某工程空調(diào)系統(tǒng)送風(fēng)方案的熱舒適性模擬分析

焦輝

（奧雅納工程咨詢（上海）有限公司，上海200031）

某工程空調(diào)系統(tǒng)送風(fēng)方案的熱舒適性模擬分析

焦輝

（奧雅納工程咨詢（上海）有限公司，上海200031）

以一個(gè)實(shí)際項(xiàng)目為例，采用熱舒適性模擬對(duì)高大空間的辦公大堂頂送風(fēng)和側(cè)送風(fēng)的兩個(gè)空調(diào)送風(fēng)方案進(jìn)行模擬，以其溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)、PMV-PPD的分布數(shù)據(jù)作為參考數(shù)據(jù)協(xié)助設(shè)計(jì)人員確定空調(diào)送風(fēng)方案。

高大空間；氣流組織；熱舒適性；溫度場(chǎng)；速度場(chǎng)；評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

0 引言

目前越來(lái)越多的大型商業(yè)綜合體項(xiàng)目中包含辦公塔樓的建筑，其辦公大堂具有單體空間高大、空調(diào)冷熱負(fù)荷大、豎向方向上氣流和溫度變化較大等特點(diǎn)，在空調(diào)方案確定時(shí)在理論計(jì)算后通過(guò)熱舒適性模擬為輔助工具，相對(duì)較為準(zhǔn)確的了解空調(diào)方案的情況，協(xié)助設(shè)計(jì)人員確定類似辦公大堂等高大空間的空調(diào)送風(fēng)方案及送風(fēng)風(fēng)量。

1 辦公大堂建筑概況

大堂面積為54m×54m，模型中分為兩個(gè)區(qū)域:1區(qū)和2區(qū)。

2 空調(diào)設(shè)計(jì)

2.1 負(fù)荷及送風(fēng)量計(jì)算

2.1.1 負(fù)荷計(jì)算

根據(jù)大堂設(shè)計(jì)參數(shù)，大堂人員密度為10m2/人，電器設(shè)備和照明負(fù)荷分別為5W/m2、11W/m2[2]。

圍護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷計(jì)算所需要的基本參數(shù)包括室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)、外圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)等，見(jiàn)表1-表3。

根據(jù)負(fù)荷計(jì)算結(jié)果，冬季圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱負(fù)荷為57.5W/m2，夏季圍護(hù)結(jié)構(gòu)冷負(fù)荷為98.2W/m2，內(nèi)熱20W/m2。

表1 夏季室內(nèi)外設(shè)計(jì)參數(shù)

表2 冬季室內(nèi)外設(shè)計(jì)參數(shù)

表3 外圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.1.2 送風(fēng)量計(jì)算

根據(jù)大堂夏季與冬季室內(nèi)負(fù)荷，計(jì)算出1區(qū)和2區(qū)全室性空調(diào)方式的設(shè)計(jì)工況風(fēng)量均為36000m3/h。采用頂送方案時(shí)確定風(fēng)量36000m3/h。采用分層送風(fēng)的方式時(shí)僅對(duì)室內(nèi)下部人員活動(dòng)區(qū)進(jìn)行空調(diào)、而不對(duì)上部空間空調(diào)的空調(diào)方式，理論而言可節(jié)省部分冷量，其送風(fēng)量小于頂送時(shí)的風(fēng)量。但從理論計(jì)算較難確定送風(fēng)風(fēng)量，在以下模擬時(shí)分別就側(cè)送風(fēng)量按照全室性空調(diào)方式的風(fēng)量的90%、80%、70%進(jìn)行了舒適性模擬，以下的模擬結(jié)果陳述中僅列出模擬后確定風(fēng)量為28800m3/h的速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)和PMV-PPD分布。

2.2 空調(diào)送風(fēng)方案

2.2.1 頂送方案

頂送方案選用條縫型風(fēng)口布置于幕墻周邊，圓形散流器布置于大堂內(nèi)部[4]。

不同區(qū)域的選型結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 頂送方案選型結(jié)果

風(fēng)口布置如圖1所示。

圖1 頂送方案風(fēng)口布置示意圖

2.2.2 側(cè)送方案

選用球形噴口側(cè)送，布置于大堂幕墻側(cè)柱子上，每根柱子布置兩個(gè)噴口，安裝高度為4.5m，電梯廳風(fēng)口及回風(fēng)口與頂送方案一致[3]。球形噴口的外形如圖2所示，不同區(qū)域的選型結(jié)果見(jiàn)表5。

風(fēng)口布置如圖2所示。

表5 側(cè)送方案選型結(jié)果

3 模型建立及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

3.1 建筑模型

使用A irpak軟件進(jìn)行數(shù)值分析，建筑在A irpak軟件中建立的3D模型如圖3所示。

3.2 數(shù)學(xué)模型

采用Navier-Stokes方程作為室內(nèi)氣體運(yùn)動(dòng)的控制方程組，其中包括連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和能量方程。計(jì)算中應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)k-ε兩方程模型求解湍流對(duì)流換熱問(wèn)題，包括湍流脈動(dòng)動(dòng)能k-ε方程及湍流能量耗散ε方程。網(wǎng)格為混合型，數(shù)量為118632個(gè)，風(fēng)口局部加密處理。

（1）連續(xù)性方程

圖2 側(cè)送方案風(fēng)口布置示意圖

圖3 模型示意圖

對(duì)不可壓縮流體，其流體密度為常數(shù)，方程簡(jiǎn)化為

式中ui—方向的速度。

（2）動(dòng)量方程

式中ρ—流體密度；

p—靜壓；

τij—粘性力張量；

ρgi—方向的體積力；

Fi—由熱源、污染源等引起的源項(xiàng)。

（3）能量方程

式中k—分子導(dǎo)熱率；

kt—湍流擴(kuò)散引起的導(dǎo)熱率kt=cpμt/Prt；

Sh—體積熱源。

3.3 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[1]

對(duì)于不同的空調(diào)工況的舒適度，報(bào)告通過(guò)以下參數(shù)進(jìn)行分析:溫度、流場(chǎng)和舒適度。其中，溫度以設(shè)計(jì)溫度為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，流場(chǎng)根據(jù)國(guó)家規(guī)范相關(guān)要求，人員區(qū)域內(nèi)的氣流速度控制在0.3m/s。室內(nèi)舒適度則通過(guò)PMV-PPD指標(biāo)判斷。PPD即預(yù)期不滿意百分率，其與PMV的數(shù)值關(guān)系如圖4所示。

PMV-PPD指標(biāo)可通過(guò)以下參數(shù)估算:人體活動(dòng)的代謝率、衣著系數(shù)、空氣溫度、平均輻射溫度、相對(duì)空氣流速及空氣濕度。本模擬中，采用ISO 7730標(biāo)準(zhǔn)來(lái)進(jìn)行PMV和PPD的模擬計(jì)算。計(jì)算中考慮了室內(nèi)空氣溫度、氣流速度、平均輻射溫度、人員活動(dòng)量以及服裝熱阻。對(duì)PMV的推薦值控制在-0.5～0.5之間，此時(shí)PPD＜10%。

由于人體頸部對(duì)氣流速度和熱舒適最為敏感，因此，對(duì)模擬結(jié)果的分析均以距地1.5m處的截面為主。

4 熱舒適性模擬

通過(guò)使用Airpak模擬軟件對(duì)上述設(shè)計(jì)進(jìn)行模擬[5]，模擬結(jié)果如下。

圖4 PMV與PPD的關(guān)系

4.1 空調(diào)頂送風(fēng)方案模擬

4.1.1 夏季工況

（1）1.5m高處溫度分布及氣流速度分布

如圖5所示，1.5m高處溫度最大值為28.5℃；最小值23.9℃；平均值26.2℃，高于設(shè)計(jì)溫度24℃。受室外溫度的影響，外墻表面溫度較高；回風(fēng)口下方區(qū)域溫度較低；大堂內(nèi)部溫度分布較為均勻，大部分區(qū)域介于25-26.75℃，局部區(qū)域?yàn)?7.5℃。工作平面風(fēng)速基本滿足在0.3m/s以下，回風(fēng)口正下方，由于速度衰減慢，局部風(fēng)速大于0.3m/s。

（2）1.5m高處PMV-PPD分布

以圖6分析，工作平面PMV最大值為0.8，最小值為0.003（回風(fēng)口正下方）；大部分區(qū)域介于0.5-0.8之間，平均值0.624，對(duì)應(yīng)PPD為10.6，存在過(guò)熱現(xiàn)象。

圖5 頂送方案-夏季溫度場(chǎng)分布、速度場(chǎng)分布

圖6 頂送方案-夏季PMV/PPD分布

圖7 頂送方案-冬季溫度場(chǎng)分布、速度場(chǎng)分布

圖8 頂送方案-冬季PMV/PPD分布

4.1.2 冬季工況

（1）1.5m高處溫度分布

冬季工況溫度最大值18.9℃，最小值15℃，平均值17.6℃，低于設(shè)計(jì)溫度22℃。其中1區(qū)溫度基本在16.5℃左右，2區(qū)在17.5℃左右。這是由于頂送風(fēng)口冬季所送熱空氣難以下沉，導(dǎo)致空間上部分氣溫較高，而工作平面位于大堂下部分空間，溫度較低。冬季工況速度場(chǎng)比較均勻，基本在0.3m/s以下。

（2）1.5m高處PMV-PPD分布

從圖8可看出，大部分區(qū)域介于-1~-0.4之間，平均為-0.549，對(duì)應(yīng)PPD為8.4-11.9，平均值11.4，有過(guò)冷的現(xiàn)象。這是由于冬季熱空氣上浮造成的，大部分能量消耗在空間上部，導(dǎo)致下部空間舒適度不佳。

4.2 空調(diào)側(cè)送風(fēng)方案模擬

4.2.1 夏季工況

（1）1.5m高處溫度分布

側(cè)送方案夏季工況溫度場(chǎng)比較均勻，最低溫度為23.4℃，最高溫度為28.5℃，平均溫度為25.5℃左右。略高于設(shè)計(jì)溫度，分布較為均勻。側(cè)送時(shí)整體速度在0.3m/s以下，回風(fēng)口下方速度較高。1區(qū)與2區(qū)交界區(qū)域出現(xiàn)局部漩渦。該現(xiàn)象是由于兩個(gè)區(qū)域的氣流走向相互作用引起，漩渦內(nèi)風(fēng)速約為0.2-0.25m/s。

（2）1.5m高處PMV-PPD分布

由圖10，側(cè)送方案夏季人員活動(dòng)區(qū)域PMV大部分介于0.11-0.4之間，局部達(dá)0.5左右，平均為0.453，對(duì)應(yīng)PPD為5-13，平均為8.0。整體滿足舒適度要求，僅在兩個(gè)區(qū)域交界和電梯廳溫度較高的部位有過(guò)熱可能。

4.2.2 冬季工況

（1）1.5m高處溫度分布

冬季溫度21.8-23.7℃，1區(qū)在21.5℃左右，2區(qū)大部分在23℃左右；平均22.1℃。基本達(dá)到要求的22℃。且兩個(gè)區(qū)域各自的溫度均勻性較好（溫度較低的表面為外墻），電梯廳位于中間區(qū)域，熱量集中，溫度較高。冬季速度場(chǎng)大部分在0-0.24m/s之間，速度場(chǎng)分布均勻。

（2）1.5m高處PMV-PPD分布

由圖12，側(cè)送方案冬季人員活動(dòng)區(qū)域PMV介于-0.17-0之間，平均為-0.07，對(duì)應(yīng)PPD為5-5.58，平均為5.23。整體滿足舒適度要求。

圖9 側(cè)送方案-夏季溫度場(chǎng)分布、速度場(chǎng)分布

圖10 側(cè)送方案-夏季PMV/PPD分布

圖11 側(cè)送方案-冬季溫度場(chǎng)分布、速度場(chǎng)分布

圖12 側(cè)送方案-冬季PMV/PPD分布

5 結(jié)果分析

模擬結(jié)果見(jiàn)表6。由數(shù)據(jù)可知，頂送方案夏季過(guò)熱，冬季過(guò)冷，室內(nèi)平均PPD均大于10%，超出理想的舒適度范圍；而側(cè)送方案的室內(nèi)平均PPD均在10%以內(nèi)，室內(nèi)舒適度較為理想。且送風(fēng)風(fēng)量小于頂送方案的送風(fēng)風(fēng)量，節(jié)約能源。

綜上分析，采用頂送方案時(shí)風(fēng)量采用計(jì)算風(fēng)量36000m3/h尚不能達(dá)到理想的舒適度范圍，而通過(guò)計(jì)算風(fēng)量的90%風(fēng)量、80%風(fēng)量、70%風(fēng)量的舒適性模擬，可以確定采用側(cè)送方案時(shí)風(fēng)量減小為28800m3/h即可達(dá)到舒適度的需求，從舒適度和節(jié)能兩個(gè)方面綜合考慮采用側(cè)送風(fēng)方案，并確定側(cè)送風(fēng)風(fēng)量為28800m3/h。

表6 兩方案結(jié)果對(duì)比

6 結(jié)語(yǔ)

此項(xiàng)工程實(shí)例中空調(diào)送風(fēng)方案選型借助熱舒適性模擬軟件對(duì)兩個(gè)不同的方案進(jìn)行模擬，其模擬結(jié)果相對(duì)準(zhǔn)確的反應(yīng)了兩個(gè)方案在溫度、氣流速度和PMV/PPD的數(shù)據(jù)，借助此數(shù)據(jù)作為空調(diào)送風(fēng)方案選擇的參考。在理論計(jì)算后借助模擬作為輔助工具，可以更為準(zhǔn)確、明了的反應(yīng)空調(diào)方案的運(yùn)行情況，在達(dá)到空調(diào)效果的情況下減小初投資，同時(shí)在與建筑師協(xié)調(diào)辦公大廳的空調(diào)送風(fēng)方式時(shí)，可以把直觀的效果表達(dá)出來(lái)。

[1]GB/T 18049-2000，中等熱環(huán)境PM V和PPD指數(shù)的測(cè)定及熱舒適條件的規(guī)定[S].

[2]陸耀慶.實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].2版.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2008.

[3]范存養(yǎng).大空間簡(jiǎn)直空調(diào)設(shè)計(jì)及工程實(shí)錄[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2001.

[4]張海舟，徐玉黨，鐘澍，等.大空間建筑空調(diào)氣流組織設(shè)計(jì)方法的探討[J].制冷與空調(diào)（四川），2006，20（2）:46-48.

[5]高云峰.高大空間氣流組織形式及數(shù)值模擬[J].暖通空調(diào)，2016，09（01）：19-24

Thermal Comfort Simulation Analysis of the Air Supply System in the Project

JIAO Hui
（Arup International Consultants(Shanghai)Co.，Ltd，Shanghai 200031，China）

Take an actual project as an exam ple,we conducted a ventilation sim ulation to com pare top-dow n air supply and side air supply solutions.W e took the results of air distribution,ventilation velocity distribution,PM V-PPD distribution etc asthe referencesto selectand determ ine the H V AC design strategy.

tall space；air ventilation；therm al com fort；tem perature distribution；air velocity distribution；assessm ent standard

TU 831

B

2095-3429（2017）02-0059-06

2017-02-13

修回日期:2017-03-13

焦輝（1982-），男，甘肅人，學(xué)士學(xué)位，暖通工程師。

D O I:10.3969/J.ISSN.2095-3429.2017.02.014