，四周高度为6m。

大殿是砖混与木结构的混合建筑，两侧基本为砖墙，前后木门面积很大。

大殿正面木门木门高度约5m。

木门不仅开窗（雕花木格+单层玻璃）面积大，而且木门之间的缝隙很大。

大殿5m以上的部分也是镂空木窗，木窗之间的缝隙也很大。

大殿可开启的木门有正面大门（2.4m宽、4m高）、侧面两扇小门，后殿的后门虽然和正门一样由多扇组成，但均不开启。

大殿的使用时间为早上6点至下午18点左右，在此期间大殿的正大门是不允许关上的。

因此，该建筑采用空调具有诸多的不利因素，它的特点是不仅建筑物层高高、围护结构保温性能很差、有大量的门窗缝隙渗透负荷，而且大门在空调使用期间始终敞开。

2设计方案
2.1设计参数及负荷计算
室外气象参数为：夏季室外干球35.7℃，湿球28.5℃；冬季室外空调计算干球温度－4℃，空调相对湿度77%。

室内设计参数为：夏季室内设计温度26℃RH；冬季室内设计温度18℃。

分层空调负荷计算主要指的是夏季分层空调冷负荷计算。

分层式空调在冬季并不节能，故冬季须按全室供热方式进行计算。

由于送风口高度低，送风射程近，工作区按理论计算只能到送风口的高度以下，实际设计中按1.8米高度计算分层空调区负荷。

分层面以上的空间为非空调区；分层面以下的空间为空调区。

大殿内有一些灯烛散热，功率取2kw 。

由于大门开启且各处缝隙甚多，冷风渗透无法计算，按1次换气次数估算，风量为3760m 3/h 。

空气区域冷负荷的组成
11ln c w x f d q q q q q q =++++ W
式中 1c q ——空调区分层空调冷负荷，W
lw q ——通过空调区外围护结构得热形成的冷负荷，W
ln q ——空调区内部热源散热形成的冷负荷，W
x q ——空调区室外新风或渗透风形成的冷负荷，W
f q ——非空调区向空调区辐射热转移形成的冷负荷，W
d q ——非空调区向空调区对流热转移形成的冷负荷，W 。

限于篇幅，本文不再列出具体计算方法。

详细计算方法可见文献[1]。

经计算，大殿按常规计算方法夏季冷负荷为92.8kw ，按分层空调计算方法65kw ，夏季冷负荷比常规空调理论计算要低29.3％。

冬季热负荷为114.7kw 。

2.2 空调设计方案
大殿的空调系统冷热源原拟采用水源热泵，后因打井未获批准，最后采用了一台空气源热泵机组。

考虑到大殿以满足夏季空调为目的，为减少机组容量，以夏季计算冷负荷为基准，适当兼顾冬季热负荷，最终确定机组制冷量为80kw ，制热量82kw 。

由于大殿各处漏风甚多，大门又不能关闭，故不设新风系统。

大殿采用分层式空调系统。

根据大殿的布局特点，作者将空调送风口布置在中央和周边的佛台侧面。

佛台高度为1.6米，里面净空很小，难以布置风管，故采用风机盘管在佛台里面暗装布置。

送风口高度在1.2米左右。

风机盘管出口接一段250mm 长的送风管，利用佛台侧面的镂空雕花空隙作为送回风口。

由于送风口直接面对游客的胸口，为避免不适感，选择较低的送风风速。

冷风实际上只
能以蔓延的形式扩散到寺庙各处。

这种形式与置换通风的送风效果有相似之处。

大殿正门有0.4米高的门槛，正好可以阻挡部分沿地面扩散的冷气。

为提高大门入口区域的空调效果，在大门两侧的工作台底部设置了两台暗装风机盘管，沿大门门槛对吹。

工作台内沿墙各设一台立式明装风机盘管，以满足工作人员的空调需要。

为便于运行管理，风机盘管采用集中控制的方式运行。

大殿的平面布置见图1。

图1 大殿空调平面布置图
3实测效果
测试时间8月末为午后，天气多云，室外干球温度35.3℃。

大殿大门敞开，为减少冷气的逃逸，大门上做了布帘垂下，但仍有2.4（高）×1.6米的开口。

门槛高度0.4米。

由于风机盘管送风风速较低的关系，大殿内空气出现了明显的温度分层。

测量点风机盘管的送风温度16.1℃，地面温度22℃，0.8米高处空气温度23.8℃， 1.7米高处27.6℃，超过1.7米以后温度上升较快，伸手过头顶有明显的温热感。

空气分层界面基本在1.7米左右。

人体下部不感觉冷，但头部感觉略有偏热，舒适感未能达到常规空调的要求。

殿内各处的温度均匀都尚好，个别地点受柱子影响室温略有偏高，具体位置见图1中A 点。

其中靠近大门的三个区域因受大门开启影响，温度偏高是可以预料之中的。

门槛起到了较好的阻挡冷空气的作用，站在门槛内可感觉到明显的凉意。

门口内2m处1.5米高的空气
温度也达到了27.7℃。

镂空雕花送风口的风速较小，只有1米/秒左右，因风口是一个个镂空小孔，故送风衰减很快，站在风口前1米处感觉不到冷风，整个大殿的空调隐蔽效果令人满意。

开启的大门导致大量的冷空气向外泄出。

经测量，门洞处平均向外风速0.6m/s，漏出的冷风共计约8000m3/h。

将大门关闭，5分钟后头部温热的感觉已经消失。

由于寺庙开放的关系未能进行更久的闭门测试，可依此推断，长时间关上大门后，空气分层界面将上移至2米以上，室内温度环境将进一步趋于均匀舒适。

设计时将5台风机盘管放在主佛台前面，担心佛台前局部会过冷，实际佛台前面有一张很大的桌子挡住了部分送风口，大殿中央靠近大门一侧仍感觉温度有所偏高。

设计风机盘管风量为中档，以免风速太高、噪声太大，实际运行时风机盘管均为高档风量，送风口风速并不高，可能与雕花木格起到了阻挡作用有关。

风机盘管噪声很轻几乎听不到。

冬季空调供热未测试数据，总体感觉较温暖，舒适感较好。

但大门附近温度梯度十分明显，在大门开启的条件下无法解决这个问题。

4实测结果分析
该项目并无先例，特别是在门窗缝隙大且多、大门开启的条件下会有多少冷风渗透，实际空气分层高度是多少，均无法通过理论模拟事先得出。

实测的结果还是令人满意的，在大门外泄冷风量达到8000 m3/h左右的条件下，仍然基本维持室内人体活动范围内达到28℃以下的温度环境。

笔者按照8000 m3/h的新风量重新计算了建筑负荷。

测试时的室外气象条件与计算条件相差不大，因此无需修改室外气象条件，通过将外窗外遮阳的遮挡面积比例设置为100%模拟室外多云天气，发现实际建筑冷负荷已经达到了136kw。

按照实际机组制冷量80kw来进行计算，该大殿采用低风速分层式空调的实际节能率达到了41.2%。

由于大殿各处均有缝隙漏风，实际漏风量应该超过8000 m3/h，真实的节能率可能会更高。

室内产生空气温度分层是预计的目标，以减小空调负荷。

实际分层高度偏低了一些，且空气温度梯度偏大。

其原因主要有两个，一是送风口高度偏低（特别是主佛台下的风口，仅有1米左右高），二是大门敞开导致大量冷风外泄，而热气从上部和周边补充，导致室内工作区较大的温度梯度。

5小结
本项目采用了低风速分层式空调的原理对寺庙大殿进行了空调设计，这种低风速分层式
空调实际上带有了置换通风的送风特点，即送风口较低，冷风沿地面以很低的风速向远处蔓延。

从实测结果来看，这个设计方案不仅适应了寺庙大殿的装饰要求和大门开启的使用要求，同时能够大大降低空调能耗，其代价是牺牲了少许空调舒适感。

为提高舒适感和进一步降低能耗，建议今后寺庙大殿需要设置空调时，应对所有木门窗缝隙进行填补处理，以减少从大门外泄的冷风。

参考文献
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