山东大厦波特曼共享空间温度垂直失调对策与节能的研究

提要：
　　本文就山东大厦波特曼共享空间空调设计及工程施工中遇到的难题及对策，做了较深入的研究，主要采取了三项技术措施。一是在共享空间底部采用地板辐射采暖解决冬季共享空间底部空调效果较差的问题；二是在共享空间内采取室内空气在垂直高度上的强制循环措施，解决共享空间内温度在垂直方向上的温度梯度问题；三是采用自动喷口解决共享空间大跨度送风问题；同时分析了在共享空间采取热回收措施的必要性和可行性及采用热回收技术需要注意的问题。

关键词：共享空间，温度垂直失调，气流组织，地暖，自动喷口，热回收

一、 引言
　　山东大厦是一集客房、会议、餐饮、康体于一体的综合性建筑，按五星标准兴建。为体现大厦宏伟、庄重、具有时代感的特点，主楼建筑造型采用了国际上著名的"波特曼大空间"设计手法。该大空间具有典型的共享空间的特征，中空部分呈半圆筒型，高89米，内半径27米。由于该共享空间垂直高度及跨度很大，在国内罕见，造成共享空间内在垂直方向上空气温度呈梯度分布。在夏季，下冷上热的空气分布正好有利于空调效果的改善，但在冬季这种下冷上热的温度分布却严重影响了共享空间底部的空调效果。为了改善共享空间的冬季空调效果，采取了三项措施：1、在底部大堂设地板辐射采暖；2、利用共享空间下冷上热的特点，采取机械循环的方法，使空间内的温度趋向均匀；3、在底部大堂采用自动风向可变型喷口。我们还考虑到星级宾馆对室内的空气品质的要求，无原则进行通风换气。根据计算，该共享空间排风量高达20-30万m³/h。由于排风需要新风进行补充，所以极大地增加了新风负荷，能源消耗剧增，随着我国经济建设的发展，能源日趋紧张，供需矛盾日益突出。根据有关资料统计，我国建筑业耗能在总能源消耗中所占比例很高，高达20%。而在建筑业耗能中，空调耗能占到30%-40%。因此，在建筑行业中，必须重视节能工作，尤其要关注空调通风节能技术的研究与应用，为了减少能源消耗，充分利用排风中的能源，在本工程的空调通风系统中，增加了热回收系统。


二、 共享空间在垂直方向上温度呈梯度分布的问题解决及节能
　　1、空调通风系统简介
　　 主楼共享空间的空调系统分高区和低区两部分，其中低区1-5层，设备布置在5层平层(机械层)内；高区6-24层，设备布置在24(机械层)。低区和高区分别设置了二套空调通风系统。冬季，在烟囱效应作用下，共享空间内的温度较高的空气上升，室外冷空气或周围温度较低的空气补充，造成共享空间内底部空气温度低，上部空气温度高。这种室内空气温度状态分布，严重影响了室内空调效果。为解决这一问题，使共享空间内的温度垂直分布趋于接近，本工程采取了使共享空间内的空气在垂直方向上强制循环的措施，扰动共享空间的气流使温度分布趋于一致。设计方案见图1。
　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　图1 共享空间空气强制循环方案

　　2、共享空间热回收系统设计方案如图2。
　　该方案特点：充分利用原有空调系统，仅增加了少量设备，实现了共享空间排风的能量回收。根据计算该热量回收系统回收了排风中55-70%的可回收热量。
　　　　　
　　　　　　　　 图2山东大厦波特曼大空间热回收系统设计原理图　

　　3、热回收系统的组成
　　根据计算可被热回收系统利用的排风量约为20-30万m³/h。热回收系统应包括余热载体的收集和处理设备，可利用能量的储存、传递与转换设备，其他辅助设备等。根据国内外的成功经验，在共享空间内，采用以转轮式空气-空气换热器为核心的热回收系统效果好、投资省、经济效益显著。因此，本工程采用了这种成熟的系统形式。

　　4、系统核心设备---------转轮式空气-空气热交换器设备特性及设计计算。
　　转轮式空气-空气热交换器(又称转)，国内已研制成功，并已投入批量生产。该产品热回收率高，最高可达70%以上，被广泛应用于空调排风的能量回收入系统。该产品根据构造不同大致可分为回转型和静止型两类。其构造原理是：新风和回风分别在两个半部逆向通过回转着的转轮的转芯部分，转芯是由特殊材质制作的，呈蜂窝状，蓄存着从排风中获得的能量，当转向另一侧时，这些能量被新风带走。
　　(1)、转轮的特性
　　转轮的特性主要由热湿交换效率和空气阻力来衡量。
　　显热交换效率：
　　湿度交换效率：
　　全热交换效率：
　　新风侧空气阻力：
　　排风侧空气阻力：
　　式中，η_t、η_x、η_h分别表示热交换器的显热交换效率、湿度交换效率、全热交换效率。H₁、H₂分别为新风侧转轮热交换器进口和出口处的静压；H₃、H₄分别为排风侧转轮热交换器进口和出口处的静压。
　　(2)、转轮转速与效率的关系
　　从试验研究得知，对于一定材质和结构形式的转轮，其热湿交换效率与通过转芯的空气流速和转轮的转速有关，而且当面风速一定时，转轮的转速存在着某极限值。在此极限转速下η_t=η_x=η_h。当实际转速低于极限转速时，η_x小于η_t，而且，转速越低，其相关程度也越大。当面风速在2-4m/s 合理范围内时，转轮热交换器的压力降约为100-175Pa。
　　(3)、转轮新风排风比与效率的关系
　　研究得知，通过转轮的新风量与排风量的比值，影响着热湿交换效率。新风排风比值越大，效率越低。比值越小，效率越高。不过，在排风量一定的情况下，转轮新风排风比的减小，意味着新风量的减小，因此，尽管效率提高了，但是新风从排风中取得的热量不一定提高，反而可能降低。
　　对于多数转轮装置，在新风排风比为1时(即通过转轮的新风量等于排风量时)，其全热交换效率大致在70-80%。
　　(4)、转轮热交换器的设计计算
　　若已知新风量、排风量、内外空气状态参数，对特定的转轮热交换器就可以确定全热交换效率。当转轮在极限下转速下时，存在η_t=η_x=η_h，据此即可以确定新风经过转轮热交换器后的状态。当实际转速小于极限转速时，η_x＜η_t，因此新风经过转轮热交换器后的状态会有所变化。

　　5、共享空间热回收系统经济效益分析
　　进行热回收系统设计和实施，主要是为了节约能源，节约运行费用。所以在方案论证时经济效益分析是必不可少的关键环节。一般用静态投资回收期来衡量节能措施的投资经济性。 其中静态投资回收期=工程初投资/年节省费用。经分析计算结果如表1。

　　6、热回收系统设计注意事项
　　在热回收系统设计当中，需要注意如下几个问题：
　　a、只有达到一定品位和一定数量的余热，才有利用价值，值得回收；
　　b、余热通常品位较低，品质较差，热回收换热温差较小；
　　c、热回收系统在借助成熟的已用于常规系统的技术的同时，需要针对工程特殊性进行认真仔细地研究开发；
　　d、热回收技术仍处于研究开发阶段，应用时有一定复杂性，需要由各方专家进行可行性分析，做出技术评估报告；
　　e、余热回收技术应用场所广泛，如宾馆、商场、体育馆、剧场以及工业企业工艺系统等。