變風(fēng)量空調(diào)設(shè)計(jì)中室內(nèi)氣流組織的研究

李揚(yáng)

華東建筑設(shè)計(jì)研究總院

變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)（VAV）現(xiàn)在已應(yīng)用于眾多的公共辦公建筑中，變風(fēng)量系統(tǒng)相較于較傳統(tǒng)的風(fēng)機(jī)盤管等系統(tǒng)具有一定的優(yōu)勢，其節(jié)能性、靈活性及可實(shí)現(xiàn)區(qū)域溫度控制等優(yōu)勢已得到設(shè)計(jì)師所推崇[1]。但根據(jù)實(shí)際工程發(fā)現(xiàn)，變風(fēng)量系統(tǒng)存在溫度和速度分布不均勻現(xiàn)象[1]，導(dǎo)致室內(nèi)舒適度PMV-PPD指標(biāo)不佳。本文以上海陸家嘴某一辦公樓變風(fēng)量空調(diào)室內(nèi)的氣流組織作為研究對象，提出在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注的問題及解決方法。

1 研究項(xiàng)目變風(fēng)量系統(tǒng)概述

本項(xiàng)目空調(diào)水系統(tǒng)為四管制，辦公標(biāo)準(zhǔn)層采用變風(fēng)量全空氣系統(tǒng)（VAV），每層設(shè)有兩臺(tái)空調(diào)箱機(jī)組，末端均為單風(fēng)道VAV送風(fēng)裝置，氣流組織為上送上回，回風(fēng)為吊頂集中回風(fēng)，條形回風(fēng)口設(shè)于幕墻周邊，通過與走道吊頂內(nèi)聯(lián)通管回至機(jī)房回風(fēng)口。為抵消冬季熱負(fù)荷，幕墻周邊地面設(shè)有散熱器。與傳統(tǒng)變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)相比，此系統(tǒng)在沿窗邊增設(shè)幕墻周邊散熱器，散熱器設(shè)置在幕墻周邊，負(fù)擔(dān)外區(qū)的熱負(fù)荷。在冬季，靠近散熱器的空氣被加熱，熱空氣上升，形成自然對流。經(jīng)加熱的空氣沿窗上升，阻止窗邊冷氣流進(jìn)入室內(nèi)，同時(shí)給窗玻璃加熱，減少其對室內(nèi)的輻射傳熱。根據(jù)建筑的特性劃分內(nèi)外分區(qū)，外區(qū)進(jìn)深為3 m[2]。辦公室夏季內(nèi)外區(qū)和冬季內(nèi)區(qū)的冷負(fù)荷由變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)承擔(dān)，相比較于采用地臺(tái)風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)，避免了外區(qū)風(fēng)機(jī)盤管噪音問題，并可顯著降低玻璃上的冷凝現(xiàn)象。

2 設(shè)計(jì)中需要注意的問題

根據(jù)以往項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，VAV空調(diào)系統(tǒng)易出現(xiàn)氣流組織不佳的情況，具體表現(xiàn)如下：

1）室內(nèi)溫度不均勻，標(biāo)準(zhǔn)層辦公某些區(qū)域溫度存在局部過冷或者過熱，外墻轉(zhuǎn)角處空間更易出現(xiàn)此類問題。

2）部分區(qū)域人體舒適感不佳，室內(nèi)局部空氣流動(dòng)不暢、局部風(fēng)速過高、有吹風(fēng)感，造成局部區(qū)域人體舒適度評分較低。

影響室內(nèi)氣流組織的因素有很多，例如送回風(fēng)口的形式、位置，建筑物形狀，室內(nèi)熱源位置，朝向，送風(fēng)參數(shù)等等。其中送風(fēng)口的形式及位置對室內(nèi)的氣流組織的影響極為重要。

同時(shí)在實(shí)際項(xiàng)目中，為配合室內(nèi)精裝天花效果，風(fēng)口距離、樣式、大小均受到一定限制。判斷在限定條件下風(fēng)口的布置是否會(huì)產(chǎn)生氣流分布不均勻，影響室內(nèi)人員舒適度，在實(shí)際項(xiàng)目設(shè)計(jì)中需重點(diǎn)全面分析。

3 限定風(fēng)口條件下室內(nèi)氣流組織的研究分析

本項(xiàng)目辦公標(biāo)準(zhǔn)層面積約為2400 m2（57 m×42 m），層高為4.4 m。根據(jù)室內(nèi)精裝需求，風(fēng)口尺寸限定為：貼臨外幕墻1200 mm×100 mm，其余風(fēng)口為1200 mm×400 mm。風(fēng)口位置及數(shù)量如圖1所示：

圖1 標(biāo)準(zhǔn)層辦公風(fēng)口布置

3.1 研究方法

為驗(yàn)證配合選用的風(fēng)口形式及位置是否合理，采用CFD軟件，從夏季及冬季室內(nèi)溫度、流場以及室內(nèi)人員舒適度的角度進(jìn)行技術(shù)分析，從而提出合理的優(yōu)化方案，并給出建議供業(yè)主參考。本文具體采用的是室內(nèi)環(huán)境模擬常用的Airpak軟件。

3.2 系統(tǒng)梳理

首先對辦公層空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)的梳理，并分朝向計(jì)算負(fù)荷，作為模擬的輸入條件；然后利用CFD軟件，得到冬季及夏季室內(nèi)人員活動(dòng)區(qū)域溫度、流場和舒適度的分布；最后，通過對模擬結(jié)果的分析，對風(fēng)口方案進(jìn)行優(yōu)化。

3.2.1 空調(diào)系統(tǒng)設(shè)置

結(jié)合辦公室的空調(diào)冷熱負(fù)荷特點(diǎn)與本項(xiàng)目的空調(diào)系統(tǒng)設(shè)置，本項(xiàng)目空調(diào)系統(tǒng)夏季及冬季的運(yùn)行邏輯如表1：

表1 空調(diào)系統(tǒng)夏季及冬季的運(yùn)行邏輯

3.2.2 空調(diào)負(fù)荷

辦公標(biāo)準(zhǔn)層人員密度為8 m2/p，電器設(shè)備和照明負(fù)荷分別為9 W/m2、25 W/m2。負(fù)荷計(jì)算時(shí)，人員逐時(shí)在室率、照明開關(guān)時(shí)間、電器設(shè)備逐時(shí)使用率根據(jù)《DGJ08-107-2015公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》的要求確定。圍護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷通過能耗模擬軟件華電源計(jì)算得到，室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)、外圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)等并作為CFD模擬的輸入值。

3.2.3 數(shù)學(xué)模型

為對模型進(jìn)行求解，進(jìn)行以下假設(shè)：

1）空氣為不可壓縮氣體透明介質(zhì)，符合Boussinesq假設(shè)；

2）空氣流動(dòng)為準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)的湍流流動(dòng)；

3）假設(shè)空氣的湍流粘性具有各向同性。

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流換熱問題，包括湍流脈動(dòng)動(dòng)能k-ε方程及湍流能量耗散ε 方程[3]。

風(fēng)口送風(fēng)參數(shù)的細(xì)節(jié)，在用CFD方法進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)網(wǎng)格必須劃分至毫米的量級；而為了模擬室內(nèi)空氣流動(dòng)情況；反映室內(nèi)湍流大渦旋對流動(dòng)的影響；計(jì)算區(qū)域必須達(dá)到米的量級。這樣；對于實(shí)際應(yīng)用中的三維問題而言；必將導(dǎo)致計(jì)算區(qū)域內(nèi)的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)目巨大；超過目前一般計(jì)算機(jī)的容量；而使得計(jì)算量無法為一般的工程應(yīng)用所接受。故本文模擬采用在網(wǎng)格均勻的情況下，對風(fēng)口局部加密處理，網(wǎng)格為混合型[4]。

3.3 評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

對于不同的空調(diào)工況的舒適度，本報(bào)告通過以下參數(shù)進(jìn)行分析：溫度場和舒適度。其中，溫度以設(shè)計(jì)溫度（24℃）為評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。室內(nèi)舒適度則通過PMV-PPD指標(biāo)判斷[5]。本模擬中，采用ASHRAE標(biāo)準(zhǔn)來進(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。模擬中輸入的參數(shù)為人體新陳代謝率、服裝熱阻。

根據(jù)ASHARE Standard 55[6]，人體新陳代謝率及服裝熱阻如下：人體新陳代謝率Met Units=1（辦公，靜坐、讀、寫）；夏季服裝熱阻Icl=0.61clo（褲子，長袖襯衫）；冬季服裝熱阻Icl=0.96 clo（褲子，長袖襯衫，外套）。其余參數(shù)則根據(jù)計(jì)算結(jié)果確定。由于人體頸部對氣流速度和熱舒適最為敏感，因此，對模擬結(jié)果的分析均以距地1.5 m處的截面為主。

3.4 計(jì)算結(jié)果研究及分析

3.4.1 夏季工況一

夏季設(shè)計(jì)工況時(shí)，幕墻散熱器不工作。外區(qū)風(fēng)口承擔(dān)圍護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷、日照負(fù)荷及外區(qū)的內(nèi)熱負(fù)荷，內(nèi)區(qū)風(fēng)口承擔(dān)內(nèi)區(qū)的內(nèi)熱負(fù)荷。根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)，夏季VAV末端送風(fēng)溫度為12℃。各風(fēng)口的風(fēng)量根據(jù)空調(diào)箱風(fēng)量及內(nèi)外區(qū)的負(fù)荷分布確定。風(fēng)口選取格柵型風(fēng)口垂直下送，外區(qū)采用1200 mm×100 mm，其余風(fēng)口為1200 mm×400 mm。內(nèi)外區(qū)風(fēng)口形式如圖2：

圖2 工況1風(fēng)口形式

圖3 工況1-溫度

根據(jù)圖3顯示，夏季工況1.5m高處，溫度最大值為30℃，最小值22℃，平均值26.5℃，不滿足設(shè)計(jì)溫度24℃的要求，且四個(gè)轉(zhuǎn)角處溫度過高，溫度分布不均勻。此外，由于格柵風(fēng)口垂直下送，會(huì)造成處于風(fēng)口下方辦公人員的吹風(fēng)感。故需對風(fēng)口進(jìn)行調(diào)整。

由于平均溫度無法滿足設(shè)計(jì)要求，故不進(jìn)行PMV模擬計(jì)算。

3.4.2 夏季工況二

空調(diào)工作狀態(tài)與工況一相同。內(nèi)區(qū)風(fēng)口調(diào)整為細(xì)葉型斜出風(fēng)口，單邊/雙邊帶傾角45°斜向下送，風(fēng)口尺寸不變。具體方向如圖4：

圖4 工況2風(fēng)口形式

根據(jù)圖5所示，夏季工況1.5 m高處，溫度最大值為27℃，最小值22℃，平均值23.5℃，除極個(gè)別區(qū)域外，均可滿足設(shè)計(jì)溫度24℃的要求。且可以明顯看出室內(nèi)溫度分布均勻性大為改善，且轉(zhuǎn)角區(qū)域較高溫度范圍明顯縮小。這是由于風(fēng)口帶有傾角后使部分送風(fēng)貼敷吊頂送出，能有效提升單個(gè)風(fēng)口可處理范圍。

圖5 工況2-溫度

根據(jù)圖6所示，夏季工況1.5 m高處PMV最大值為1，最小值為-1，平均值為-0.6，對應(yīng)PPD為12.5%。內(nèi)區(qū)工作平面熱感覺為微涼，外區(qū)感覺較為舒適，但西側(cè)兩處轉(zhuǎn)角感覺微暖。由于本項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)層轉(zhuǎn)角處為景觀面，將安排為重要區(qū)域，故對溫度及PMV要求較高，需再次對風(fēng)口進(jìn)行調(diào)整。

圖6 工況2-PMV

3.4.3 夏季工況三

空調(diào)工作狀態(tài)與工況一相同。內(nèi)、外區(qū)風(fēng)口調(diào)整為條縫型風(fēng)口，單邊/雙邊帶傾角45°斜向下送，外區(qū)風(fēng)口斜45°吹響幕墻；風(fēng)口下沿設(shè)水平折邊增加貼附性能，內(nèi)區(qū)風(fēng)口尺寸改為1200 mm×100 mm兩條，縮小風(fēng)口送風(fēng)面積，增加風(fēng)口送風(fēng)速度。具體方向如圖7，風(fēng)口細(xì)部折邊處理如圖8所示：

圖7 工況3風(fēng)口形式

圖8 工況3風(fēng)口造型詳圖

圖9 工況3-溫度

根據(jù)圖9顯示，夏季工況1.5 m高處，溫度最大值為25℃，最小值19℃，平均值23.0℃，均可滿足設(shè)計(jì)溫度24℃的要求。且室內(nèi)溫度分布均勻性得到進(jìn)一步提升。

根據(jù)圖10，夏季工況1.5 m高處PMV最大值為0.25，最小值為-1，平均值為-0.4，對應(yīng)PPD為9.5%。工作平面熱感覺整體為舒適（+0.5＞PMV＞-0.5），局部微涼，且轉(zhuǎn)角處舒適度高。根據(jù)VAV系統(tǒng)的送風(fēng)量可調(diào)節(jié)性，內(nèi)區(qū)可調(diào)整送風(fēng)量，故辦公所有區(qū)域均可達(dá)到設(shè)定溫度（24℃）與較高的舒適度。

圖10 工況3-PMV

3.4.4 冬季工況

需對夏季工況三選用的風(fēng)口需在冬季工況下進(jìn)行模擬，校核風(fēng)口送風(fēng)效果。冬季為16℃的送風(fēng)溫度。

根據(jù)圖11所示，冬季工況1.5 m高處溫度最大值25.3℃，最小值21.4℃，平均值22.8℃，基本滿足設(shè)計(jì)溫度22℃的要求。

圖11 工況3-冬季溫度

根據(jù)圖12，冬季工況1.5m高處PMV最大值為0.4，最小值為-0.6，平均值為-0.23，對應(yīng)PPD為7%。工作平面整體感覺舒適（+0.5＞PMV＞-0.5）。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果（表2），工況三的風(fēng)口可使夏、冬季均可達(dá)到設(shè)計(jì)溫度，辦公舒適度較高。這是由于選用的風(fēng)口為條縫風(fēng)口，由于其實(shí)際出風(fēng)面積較小，速度衰減較慢，更易形成回流，且底部的水平折邊使氣流具有良好的貼附性能，即使在風(fēng)量較小的情況下，冷風(fēng)下墜的現(xiàn)象也容易避免，故內(nèi)區(qū)送風(fēng)更均勻。外區(qū)條縫風(fēng)口吹響幕墻，有效的阻斷外圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳入的熱量，使外區(qū)舒適度進(jìn)一步提升。本項(xiàng)目已跟據(jù)上述分析進(jìn)行風(fēng)口的選型及采購，現(xiàn)項(xiàng)目已交付運(yùn)行，根據(jù)現(xiàn)場反饋空調(diào)運(yùn)行效果理想。

圖12 工況3-冬季PMV

表2 匯總結(jié)果

4 結(jié)論

VAV系統(tǒng)項(xiàng)目中較易出現(xiàn)氣流組織問題，本文采用了CFD模擬對各種風(fēng)口送風(fēng)效果進(jìn)行比較，提供了一種在設(shè)計(jì)過程可采用的解決方式，以探求在限定條件下的良好送風(fēng)方式以保障空調(diào)運(yùn)行效果，提高室內(nèi)的人員舒適度，滿足業(yè)主和設(shè)計(jì)的要求。