商場中庭熱環(huán)境控制設(shè)計(jì)及運(yùn)行監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

胡從川，秦 蓉，董 黎，滑亞娟

(1.魯能集團(tuán)有限公司，北京 100020; 2.清華大學(xué)，北京 100084; 3.山東?？菩畔⒓夹g(shù)有限公司，山東 青島 266071)

以中庭為代表的高大空間區(qū)域一直是空調(diào)工程的重難點(diǎn)?，F(xiàn)代商場有別于傳統(tǒng)商場，為吸引消費(fèi)者，盡可能營造輕松、舒適的室內(nèi)光熱環(huán)境。中庭是商場重要的公共活動空間、交通樞紐點(diǎn)，頂部通常采用天窗引入自然光以獲得良好的室內(nèi)光環(huán)境，另外，中庭還具有面積大、空間廣、區(qū)域間無隔斷、底部出入口多等特點(diǎn)。基于以上結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，商場空調(diào)運(yùn)行時中庭常出現(xiàn)垂直方向溫度梯度大、上熱下冷的問題：在夏季，由于冷空氣下沉、熱空氣上升，且中庭天窗射入大量太陽輻射，造成中庭上部空間溫度過熱、底部空間過冷的現(xiàn)象；在冬季，中庭底部各出入口有大量室外冷風(fēng)入侵，冷空氣積聚在中庭底部而空調(diào)系統(tǒng)輸送的熱空氣并未到達(dá)人員所在的低層而直接會上浮，積聚在中庭頂部，同樣造成中庭上部過熱、底部過冷[1-5]。

目前，國外在解決上述問題的研究主要集中在對于空調(diào)分層技術(shù)的研究，主要是根據(jù)相似理論的模型試驗(yàn)和對氣流的數(shù)值模擬，如2004年雅典奧運(yùn)會使用的分層空調(diào)系統(tǒng)[6-7]。

本文針對上述中庭上熱下冷問題，分析問題的根源主要包含兩部分：中庭自身的結(jié)構(gòu)及空調(diào)系統(tǒng)的氣流組織。本文以某商場為例，在設(shè)計(jì)階段，對商場中庭的天窗及其聯(lián)通的主要出入口采取有效措施，以降低中庭的冷熱負(fù)荷；在中庭被動式優(yōu)化的基礎(chǔ)上，結(jié)合氣流組織分析，優(yōu)化空調(diào)末端設(shè)計(jì)，消除上熱下冷現(xiàn)象；在運(yùn)行階段，制定中庭空調(diào)運(yùn)行監(jiān)測方案，基于監(jiān)測運(yùn)行數(shù)據(jù)，分析中庭垂直方向溫度分布情況，完成對設(shè)計(jì)方案的驗(yàn)證，總結(jié)高大空間控制“上熱下冷”問題的設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理經(jīng)驗(yàn)。

本文所采用方法創(chuàng)新點(diǎn)在于分析和解決中庭空間溫度梯度分布的過程中采用了跨專業(yè)、跨階段的分析方法，并通過運(yùn)行過程中所收集的數(shù)據(jù)反饋到各個專業(yè)和各個階段，形成閉環(huán)分析體系，對進(jìn)一步的優(yōu)化提供了一套方法論。

1 設(shè)計(jì)控制方案

分析案例是位于夏熱冬冷地區(qū)上海市的某大型商場，整個商場共四層，其中，地下一層，地上三層，總建筑面積約10萬平米，為典型的大中庭建筑，中庭頂部屋面設(shè)計(jì)了大面積玻璃天窗。

圖1 商場中庭示意圖

為了避免該商場在運(yùn)行時中庭大空間垂直方向出現(xiàn)溫度梯度大、上熱下冷的問題，結(jié)合上述問題根源分析，在設(shè)計(jì)階段，重點(diǎn)對關(guān)鍵影響因素，即中庭圍護(hù)結(jié)構(gòu)的天窗、出入口氣密性及其空調(diào)末端進(jìn)行分析，并提出有效解決方案：

1.1 減少天窗太陽輻射

天窗是中庭圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫隔熱的薄弱環(huán)節(jié)，通過天窗引起的空調(diào)冷負(fù)荷占總空調(diào)冷負(fù)荷的比重大。在夏季，通過屋頂天窗，一部分太陽輻射直接透射入室內(nèi)形成冷負(fù)荷，輻射熱量積聚在中庭頂層，一部分太陽輻射被天窗自身吸收后天窗表面溫度升高，與室內(nèi)尤其是高區(qū)的人員進(jìn)行輻射換熱，造成人員體感過熱，影響舒適度[8]。因此，控制天窗的太陽輻射可直接改善“上熱”問題。減少天窗太陽輻射得熱，可從以下幾方面考慮：

(1)在夏季，天窗面積與太陽輻射得熱成正比關(guān)系。結(jié)合室內(nèi)自然采光分析，合理降低天窗面積；

(2)天窗遮陽系數(shù)越小，阻擋或抵御太陽光熱量向室內(nèi)輻射的性能越好。結(jié)合經(jīng)濟(jì)分析，減小天窗的遮陽系數(shù)；

(3)遮陽設(shè)施可阻隔太陽輻射熱和太陽光線進(jìn)入室內(nèi)。設(shè)置有效內(nèi)外遮陽設(shè)施，可減少天窗太陽輻射引起的空調(diào)負(fù)荷。

商場在設(shè)計(jì)時，首先在符合公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)條文要求的前提下，確定中庭天窗比例及其遮陽系數(shù)的多個比選設(shè)計(jì)方案，利用建筑能耗模擬軟件并對方案進(jìn)行了建筑負(fù)荷模擬計(jì)算，并結(jié)合方案的投資成本、施工難度和運(yùn)行效果(包括采光效果、能耗影響、人員舒適性等)多方面綜合考慮，最終確定商場中庭天窗方案：挑空區(qū)域上空設(shè)置天窗，人員活動區(qū)上空無天窗，天窗玻璃選用遮陽系數(shù)小的Low-E玻璃，內(nèi)部設(shè)置遮陽設(shè)施。

1.2 控制室外冷風(fēng)入侵

造成中庭冬季底部過冷的主要原因是低層各主入口的冷風(fēng)入侵。造成冷風(fēng)侵入的原因包括室內(nèi)外溫差造成的熱壓、商場內(nèi)餐飲廚房排風(fēng)造成的負(fù)壓、室外風(fēng)壓等。針對上述問題根源，本項(xiàng)目在設(shè)計(jì)時采用以下措施以控制冷風(fēng)入侵：

(1)建筑出入口采用密閉自動旋轉(zhuǎn)門，旋轉(zhuǎn)門的密封性能滿足門窗氣密標(biāo)準(zhǔn)較高要求；所有后勤通道出入口設(shè)置自閉式密封門；

(2)對墻洞、管道洞等圍護(hù)結(jié)構(gòu)開口的封堵措施提出明確要求，并要求在施工和驗(yàn)收時進(jìn)行仔細(xì)檢查和驗(yàn)收。

(3)由于廚房補(bǔ)風(fēng)設(shè)計(jì)方案往往存在“缺陷”，導(dǎo)致建筑在實(shí)際運(yùn)行時廚房存在系統(tǒng)能耗高、室內(nèi)環(huán)境差、在室人員不舒適等問題。很多建筑為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)能耗降低和人員舒適性提高的目標(biāo)，在運(yùn)行時不開廚房補(bǔ)風(fēng)機(jī)，但廚房排風(fēng)量很大直接從商場公區(qū)抽風(fēng)，商場負(fù)壓嚴(yán)重，最終與中庭相通的底部入口有大量冷風(fēng)入侵。因此，要減少冷風(fēng)入侵，廚房補(bǔ)風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行尤為關(guān)鍵。商場對相應(yīng)的廚房補(bǔ)風(fēng)設(shè)計(jì)提出明確要求，在設(shè)計(jì)時要合理計(jì)算廚房排風(fēng)量、劃分系統(tǒng)、選擇補(bǔ)風(fēng)口位置、設(shè)置崗位送風(fēng)，并要求對廚房送排風(fēng)機(jī)進(jìn)行連鎖控制及監(jiān)測；在運(yùn)行時連鎖開啟廚房排風(fēng)和補(bǔ)風(fēng)系統(tǒng)，并一直監(jiān)控排風(fēng)和補(bǔ)風(fēng)的聯(lián)動運(yùn)行狀態(tài)。

1.3 優(yōu)化空調(diào)末端系統(tǒng)

中庭空調(diào)通常采用四管制組合式空調(diào)箱全空氣系統(tǒng)為該區(qū)域提供服務(wù)，為了適應(yīng)高大空間各層負(fù)荷的差異和不同控制調(diào)節(jié)需求，各層均設(shè)置獨(dú)立空調(diào)箱，根據(jù)各自區(qū)域特點(diǎn)進(jìn)行獨(dú)立控制。商場在設(shè)計(jì)階段詳細(xì)計(jì)算各層空調(diào)負(fù)荷，根據(jù)負(fù)荷為各樓層空調(diào)箱進(jìn)行選型；在運(yùn)行階段根據(jù)實(shí)際溫濕度分布情況，每臺空調(diào)箱可以根據(jù)對應(yīng)區(qū)域的負(fù)荷情況，實(shí)現(xiàn)水量、送風(fēng)溫度和風(fēng)量等參數(shù)的調(diào)節(jié)[9]。

此外，設(shè)計(jì)時對空調(diào)末端送風(fēng)口位置、送風(fēng)口角度、送風(fēng)風(fēng)速等參數(shù)進(jìn)行細(xì)節(jié)把控，控制送風(fēng)氣流組織，避免夏季冷風(fēng)直接墜入挑空區(qū)域和冬季熱風(fēng)直接上?。耗┒怂惋L(fēng)扣位于吊頂側(cè)面，調(diào)整送風(fēng)口角度射流向下，控制送風(fēng)風(fēng)速，以保證送風(fēng)到本層人員活動區(qū)域，形成良好的氣流組織(見圖2)。

圖2 中庭送風(fēng)優(yōu)化方案示意圖

2 運(yùn)行監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

2.1 監(jiān)測方案

獲得商場中庭高大空間真實(shí)可靠的溫濕度分布數(shù)據(jù)，以便客觀反映室內(nèi)熱濕環(huán)境整體分布情況。要獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)，首先需要制定合理、科學(xué)的監(jiān)測方案，在制定監(jiān)測方案時需考慮以下幾點(diǎn)要求：

(1)監(jiān)測點(diǎn)應(yīng)均勻布置在每層的典型區(qū)域，比如靠近建筑入口處、各層人員活動區(qū)等，布置范圍覆蓋不同樓層、不同位置；

(2)其次，測點(diǎn)安裝位置要隱蔽，避免人為干預(yù)，從而影響測試數(shù)據(jù)的真實(shí)性，安裝高度盡量接近人員活動區(qū)，可略高于人員高度，探頭位置要求通風(fēng)良好，避免陽光直射，不能放置在空調(diào)送回風(fēng)口附近或風(fēng)口射流影響范圍內(nèi)。監(jiān)測儀器數(shù)據(jù)記錄時間間隔不超過10 min，監(jiān)測數(shù)據(jù)長期存儲。

按照上述監(jiān)測方案要求，在商場在負(fù)一層及地上三層的公區(qū)走廊和靠近出入口處布置了溫濕度傳感器(見表1)，傳感器探頭位于吊頂格柵下，距地高度約2 m，傳感器設(shè)置記錄時間間隔為10 min，記錄時長為一年。整個中庭共布置了10個測點(diǎn)，具體情況：負(fù)一層是①～③號測點(diǎn)，一層是④～⑥號測點(diǎn)，二層是⑦～⑧號測點(diǎn)，三層是⑨～⑩號測點(diǎn)；其中⑤、⑥靠近主入口。

所使用儀器均進(jìn)行過標(biāo)定，且對于現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)使用多個自記儀相互校核并與BA系統(tǒng)的傳感器進(jìn)行相互校核的方式保證采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

2.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

因本文要解決的是商場垂直方向的溫度梯度問題、上熱下冷問題，因此對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析關(guān)注的是各層平均溫度是否均勻，暫不討論商場各季節(jié)溫度控制的合理性?！妒覂?nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》GB/T1888-20023對室內(nèi)溫度控制范圍是：夏季空調(diào)22～28℃，冬季采暖16～24℃范圍。另外《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50736-2012對舒適性空調(diào)對室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)規(guī)定見表2。

表1 測試儀器表

表2 空調(diào)室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)

在商場進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)營階段后，按照上述監(jiān)測方案進(jìn)行測點(diǎn)布置，對中庭全年逐時室內(nèi)溫濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測。對監(jiān)測數(shù)據(jù)整理分析，其中中庭制冷季、過渡季和供暖季典型月(8月、10月和12月)的溫度變化見圖3～圖5。對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)：

圖3 制冷季典型月商場中庭室溫分布情況

圖4 過渡季典型月商場中庭室溫分布情況

圖5 供熱季典型月商場中庭室溫分布情況

(1)對比上述標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的溫度要求，三個典型季節(jié)的平均溫度都處于舒適范圍內(nèi)，制冷季各測點(diǎn)平均溫度范圍23～26℃，過渡季平均溫度范圍22～24℃,供暖季平均溫度范圍18.5～24℃。

(2)制冷季，3層的⑩測點(diǎn)平均溫度較高，其他各層的溫度較為一致，均控制在24℃左右，未出現(xiàn)過冷區(qū)域。測點(diǎn)⑩問題經(jīng)現(xiàn)場調(diào)研，可通過空調(diào)箱控制調(diào)節(jié)改善。同為3層的⑨～⑩差異進(jìn)一步說明了空調(diào)箱控制調(diào)節(jié)對于區(qū)域溫度的影響。

(3)過渡季，中庭平均溫度均在23℃左右。

(4)供暖季，一層的⑤測點(diǎn)位于出入口附近，受出入口開關(guān)門影響，冬季有室外冷風(fēng)入侵導(dǎo)致溫度較低，但還處于舒適溫度范圍內(nèi)。但該處的開關(guān)門冷空氣滲入控制情況還可再改善。除測點(diǎn)⑤室溫偏低外，同一樓層不同測點(diǎn)溫度分布較為均勻。

從整體上看，不同樓層的溫度分布較為均勻，水平和垂直方向未出現(xiàn)明顯溫度梯度，基本無上熱下冷問題。

3 結(jié)論分析

本文針對中庭普遍出現(xiàn)的上熱下冷現(xiàn)象，分析現(xiàn)象的根本原因主要是中庭天窗設(shè)計(jì)不合理，聯(lián)通中庭的主要出入口氣密性差造成大量室外空氣滲入，空調(diào)氣流組織效果差。以實(shí)際案例某商場為例，在設(shè)計(jì)階段，結(jié)合商場中庭結(jié)構(gòu)實(shí)際情況對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化控制并落實(shí)于商場中，對穩(wěn)定運(yùn)營的商場全年在線監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)方案對中庭消除“上熱下冷”現(xiàn)象效果良好，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)控制方案的可行性。優(yōu)化措施包括：

(1)通過模擬多個對比方案的建筑負(fù)荷，優(yōu)化了中庭天窗的大小、遮陽系數(shù)，采用內(nèi)遮陽的遮陽設(shè)施，有效控制通過天窗的太陽輻射得熱量；

(2)通過出入口采用自動密閉旋轉(zhuǎn)門，建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)縫隙封堵，廚房排風(fēng)補(bǔ)風(fēng)聯(lián)動控制，減少建筑的室外冷風(fēng)侵入；

(3)分層、分區(qū)域獨(dú)立設(shè)置空調(diào)機(jī)組并優(yōu)化空調(diào)末端風(fēng)口的位置、朝向、風(fēng)速，改善氣流組織，避免空調(diào)冷風(fēng)下沉。

另外，魯能集團(tuán)酒店、商業(yè)綜合體節(jié)能降耗研究項(xiàng)目的支持下完成本文，特在此感謝。