1 概述

置换空调通常采用下送上回方式，与传统的全室空调相比，具有既可保证工作区的空气品质，又可有效利用空间上下温度分层的特点以达到节能的目的，一般适用于空间高度大于3米的建筑。本文介绍的报告厅为具有阶梯坐席的观众席空间。

该报告厅位于上海某大学校区一幢新建教学楼附楼的二层顶层，面积为350平米，有14排共350个座位。吊顶下建筑层高为大于3.85米。室内空间上部有大量照明热负荷和围护结构热负荷，下部观众席则集中了人员热湿负荷。

2 空调系统设计与计算

2.1 空调主要设计参数

（1） 室外设计气象参数：

夏季空调干球温度：34℃，夏季空调湿球温度：28.2℃；

（2） 室内空调设计参数：

温度：夏季27^oC，相对湿度：夏季60﹪；

室内噪声级：NR 35；新鲜空气量：每人每小时20 m³。

2.2 工作原理

置换空调的工作原理是，由房间低处送出的冷风低速进入工作区内，因为密度大而像湖水一样弥漫了整个房间地板上，遇到室内热源产生向上的对流气流，使室内产生垂直的温度梯度，向上的热对流将污染物和大部分的照明和围护结构的冷负荷带到高处，由排风直接带走。由于室内形成垂直的温度分层，使上部的得热量减少，与全室空调相比，大大降低了空调除热负荷^[1]。

2.3 负荷及风量计算

根据国际标准ISO7730，人员停留区垂直温度梯度应小于3 ℃/m，静坐时推荐值为2℃/m，设工作区高度为2.2米，则人员停留区温升应小于4.4℃。

2.3.1 空间高度分区及各区余热量计算：

表中余热量的计算不包括人员的潜热，因为促成温度分层的因素是显热。人员呼出的水蒸汽可由向上的热气流带走。

2.3.2 最小送风量计算：

取人员停留区允许温升为4℃，由公式：

L=3600Q_y/(ρc_pΔt) （1）

式中， L—最小送风量（m³/h）；

Q _y—工作区余热量（kw）；

c_p－空气定压比热容，1.01kJ/kg℃；

ρ—空气密度，1.2kg/m³；

Δt—设计温度差，4℃。

则最小送风量L=3600×19.8/(1.2×1.01×4)=14703m³/h

2.3.3 各分区温升计算：

可以用由公式（1）变化而来的Δt=3600Q_y/(ρc_p L)计算各分区余热量造成的空气温升：底部区：1℃，工作区：4℃，中间区：0.22℃，上部区：2.53℃。则工作区温度梯度为4/2.2=1.82℃/m。设工作区顶部控制温度为27℃，则地面处送风温度为22℃，顶部排(回)风温度为29.7℃。温度分布情况如图1所示。

图1 夏季温度分布曲线图 图2 夏季空调方案图

2.3.4 相对湿度计算：

设工作区顶部为室内控制点参数状态，即室内N点，干球温度t _N=27℃，湿球温度t _NS=21.2℃，焓h _N=61.39kJ/kg，含湿量d _N=13.70g/kg。根据公式：

L=3600W/Δd

式中： W—室内余湿（g/s）；

L—送风量（m³/h）；

Δd—含湿量变化（g/kg）。

因为室内散湿量为23.6kg/h，则Δd=23631/(14703×1.2)=1.34g/kg，假设湿度随空间高度变化呈线形分布，则水蒸气浓度梯度值为0.35 g/kg×m，送、排风点的湿度分别为12.9g/kg、14.26 g/kg，这样在焓湿图上即可定出送风点O点的状态为：t _O=22℃，t _OS=19.3℃，h _O=55kJ/kg；排风点P的状态为：t _P=29.7℃，t _PS=22.6℃，h _P=66.5kJ/kg，d _P=14.26g/kg。设室外点W：t _W=34℃，t _WS=28.2℃，h _W=90.4kJ/kg；机器露点L：t _L=19℃，t _LS=17.9℃，h _L=50.6kJ/kg，d _L=12.38g/kg。把各点在焓湿图上表示出来，即如图2所示。

2.3.5 根据焓湿图计算其余参数：

报告厅设计容纳350人，新风按每人20 m³/h计算，则新风量为L _w=20×350=7000 m³/h。则新风负荷：Q _w=ρL _w(h_w-h_p)=1.2×7000×(90.4－66.5)/3600=56kW

室内负荷：Q_N=ρL(h_p-h_o)= 1.2×14703×(66.5－55)/3600＝56kW，

则总负荷为：Q_Z= Q_w+Q_N=112kW，排风负荷：Q_P=ρL_P (h _P-h _O)= 21.5kW。

通过表冷器的风量L_L=Q_N/ρ(h_p-h_L)=10604m³/h,二次回风量L₂=L-L_L=14703-10604=4100 m³/h，一次回风量L₁=L_L-L_w=10604-7000=3604m³/h。确定一次回风混合点C的焓值：h_C= (L₁h_p+L_wh_w)/ L_L=82.3kJ/kg，则C点t _C=32.6℃，t _CS=26.4℃，d _C=19.3g/kg。

又可根据焓湿图得出总负荷为Q_Z’=ρL_L(h_C-h_L)=112kW，与前面计算相符。

2.4 风口的型式和布局：

置换空调的送风方式分为地上侧送风和座位送风两类，地上侧送风方式的风口布置简单，但与建筑内装饰有关，且占用建筑面积。由于一层为门厅，建筑有较高的层高要求，所以讲台和观众席前排座位下方不能布置风管，经与建筑师协商，报告厅主要采用孔板送风和置换通风器相结合的地上侧送风方式，分别在墙角、靠墙和讲台下方布置送风口；另外在台阶下空间高度较高的观众席后排采用了座位送风方式，送风口面风速为小于0.35m/s。送风口要求紊流系数小，则送风气流少与室内空气掺混，有利于发挥置换作用，将污染物由上方排走。回风口和排风口则设置在报告厅上方吊顶内。如图3所示：

图3 报告厅送风口布置图

3 CFD校核

为了验证设计计算，采用CFD专业模拟软件AirPak2.0（Fluent公司）对报告厅进行了稳态模拟。模拟中采用零方程建立模型，网格选用六面体网格，计算方法为有限体积离散法。模拟中边界条件以及参数设置与设计条件保持一致。

模拟结果如图4、5所示。由图4可知，报告厅内温度分层非常明显，工作区上部温度不超过27^oC；由图5可知，报告厅内各点风速不大于0.25m/s，报告厅两侧风速较大，中部风速较低，不会产生因风速较大而引起不舒适感。综合温度和风速两方面，可以验证本设计基本上能够保证工作区满足舒适性要求。

图4(a) 报告厅CFD模拟温度剖面图

图4(b) 报告厅t=27摄氏度等温面分布图 图4(c) 第二排座椅正中位置沿垂直方向温度分布

图5 报告厅速度矢量与速度场分布图

4 结论

笔者详细介绍了某校区报告厅的置换空调系统的设计和计算方法，并采用CFD模拟方法对设计进行了校核，认为本设计能够保证置换空调的效果和舒适性要求。

5 参考文献

1 谭洪卫，村田敏夫. 剧场空间置换空调系统的应用研究之一：地上侧送风方式.暖通空调，2003，33（3）：21-23.

2 李强民. 置换通风原理、设计及应用. 暖通空调，2000，30（5）：41-46.

3 岑鸣，倪波.上海体育馆置换通风系统设计研究. 暖通空调，2000，30（5）：5-8.

4 屈国伦. 广州新体育馆置换通风空调设计探讨. 制冷，2002，21（2）：44-48.