建筑通风与空调工程中高大空间置换通风系统的气流组织优化及节能效果研究

一、引言

高大空间作为现代建筑的重要组成部分，其高度通常超过 8 米，体积可达数千至数万平方米，广泛应用于交通枢纽、公共场馆、工业厂房等场景。这类空间的空调通风系统不仅需满足人员活动区的温湿度、空气品质要求，还需应对热湿负荷波动大、垂直温度梯度明显等挑战。传统的混合通风系统通过强制混合空气实现温湿度控制，但存在能耗高、空气龄长、污染物易扩散等弊端。置换通风系统以低密度的新鲜空气从下部送入，利用热浮力作用推动空气向上流动，最终从顶部排风口排出，可有效降低人员区污染物浓度，理论节能潜力显著。

二、高大空间置换通风系统的气流组织特点及现存问题

2.1 气流组织基本特征

高大空间置换通风系统的气流组织遵循 “ 热浮力驱动” 原理，核心分为三个区域：送风口附近的新鲜空气扩散区、人员活动为主的稳定置换区、顶部热空气聚集的混合排风流区。在理想状态下，新鲜空气从地面或低空送风口以低风速（ 0.2-0.5m/s ）、低温差（ 2⋅4^∘C ）送入，在人员及设备散热形成的热浮力作用下，沿垂直方向缓慢上升，形成稳定的 “ 空气活塞”效应，将污染物与热空气逐步推向顶部排风口。该过程中，人员活动区始终被新鲜空气占据，空气品质优于混合通风系统，且无需将整个空间空气处理至设定温度，仅需满足下部人员区需求，具备节能基础。

2.2 现存核心问题

实际应用中，高大空间的复杂环境导致气流组织易偏离理想状态，主要问题包括：一是气流短路现象，当送风口布置不合理或送风风速过高时，新鲜空气未充分扩散即被附近排风口吸入，或受外部气流（如门窗渗透风、设备排风）干扰，无法到达人员活动区核心区域；二是温度分层失控，若送风温差过大或热源分布不均，上部热空气与下部冷空气易形成明显分层界面，当分层高度过低时，人员区易出现局部低温不适，分层过高则导致上部空间冷量浪费；三是气流覆盖不均，高大空间常存在柱网、隔断等建筑构件，阻碍气流扩散，导致局部区域（如角落、高大设备下方）出现通风死角，污染物堆积；四是能耗优势未发挥，部分系统为弥补气流组织缺陷，盲目提高送风风速或增大处理风量，反而导致风机能耗与冷量消耗增加，抵消置换通风的节能潜力。

三、高大空间置换通风系统的气流组织优化策略

3.1 送风口布置与形式优化

送风口的布置与形式直接决定新鲜空气的扩散范围，需结合高大空间的平面布局与热源分布设计。平面布置上，采用 “ 分区集中布置” 原则：在人员密集区（如航站楼值机岛、会展中心展台）采用地面嵌入式送风口，间距控制在 3-5 米，确保气流均匀覆盖；在通道等人员流动区采用侧墙低空送风口，与地面夹角 30–45^∘ ，扩大扩散范围；在高大设备周边设置针对性送风口，避免设备散热干扰主置换气流。送风口形式选择上，优先采用旋流送风口或条缝式送风口，旋流送风口通过叶片引导形成水平旋转气流，扩散半径较普通格栅送风口提升 40% ；条缝式送风口适用于狭长区域，可形成均匀的空气幕，阻隔外部气流干扰。某会展中心案例中，将原分散式顶部送风口改为地面旋流送风口分区布置后，人员区空气扩散均匀性提升 28‰ 。

3.2 送风参数动态调控

基于高大空间热湿负荷动态变化，建立送风参数（风速、温差、风量）动态调控机制。通过温度传感器、人员计数器实时采集人员密度、环境温度数据，用 PLC 控制系统自动调整：人员密度增加，适当提高送风风量（增幅 ≤20% ）维持新风量标准；室外温度降低或热源减少，缩小送风温差至 2-3^∘C 避免过冷；顶部热空气聚集过多，提高顶部排风机转速增强热浮力驱动。同时，控制送风风速上限 0.5m/s 、送风口出口动压 <5Pa ，确保气流平缓。动态调控可使系统适应不同工况，避免能耗浪费。

3.3 多系统协同气流组织

将置换通风系统与其他空调通风系统协同设计，形成互补体系。在高大空间顶部结合辐射供冷/供暖系统，降低上下温差；侧墙高位设辅助排风口，热空气聚集时开启引导排出；门窗渗透风入口设空气幕送风口阻隔干扰。针对有局部强热源场景，在热源上方设局部排风罩减少热负荷影响。某体育馆项目通过“ 置换通风 + 顶部辐射供冷 + 侧墙辅助排风” 协同设计，控制温度分层高度 4 - 5 米，人员区温度波动± 1℃以内。

四、节能效果评估与实践案例

4.1 节能效果评估指标与方法

高大空间置换通风系统节能评估从“ 系统能耗” 与“ 冷量利用效率”构建指标体系：系统能耗含空调机组、送排风机、水泵等分项及总能耗；冷量利用效率含温度分层效率、新风利用效率、COP 等。评估采用“ 数值模拟 + 现场测试” 结合：CFD 软件模拟预测节能潜力；现场测试安装设备采集 1 - 3 个周期数据，对比分析能耗与环境参数变化。

4.2 实践案例：某机场航站楼置换通风系统优化

某机场航站楼中央大厅高 22 米、面积 8000m² ，原系统存在气流短路、温度不均、能耗高问题。优化措施：送风口改为“ 地面旋流 + 值机岛嵌入式” 分区布置，间距 4 米；建立基于人员密度的送风参数动态调控系统，送风温差依室外温度调 2-4^∘C ；顶部增设辐射供冷板配合辅助排风机；阻隔门窗渗透风。优化后，人员活动区温度均匀性从 ± 2.5°C 提升至 ± 0.8 ^∘C ，空气龄从 120 秒缩至 65 秒，PM2.5 浓度降 35% ；系统总能耗降18.6% ，空调机组能耗降 21% ，送排风机能耗降 15% ；冷量利用效率从 62% 提升至 85% ，年节约运行费约 60 万元。

五、结论

高大空间置换通风系统的气流组织优化是提升系统能效与环境品质的核心路径，通过送风口布置优化、送风参数动态调控及多系统协同设计，可有效解决气流短路、温度分层失控等问题，充分发挥置换通风的节能优势。实践表明，优化后的系统不仅能显著改善人员区空气品质与热舒适性，还可实现 15%-20% 的能耗降低。

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