地下空间暖通系统的热环境调控策略研究

摘要：地下空间是指属于地表以下的空间，包括但不限于地下商城、地下停车场、地铁、矿井、军事设施、穿海隧道等建筑空间。本文总结了地下空间热稳定性、易封闭性、内部环境易控性以及湿度大且易潮湿的热环境特点，明确精准控制温度、合理调节湿度与方便设备管理的调控要点。基于此，提出优化系统设计，运用智能控制系统实现各子系统协同并改善通风条件，通过布设局部通风系统和合理设置通风井与管道等热环境调控措施。以供参考。

关键词：地下空间；暖通系统；热环境调控

近五年来，我国地下空间开发利用面积以年均10%的速度增长，市场规模已经达到了数千亿人民币。特别是在大中型城市，由于土地资源紧张，地下空间市场的增长率更是高达15%以上。随着城市建设的不断发展，地下空间的开发利用日益扩大化。然而，地下空间独特的热环境给暖通系统的设计与运行工作带来了较大难题。其热环境特点与地上建筑差异明显，如果不能进行有效调控，会出现地下空间内温湿度不适、空气质量下降等问题，影响人员健康和设备正常运行。因此，深入研究地下空间暖通系统的热环境调控策略，对提高地下空间的使用品质、实现能源高效利用和可持续发展具有重要意义。

一、地下空间热环境特点​

热环境是指由太阳辐射、气温、周围物体表面温度、相对湿度与气流速度等物理因素组成的作用于人，影响人的冷热感和健康的环境。

（一）热稳定性

地下空间的围护结构作为人工空间与围岩介质的分界面，是热量传递的关键通道。在夏季外界环境温度较高，热量通过围护结构由外向内传递。然而，围岩介质具有较大的热容量和蓄热能力，能够吸收并储存部分传入的热量，减缓热量进入人工空间的速度，使地下空间内温度上升幅度小于外界。暖通系统在制冷过程中，部分冷量也会通过围护结构传递给围岩介质，进一步降低了地下空间的温度升高趋势。​在冬季外界环境温度较低，人工空间内的热量通过围护结构向外传递给围岩介质。但由于围岩介质的蓄热作用，其自身温度变化缓慢，能在一定程度上阻挡热量的快速散失，对人工空间起到保温作用。暖通系统制热时，补充的热量在围岩介质的保温效应下，能更有效地维持室内温度。​正是这种人工空间与暖通系统以及围岩介质之间持续的热交换过程，使地下空间表现出“冬暖夏凉”的热环境特性。​

（二）易封闭性

相较于地上建筑，地下空间的围护结构面积与体积之比相对较小，且岩土介质的导热系数相对较低，地下空间通过围护结构进行的热量传递过程较为缓慢。且地下空间较为封闭，空气自然流通受限，这对热环境产生了两方面影响：一方面，有限的空气流通降低了与外界的热交换效率，地下空间内部的热量和湿度难以快速扩散，局部区域出现温度和湿度分布不均的情况；另一方面，相对稳定的空气环境也减少了热量的对流损失，有利于维持室内温度的稳定。

（三）内部环境易控性

由于外界气温的大幅变化难以直接传导至地下空间，暖通系统只需应对相对稳定的室内基础温度，利用制冷或制热设备便能较为轻松地将温度维持在设定区间。外界空气的湿度变化难以快速影响地下空间，通过合理配置除湿或加湿设备，能够有效控制内部湿度。当室内湿度偏高时，除湿设备可及时启动，去除多余水分；若湿度偏低，加湿设备则能按需工作，确保湿度适宜，防止因湿度过高引发霉菌滋生或过低导致人员不适。​利用智能控制系统，可根据室内空气质量实时数据，自动调整通风设备的运行状态，实现对空气质量的动态优化。

（四）湿度大且易潮湿‌

岩土中含有一定量的水分，这些水分会通过毛细作用或扩散现象，缓慢地向地下空间内部迁移，地下空间相对封闭的环境中空气流通不畅，新风补充量有限，难以有效稀释和带走多余的水汽，进一步加剧了潮湿状况。​且外界温暖潮湿的空气进入地下空间后，由于温度降低，空气的饱和水汽压随之下降，水汽极易达到过饱和状态，进而凝结成液态水，导致空间内湿度迅速上升。

二、地下空间暖通系统热环境调控要点

（一）要精准控制温度

地下空间热稳定但与外界存在温差，虽其自身温度变化缓慢，但外界环境的四季更迭仍会影响地下空间温度。如果温度调控不当，夏季高温时段外界热量传入，会使地下空间温度持续攀升，影响舒适度；冬季低温时热量散失，又会导致室内过冷。且地下空间的人员活动和设备运行情况复杂，不同区域功能各异对温度需求也不同。​那么在在调控温度时就要注意：其一，精确计算热负荷，充分考虑地下空间围护结构的热阻、人员和设备的散热量、新风负荷以及与围岩介质的热交换等因素；其二，采用智能控制系统，利用分布在各区域的温度传感器实时采集数据，通过自动化算法精确调节制冷制热设备的运行参数；其三，注重不同区域的差异化调控，根据办公、商业、仓储等不同功能区域的特点，设定相应的温度标准，并合理布置送风口和回风口。​

（二）要合理调节湿度

利用制冷设备将空气冷却到露点温度以下，使水汽凝结成液态水排出，在除湿过程中需合理设置制冷温度和空气流速。还可以利用转轮除湿法，转轮除湿机内的吸湿转轮在电机驱动下缓慢转动，潮湿空气通过转轮时，水汽被吸湿剂吸附，干燥后的空气排出，适用于对湿度要求严格且需要连续除湿的场所。​将湿度调节设备与暖通系统的其他部分进行联动控制，依据室内湿度水平自动调节，实现湿度的动态、精准调节，营造舒适、稳定的地下空间热湿环境。图1为湿度随时间变化曲线

（三）要能方便进行设备管理

地下空间一般会有大量的制冷机组、热泵、风机、水泵、各类管道以及复杂的控制系统等，这些设备数量多、种类复杂而且相互关联紧密，任何一台设备出现故障都可能影响整个系统的正常运行。​鉴于此，在设计地下空间暖通系统前，一定要预留足够的设备安装空间，且在运行过程中有足够的操作和检修空间，避免因空间局促导致设备安装不当或后期维护困难。同时，要预留充足的管道敷设空间，合理规划管道走向，避免出现管道交叉、挤压等问题，保障系统的水力平衡和气流组织稳定。

三、地下空间暖通系统的热环境调控策略分析

（一）优化系统设计

地下空间环境独特，具有热稳定性、湿度大、易封闭等特点，因此常规暖通系统难以满足精准调控需求。如果系统设计不合理，就会出现能源浪费、温度湿度分布不均的问题，无法为使用者提供舒适环境，甚至影响设备使用寿命和地下空间的整体安全性。​在优化系统设计时，可采用智能控制系统，构建全面的传感器网络，在地下空间各区域合理布置温度、湿度、空气质量等传感器，实时采集精确数据。辅以模糊控制、预测控制等先进的控制算法，根据传感器反馈的数据，自动、精准地调节暖通设备的运行参数。当检测到某区域温度过高时，系统能迅速调整制冷机组的制冷量和风机的送风量，实现快速降温。同时，结合动态负荷计算，根据实时变化的人员活动、设备散热等情况，动态调整系统运行模式，避免过度制冷或制热。将制冷、制热、通风、除湿等子系统集成到统一的智能平台，当湿度传感器检测到湿度超标时，除湿系统自动启动，同时通风系统调整风量，加速潮湿空气排出，各子系统相互配合，共同优化地下空间的热环境。智能控制系统对于温湿度控制的改进效果如表1所示。

（二）改善通风条件

1.布设地下空间局部通风系统

地下空间的局部通风系统，是针对地下空间内特定区域或局部场所进行通风换气的设施组合，它区别于全面通风系统，并非对整个地下空间进行空气置换，而是服务于设备机房、人员密集的局部工作区等热湿负荷集中或空气质量要求特殊的区域。​这类系统要做好地下空间的热环境调控要精准定位需通风的局部区域，根据各区域的功能需求、人员活动情况以及设备运行状况，明确通风重点。根据局部区域的空间大小、热湿负荷以及所需的通风量，挑选合适的风机类型和规格。空间狭小、热负荷较小的区域，可采用小型轴流风机；而大型设备机房，则需选用大风量、高风压的离心风机。​

2.设置通风井和通风管道

地下空间相对封闭，自然通风条件差，如果缺乏合理的通风设施，热量和污浊空气难以排出，新鲜空气无法充足供应，会导致热环境恶化，影响人员舒适度与健康，甚至威胁设备正常运行。通风井作为连接地下空间与外界的通道，可引入新风、排出废气，实现空气的自然对流；通风管道则负责将新风精准输送至各个区域，并将污浊空气收集排出，保障地下空间内的空气流通和热交换。​设置通风井和通风管道时需遵循一定原则：一是均匀性，要确保通风井和管道的布局能使地下空间各区域都获得足够的新风量，避免出现通风死角，保证各区域热环境均匀稳定；二是安全性，通风井和管道的材质、结构要满足防火、防爆、防腐蚀等要求，防止在运行过程中引发安全事故，且安装位置应避开危险区域和重要设施；三是高效性，在满足通风需求的前提下，尽量减少通风阻力，降低能耗，提高通风效率。​设置时要根据地下空间的功能布局、人员分布和设备位置等因素，合理规划通风井的数量和位置。

（三）设计热回收装置

地下空间的暖通系统长期运行，无论是制冷还是制热过程，都会产生大量原本被直接排放的余热或冷量，如果不加以回收利用，除了会造成能源浪费外，还会增加系统能耗和运行成本。热回收装置需要适应相对潮湿、通风条件有限的环境，其材质应具备良好的防潮、耐腐蚀性能，考虑到地下空间空间有限，这类装置需设计紧凑的结构，在有限空间内实现高效的热量交换。​常见有转轮式热回收、板式热交换器热回收等，其中，转轮式热回收适用于对新风量需求较大、对温度和湿度都有调控要求的场所；板式热交换器则结构简单、热交换效率高，适用于温差较大的热回收场景。注意要优化热回收装置使其与通风管道、空调机组等设备协同工作，如上文所说要配备智能控制系统，根据地下空间热环境参数的变化，自动调节热回收装置的运行状态，实现智能化、精准化的热回收。​

结束语：

总而言之，在实际热环境调控中要根据不同地下空间的功能需求和环境特点，综合运用地下空间暖通系统的相关设计方案，不断优化和完善暖通系统。未来研究可进一步探索新技术、新材料在地下空间热环境调控中的应用，提高调控的精准性和节能性，为地下空间的舒适、安全和可持续发展提供更有力的支持。​

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