黃奕沄 張玲

浙江建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院

低風(fēng)速分層式空調(diào)系統(tǒng)在傳統(tǒng)寺廟大殿中的應(yīng)用

黃奕沄 張玲

浙江建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院

傳統(tǒng)寺廟大殿通常以木結(jié)構(gòu)為主，具有空間高大、門(mén)窗縫隙多和宗教裝飾要求高等特點(diǎn)。本文采用了一種低風(fēng)速分層式空調(diào)設(shè)計(jì)方案應(yīng)用于傳統(tǒng)寺廟大殿。通過(guò)采用風(fēng)機(jī)盤(pán)管隱蔽在佛臺(tái)下，以低風(fēng)速送風(fēng)的設(shè)計(jì)方法，形成了室內(nèi)分層的空調(diào)環(huán)境。對(duì)實(shí)測(cè)結(jié)果的分析表明，這種空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能率達(dá)到41.2%。這個(gè)設(shè)計(jì)方案不僅適應(yīng)了寺廟大殿的特殊要求，同時(shí)能夠大大降低空調(diào)能耗。

分層式空調(diào) 低風(fēng)速 傳統(tǒng)寺廟大殿 高大空間

0 引言

高大空間具有垂直溫度梯度明顯、空調(diào)負(fù)荷較大等特點(diǎn)，為了獲得良好的節(jié)能效果并滿(mǎn)足人員的熱舒適性，只冷卻下部人員活動(dòng)區(qū)的分層空調(diào)被認(rèn)為是一種設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、投資較省、運(yùn)行節(jié)能、舒適環(huán)境有保障的實(shí)現(xiàn)方式。國(guó)內(nèi)不少研究人員對(duì)分層式空調(diào)進(jìn)行了研究[1～4]，研究結(jié)果表明采用分層空調(diào)與全室空調(diào)相比，夏季通?？晒?jié)省冷量30%左右，最多可節(jié)約50%。

傳統(tǒng)佛教寺廟大殿的使用和布局特點(diǎn)與一般高大空間有著明顯的差別。傳統(tǒng)佛教寺廟大殿采用大量木結(jié)構(gòu)，保溫性能差；大門(mén)經(jīng)常開(kāi)啟，門(mén)窗多且縫隙大，漏風(fēng)嚴(yán)重。更為重要的是，空調(diào)系統(tǒng)的布置不能影響寺廟裝飾風(fēng)格和文化要求，這為空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來(lái)了諸多困難。文獻(xiàn)[5]在兗州市興隆文化園靈光寶殿進(jìn)行了分層空調(diào)設(shè)計(jì)，但該大殿的建筑風(fēng)格屬于現(xiàn)代建筑。如何在傳統(tǒng)寺廟大殿進(jìn)行分層式空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，尚未見(jiàn)到文獻(xiàn)述及。

本文針對(duì)傳統(tǒng)寺廟大殿的這些特點(diǎn)，結(jié)合實(shí)際工程應(yīng)用試做一探討。

1 工程概況

工程應(yīng)用項(xiàng)目為浙江杭州市郊區(qū)的中天竺寺廟新建大殿。大殿下部大半為土壤，部分為架空層，是寺廟內(nèi)僧侶的食堂。大殿建筑面積509m2，其中有146m2中間區(qū)域（三座佛像周?chē)└叨葹?1m，周邊區(qū)域高度為6m。

大殿是磚混與木結(jié)構(gòu)的混合建筑，兩側(cè)基本為磚墻，前后木門(mén)面積很大。大殿正面木門(mén)高度約5m。木門(mén)不僅開(kāi)窗（雕花木格+單層玻璃）面積大，而且木門(mén)之間的縫隙很大。大殿5m以上的部分也是鏤空木窗，木窗之間的縫隙也很大，有的窗縫寬達(dá)5mm。大殿可開(kāi)啟的木門(mén)有正面大門(mén)（2.4m寬、4m高）、側(cè)面兩扇小門(mén)，后殿的后門(mén)雖然和正門(mén)一樣由多扇組成，但均不開(kāi)啟。

大殿的使用時(shí)間為早上6點(diǎn)至下午18點(diǎn)左右，在此期間大殿的正大門(mén)是不允許關(guān)上的。因此，該建筑采用空調(diào)具有諸多的不利因素。它不僅建筑內(nèi)空間高度大、圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫性能很差、有大量的門(mén)窗縫隙滲透負(fù)荷，更為不利的是，在實(shí)際運(yùn)行中大門(mén)在空調(diào)使用期間始終敞開(kāi)。

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 設(shè)計(jì)參數(shù)及負(fù)荷計(jì)算

室外氣象參數(shù)為：夏季室外干球35.7℃，濕球28.5℃；冬季室外空調(diào)計(jì)算干球溫度-4℃，空調(diào)相對(duì)濕度77%。

室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)為：夏季室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度26℃RH；冬季室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度18℃。

大殿內(nèi)基本沒(méi)有照明，全部依靠自然采光，也沒(méi)有其他設(shè)備散熱。

分層空調(diào)負(fù)荷計(jì)算主要指的是夏季分層空調(diào)冷負(fù)荷計(jì)算。分層式空調(diào)在冬季并不節(jié)能，故冬季須按全室供熱方式進(jìn)行計(jì)算。由于送風(fēng)口高度低，送風(fēng)射程近，工作區(qū)按理論計(jì)算只能到送風(fēng)口的高度以下，實(shí)際設(shè)計(jì)中按1.8m高度計(jì)算分層空調(diào)區(qū)負(fù)荷。分層面以上的空間為非空調(diào)區(qū)；分層面以下的空間為空調(diào)區(qū)。

大殿空調(diào)主要服務(wù)對(duì)象為下午做功課的僧人，人數(shù)按30人設(shè)計(jì)。大殿內(nèi)有一些燈燭散熱，功率取2kW。由于大門(mén)經(jīng)常開(kāi)啟且各處縫隙甚多，滲透風(fēng)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于按人數(shù)計(jì)算的最小新風(fēng)量。由于各處木結(jié)構(gòu)縫隙大小不一，滲透風(fēng)量無(wú)法準(zhǔn)確計(jì)算，設(shè)計(jì)時(shí)按1次換氣次數(shù)估算，風(fēng)量為3760m3/h。

空氣區(qū)域冷負(fù)荷的組成：

式中：qc1為空調(diào)區(qū)分層空調(diào)冷負(fù)荷，W；q1w為通過(guò)空調(diào)區(qū)外圍護(hù)結(jié)構(gòu)得熱形成的冷負(fù)荷，W；q1n為空調(diào)區(qū)內(nèi)部熱源散熱形成的冷負(fù)荷，W；qx為空調(diào)區(qū)室外新風(fēng)或滲透風(fēng)形成的冷負(fù)荷，W；qf為非空調(diào)區(qū)向空調(diào)區(qū)輻射熱轉(zhuǎn)移形成的冷負(fù)荷，W；qd為非空調(diào)區(qū)向空調(diào)區(qū)對(duì)流熱轉(zhuǎn)移形成的冷負(fù)荷，W。

限于篇幅，本文不再列出具體計(jì)算方法。詳細(xì)計(jì)算方法可見(jiàn)文獻(xiàn)[6]。

經(jīng)計(jì)算，大殿按常規(guī)計(jì)算方法夏季冷負(fù)荷為92.8kW，按分層空調(diào)計(jì)算方法65kW，夏季冷負(fù)荷比常規(guī)空調(diào)理論計(jì)算要低29.3%。冬季熱負(fù)荷為114.7kW。

2.2 空調(diào)設(shè)計(jì)方案

大殿的空調(diào)系統(tǒng)冷熱源原擬采用水源熱泵，后因打井申請(qǐng)未獲批準(zhǔn)，最后采用了一臺(tái)空氣源熱泵機(jī)組?？紤]到大殿以滿(mǎn)足夏季空調(diào)為目的，為減少機(jī)組容量，以夏季計(jì)算冷負(fù)荷為基準(zhǔn)，適當(dāng)兼顧冬季熱負(fù)荷，最終確定機(jī)組制冷量為80kW，制熱量82kW。為增大除濕能力，風(fēng)機(jī)盤(pán)管采用三排管表冷器。

由于大殿各處漏風(fēng)甚多，大門(mén)又不能關(guān)閉，故不設(shè)新風(fēng)系統(tǒng)。

大殿采用分層式空調(diào)系統(tǒng)。根據(jù)大殿的布局特點(diǎn)，將空調(diào)送風(fēng)口布置在中央和周邊的佛臺(tái)側(cè)面。佛臺(tái)高度為1.6m，里面凈空很小，難以布置風(fēng)管，故采用風(fēng)機(jī)盤(pán)管暗裝布置在佛臺(tái)里面。送風(fēng)口高度在1.2m左右。風(fēng)機(jī)盤(pán)管出口接一段250mm長(zhǎng)的送風(fēng)管，利用佛臺(tái)側(cè)面的鏤空雕花空隙作為送回風(fēng)口。

由于送風(fēng)口直接面對(duì)游客的胸口，為避免不適感，選擇較低的送風(fēng)風(fēng)速。冷空氣實(shí)際上只能以蔓延的形式擴(kuò)散到大殿各處。這種形式與置換通風(fēng)的送風(fēng)效果有很相似。

大殿正門(mén)有0.4m高的門(mén)檻，正好可以阻擋部分沿地面擴(kuò)散的冷氣。為提高大門(mén)入口區(qū)域的空調(diào)效果，在大門(mén)兩側(cè)的工作臺(tái)底部設(shè)置了兩臺(tái)暗裝風(fēng)機(jī)盤(pán)管，沿大門(mén)門(mén)檻對(duì)吹。工作臺(tái)內(nèi)沿墻各設(shè)一臺(tái)立式明裝風(fēng)機(jī)盤(pán)管，以滿(mǎn)足工作人員的空調(diào)需要。

為便于運(yùn)行管理，所有風(fēng)機(jī)盤(pán)管采用集中控制的方式運(yùn)行。

大殿的平面布置見(jiàn)圖1。

圖1 大殿空調(diào)平面布置圖

3 實(shí)測(cè)效果

測(cè)試時(shí)間8月末為午后，天氣多云，室外干球溫度35.3℃。大殿大門(mén)敞開(kāi)，為減少冷氣的逃逸，大門(mén)上做了布簾垂下，但仍有2.4m（高）×1.6m（寬）的開(kāi)口。門(mén)檻高度 0.4m。測(cè)量?jī)x器采用數(shù)字式溫濕度計(jì)tes1360a，測(cè)量范圍-20℃～+60℃，精度為±0.8℃。

由于風(fēng)機(jī)盤(pán)管送風(fēng)風(fēng)速較低的關(guān)系，大殿內(nèi)空氣出現(xiàn)了明顯的溫度分層。測(cè)量點(diǎn)風(fēng)機(jī)盤(pán)管的送風(fēng)溫度16.1℃，地面溫度22℃，0.8m高處空氣溫度23.8℃，1.7m高處27.6℃，超過(guò)1.7m以后溫度上升較快，伸手過(guò)頭頂有明顯的溫?zé)岣??？諝夥謱咏缑婊驹?.7m左右。人體下部不感覺(jué)冷，但頭部感覺(jué)略為偏熱。

殿內(nèi)各處的溫度均勻度尚好，個(gè)別地點(diǎn)受送風(fēng)口間距及柱子阻擋影響，室溫略有偏高，1.7m處空氣溫度達(dá)到28.0～28.5℃，具體位置見(jiàn)圖2中A點(diǎn)。其中靠近大門(mén)的區(qū)域因受大門(mén)開(kāi)啟影響，溫度偏高更多一些，這個(gè)是在預(yù)料之中的。大門(mén)的門(mén)檻起到了較好的阻擋冷空氣的作用，站在門(mén)檻內(nèi)可感覺(jué)到明顯的涼意。門(mén)口內(nèi)2m處1.5m高的空氣溫度也達(dá)到了27.7℃。

鏤空雕花送風(fēng)口的風(fēng)速較小，只有1m/s左右，因風(fēng)口由鏤空小孔組成，類(lèi)似孔板送風(fēng)口，故送風(fēng)衰減很快，站在風(fēng)口前1m處感覺(jué)不到冷風(fēng)，整個(gè)大殿的空調(diào)隱蔽效果令人滿(mǎn)意，試運(yùn)行時(shí)游客反映良好。

開(kāi)啟的大門(mén)導(dǎo)致大量的冷空氣向外泄出。經(jīng)測(cè)量，門(mén)洞處平均風(fēng)速0.6m/s，漏出的冷風(fēng)共計(jì)約8000m3/h。

將大門(mén)關(guān)閉，5分鐘后頭部溫?zé)岬母杏X(jué)已經(jīng)消失，1.7m高處溫度下降至27℃。由于寺廟開(kāi)放的關(guān)系未能進(jìn)行更久的閉門(mén)測(cè)試，可依此推斷，長(zhǎng)時(shí)間關(guān)上大門(mén)后，空氣分層界面有可能移至2m以上，室內(nèi)溫度環(huán)境將進(jìn)一步趨于均勻舒適。

設(shè)計(jì)時(shí)將5臺(tái)風(fēng)機(jī)盤(pán)管放在主佛臺(tái)前面，擔(dān)心佛臺(tái)前局部會(huì)過(guò)冷。實(shí)際佛臺(tái)前面有一張很大的桌子擋住了部分送風(fēng)口，大殿中央靠近大門(mén)一側(cè)仍感覺(jué)溫度有所偏高。設(shè)計(jì)風(fēng)機(jī)盤(pán)管風(fēng)量為中檔，擔(dān)心風(fēng)速太高、噪聲太大。實(shí)際運(yùn)行時(shí)風(fēng)機(jī)盤(pán)管均為高檔風(fēng)量，送風(fēng)口風(fēng)速并不高，可能與雕花木格起到了阻擋作用有關(guān)。風(fēng)機(jī)盤(pán)管噪聲很輕幾乎聽(tīng)不到。

冬季空調(diào)供熱未測(cè)試數(shù)據(jù)，試運(yùn)行中在大門(mén)關(guān)閉的情況下總體感覺(jué)較溫暖。但大門(mén)開(kāi)啟情況下，靠近大門(mén)有較大區(qū)域溫度梯度十分明顯，不能滿(mǎn)足舒適要求。由于主機(jī)冬季容量遠(yuǎn)小于計(jì)算負(fù)荷，這個(gè)結(jié)果也在預(yù)料之中。

4 實(shí)測(cè)結(jié)果分析

在傳統(tǒng)大殿中應(yīng)用空調(diào)，特別是在門(mén)窗縫隙大且數(shù)量眾多、大門(mén)開(kāi)啟的條件下會(huì)有多少冷風(fēng)滲透，實(shí)際空氣分層高度是多少，均無(wú)法通過(guò)理論模擬事先得出。實(shí)測(cè)的結(jié)果還是令人滿(mǎn)意的，在大門(mén)外泄冷風(fēng)量達(dá)到8000m3/h左右的條件下，基本可以維持室內(nèi)人體活動(dòng)范圍內(nèi)達(dá)到28℃以下的溫度環(huán)境。

筆者按照8000m3/h的新風(fēng)量重新計(jì)算了建筑負(fù)荷。測(cè)試時(shí)的室外氣象條件與計(jì)算條件相差不大，因此無(wú)需修改室外氣象條件，通過(guò)將外窗外遮陽(yáng)的遮擋面積比例設(shè)置為100%模擬室外多云天氣，發(fā)現(xiàn)實(shí)際建筑冷負(fù)荷已經(jīng)達(dá)到了136kW。按照實(shí)際機(jī)組制冷量80kW來(lái)進(jìn)行計(jì)算，該大殿采用低風(fēng)速分層式空調(diào)的理論計(jì)算節(jié)能率達(dá)到了41.2%。由于大殿各處均有縫隙漏風(fēng)，可以推算總漏風(fēng)量超過(guò)8000m3/h，因而實(shí)際的節(jié)能率可能會(huì)更高。

室內(nèi)空氣產(chǎn)生溫度分層是預(yù)計(jì)的目標(biāo)，以減小空調(diào)負(fù)荷。實(shí)際分層高度偏低了一些，且空氣溫度梯度偏大。其原因主要有兩個(gè)，一是送風(fēng)口高度偏低（特別是主佛臺(tái)下的風(fēng)口，僅有1m左右高），二是敞開(kāi)的大門(mén)及各處縫隙引起大量冷風(fēng)外泄，而熱氣從上部和周邊補(bǔ)充，導(dǎo)致室內(nèi)工作區(qū)較大的溫度梯度。

5 結(jié)論

本項(xiàng)目采用了低風(fēng)速分層式空調(diào)的原理對(duì)寺廟大殿進(jìn)行了空調(diào)設(shè)計(jì)，這種低風(fēng)速分層式空調(diào)帶有置換通風(fēng)的送風(fēng)特點(diǎn)，即送風(fēng)口較低，冷風(fēng)沿地面以很低的風(fēng)速向遠(yuǎn)處蔓延。從實(shí)測(cè)結(jié)果來(lái)看，這個(gè)設(shè)計(jì)方案在夏季不僅適應(yīng)了寺廟大殿的裝飾要求和大門(mén)開(kāi)啟的使用要求，同時(shí)能夠大大降低空調(diào)能耗，其代價(jià)是犧牲了少許空調(diào)舒適感。

為提高舒適感和降低能耗，建議今后寺廟大殿需要設(shè)置空調(diào)時(shí)，應(yīng)對(duì)所有木門(mén)窗縫隙進(jìn)行填補(bǔ)處理，并對(duì)敞開(kāi)的大門(mén)做透明門(mén)簾，以減少?gòu)拇箝T(mén)外泄的冷風(fēng)。

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Applic a tion of Stra tifie d Air Conditioning Sys te m w ith Low Ve loc ity in the Tra ditiona l Te m ple Ma in Ha ll

HUANG Yi-yun,ZHANG Ling
Zhejiang College of Construction

The traditional main hall of temple is mainly made of timber,it has special features:many cracks between doors and windows,large space,special decorative requirements of religion,etc.This paper presented a design scheme of the low velocity-stratified air conditioning system in accordance with these features.Tested results showed the system reached 41.2%of energy saving efficiency.The design not only met the temple hall’s special requirements,but also greatly reduced the energy consumption of the air conditioning.

stratified air conditioning,low air velocity,traditional main hall of temple,large space

1003-0344（2015）01-069-4

2013-12-28

黃奕沄（1968～），男，碩士，副教授；杭州市蕭山高教園區(qū)浙江建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院（311231）；0571-82873592；E-mail:3721hyy@163.com