敦煌國際酒店新建游廊空調熱舒適性模擬

何青青 張 峰

敦煌國際酒店新建游廊空調熱舒適性模擬

何青青1張 峰2

（1.中國建筑上海設計研究院有限公司 上海 200063；2.成都基準方中建筑設計有限公司 成都 610021）

利用EnergyPlus軟件對某酒店游廊空調進行典型氣象日模擬，得出采用原空調設計方案無法滿足熱舒適性，通過增加空調負荷、設置內遮陽、改善氣流組織，確保游廊空調熱舒適性。

熱舒適模型；PMV；氣流組織；速度場；溫度場

0 引言

本文主要對敦煌國際酒店1#新建連廊空調進行優化設計。利用EnergyPlus軟件[1]對典型氣象日空調熱舒適性進行模擬，發現現有風機盤管容量及氣流組織不能滿足空調熱舒適性要求，通過設置內遮陽，減小夏季太陽輻射，增加空調容量，采用EnergyPlus軟件模擬[2]得到的表面對流換熱系數和圍護結構傳熱量作為FLUENT初設條件，對夏季設計日空調氣流組織進行模擬優化，確定合適的設備容量及氣流組織方式。供今后類似的全玻璃幕墻、高輻射、高凈高空調系統設計參考。

1 游廊空調負荷確定及優化

1.1 游廊空調系統

圖1 建筑模型圖示

如圖1所示，游廊是連接原有單體與周邊新建溫室、藥材園、大堂、過廳的公共玻璃連廊，是酒店主要賞景、休憩空間，對空調熱舒適性要求非常高。游廊凈高5m，頂面、側面均為玻璃幕墻，敦煌夏季太陽輻射強度大，夏季溫室效應對空調效果影響特別大，為了合理確定空調容量及提高室內熱舒適性，對游廊空調系統進行模擬；游廊空調為風機盤管系統，風機盤管設置在玻璃幕墻兩側吊頂內，設計空調總冷負荷513.9kW。

1.2 游廊原設計空調系統模擬

1.2.1 模擬目的

對現有的空調系統選型與布置是否滿足舒適性要求進行模擬驗證。按照現有空調系統設計給游廊及溫室、藥材園、過廳、大堂布置空調，模擬得出游廊及溫室、藥材園、過廳、大堂的室內熱環境[3]，分析現有條件下室內熱環境是否滿足設計目標，并提出優化措施。

1.2.2 模擬設置

以鴻業負荷計算軟件計算得出的空調負荷[4]為輸入邊界條件，在相應熱分區內加入風機盤管空調系統，如圖1所示，溫室及其兩邊游廊為一個熱分區，按照現有空調系統設計情況，風機盤管的總冷負荷為193.1kW；大堂為一個熱分區，現有空調設計總冷負荷為65.6kW；過廳及其兩邊的游廊是一個熱分區，現有空調設計總冷負荷為134.6kW；藥材園及游廊是一個熱分區，現有空調設計總冷負荷為120.6kW。模擬空調系統時，不考慮建筑與室外的空氣交換，也即所有建筑外門都是關閉的，這也符合一般的建筑使用習慣。再者，根據已有模擬結果，甘肅敦煌的室外溫度一般會比玻璃圍護結構室內更低，也就是室內外通風一般是有利于空調系統冷負荷降低的。因此，本次模擬不考慮通過外門、外窗的室內外氣流交換得出的空調系統冷負荷更能保證實際使用情況的舒適性效果。

1.2.3 模擬結果分析

（1）四個熱分區室內溫度、PMV值模擬結果分析

模擬現有空調設計條件下的室內空氣溫度及PMV值（選取各熱分區室內空氣溫度最高一天進行分析）如圖2～圖5所示，PMV值在-0.5～+0.5為滿足舒適性要求。

圖2 四個熱分區的室內空氣溫度及PMV值

圖2為四個熱分區夏季空調設計日計算得到的室內溫度及PMV曲線圖，綜合以上四個熱分區模擬結果可見，現有空調負荷設計只有過廳+游廊熱分區能達到溫度控制要求，其他的熱分區都有部分時刻室內溫度達不到控制要求，大堂熱分區的不滿足時刻的溫度差值（只有0.2℃左右）會小一些，而藥材園+游廊熱分區的不滿足時刻更多、溫度差值也更大（最大有6.2℃）。不滿足溫度控制要求的小時數及比例（總小時數為2208）如表1所示，表中的比例也可認為是現有空調負荷設計的一個“不保證率”，如1.8%表示溫室+游廊的熱分區在現有空調設計下的“不保證率”是1.8%?？芍幉膱@+游廊熱分區的保證率高達6.16%，而這些小時一般是下午，這是因為藥材園+游廊熱分區的長邊為西向，且沒有其他建筑物遮擋，下午接收的太陽輻射較大，室內溫度就較高。太陽輻射對室內PMV值影響很大，夏季即使室內溫度滿足設計要求，太陽輻射也會導致人體感覺偏熱，因此應該增加遮陽設施。

表1 不滿足空調控制溫度的小時數

（2）負荷模擬結果分析

表2 計算空調冷負荷

表2是不同PMV計算條件下，不同區域空調系統計算冷負荷最大值，表中還列出了空調系統設計冷負荷，通過對比可見，只有過廳+游廊熱分區的現有空調負荷設計可以滿足溫度控制要求，其他熱分區的E+計算最大冷負荷都大于現有空調負荷設計，為了滿足各區域熱舒適性，需要加大空調負荷才能滿足溫度控制要求。熱舒適性要求越高，計算冷負荷值越大，特別是溫室、藥材園，I級熱舒適比II級熱舒適空調負荷增加56%，比空調設計負荷增加近85%，要滿足I熱舒適性，設計空調系統需要增加85%左右的風機盤管，對于節能很不利。因此將II級熱舒適定為空調設計目標，這樣空調冷負荷增加較少，同時對玻璃幕墻采取內遮陽措施，降低太陽輻射，提高室內熱舒適性。

1.3 空調系統模擬優化

1.3.1 加大室內空調負荷模擬優化

根據1.2模擬結果增大設計空調負荷，可將原設計的FCU-6風機盤管型號改為FCU-8，也即增加風機盤管的供冷能力，以便更好地滿足游廊室內舒適性要求。因此，本次優化模擬時增加相應熱分區的風機盤管最大冷負荷（如表1所示，大堂原來設計的風機盤管就是FCU-8，所以最大冷負荷不變），得出室內的空氣溫度及PMV值。

表3 風機盤管型號增大前后各熱分區最大冷負荷對比

圖3 風機盤管型號增大前后各熱分區室內空氣溫度變化對比

比較風機盤管型號增大前后的室內空氣溫度變化，如圖3所示。由圖可見，風機盤管型號增大后，溫室+游廊、藥材園+游廊熱分區的下午時段室內空氣溫度會有一定降低；大堂的風機盤管型號不變，所以溫度基本不變，圖3（b）中的些許降低是因為與大堂連接的游廊內風機盤管型號增大，使得游廊內溫度降低，游廊與大堂產生氣流交換會使大堂的空氣溫度稍微降低一些；過廳+游廊室內空氣溫度是最低的，增大風機盤管型號后也會使室內溫度有些降低。

同時，將風機盤管型號增大前后各熱分區室內的空氣溫度及PMV值對比情況列于表4中。風機盤管型號增大后，除藥材園+游廊（只有5個小時達不到26℃溫控要求）外，所有熱分區的所有時刻室內空氣溫度都能達到溫控要求。大堂風機盤管型號不變，然而當于其連接的游廊風機盤管型號增大后所有時刻也能達到溫控要求，這也是因為游廊與大堂連通換氣的原因。因此，風機盤管型號增大后，基本所有熱分區都是滿足溫控要求的。

表4 各熱分區不同室內參數小時數對比

除過廳+游廊熱分區外，其他熱分區都存在PMV值>+0.5的時刻，也即不滿足舒適性要求且偏暖或熱的時刻。風機盤管型號增大后會使得PMV值>+0.5的時刻減少，PMV值>+1的時刻也會更少。根據Fanger熱舒適性評價體系，PMV值大于2會使人感覺暖，達到3就會使人感覺熱，可知所有熱分區都不會存在使人感覺熱的時刻。根據《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》（GB 50736—2012）規定[5]，I級舒適性PMV范圍為-0.5～+0.5，II級舒適性1PMV范圍為-1～+1。則風機盤管型號增大后，只有溫室+游廊和藥材園+游廊兩個熱分區存在不滿足II級舒適性要求的時刻。這是因為溫室和藥材園是玻璃幕墻建筑，透射太陽會比較大，即使空調運行后室內空氣溫度還會較高。

1.3.2 增加遮陽模擬優化

風機盤管型號增大后，如果再將遮陽加到溫室與藥材園的玻璃幕墻上，溫室+游廊和藥材園+游廊兩個熱分區的PMV值如表6所示。可知，采取遮陽后室內的PMV值不滿足舒適性要求的小時數明顯減少；不滿足II級舒適性要求的小時數就更少了，且基本都在8月份的下午時段。

表5 遮陽前后玻璃幕墻太陽得熱系數（SHGC）對比

表6 遮陽前后室內PMV值對比

模擬得出的結論是：與過廳連接的游廊的風機盤管型號沒有必要加大，因為原有型號就可以滿足舒適性要求；只需將其他游廊內的風機盤管型號增大并在溫室及藥材園的玻璃幕墻上增加遮陽系統，就可使不滿足舒適性要求的小時數大大減少。

2 游廊氣流組織模擬優化

2.1 模擬目的

為了比較分析游廊室內空氣在兩種不同氣流組織形式，對游廊進行CFD模擬[7]。模擬工況：甘肅敦煌空調夏季設計工況，室外干球溫度為34.6℃；兩種工況又分別對側送風與下送風的氣流組織進行模擬。

2.2 模型及模擬設置

CFD模型尺寸與施工圖一致，外墻從低到高分別設置為石材、外窗玻璃、鋁材，采光天窗也為玻璃，地面及其他面考慮到熱阻較大或兩邊環境溫差較小、換熱量較小，可設為絕熱面。送風口設為速度入口，給定速度大小和溫度[9]，風機盤管的進風口溫度設為26℃，送風溫度17℃，進風口風速設為2.5m/s，回風口設為自由出口[10]。

室外空氣溫度、外表面（含屋頂）對流換熱系數與外墻（含外窗）、天窗吸收的太陽輻射值采用energyplus計算的結果，外表面對流換熱系數根據室外空氣流速以及外表面與室外空氣溫度差采用經驗公式計算得出。

2.3 模擬結果

對側送下回、下送側回兩種氣流組織方式下游廊夏季空調溫度場表明：夏季工況下，側送風在游廊玻璃頂下行程渦流區域，而下部人員活動區域（1.5m左右）溫度為26～28℃，特別是在靠近外玻璃幕墻附近行程送回風氣流無法到達的低速渦流區，溫度達到30℃左右；而下送風整體溫度場較好，基本沒有氣流死區，靠近外幕墻區域為送風擴散區，溫度23℃左右，而游廊中間人員活動區域（1.5m左右）溫度為24～26℃，保證了人員主要活動區域舒適性。綜合以上分析，空調采用下送側回氣流組織方式更加合理。

3 結論

采用EnergyPlus軟件對游廊四個熱分區室內溫度、舒適度模擬，僅過廳能夠滿足設計要求，其他三個熱分區設計空調冷負荷均偏小。采用適當加大設備容量、增加內遮陽的策略來解決房間過熱問題。風機盤管型號由FCU6加大至FCU8，設置內遮陽后的模擬結果表明，室內溫度均能夠滿足設計值，室內PMV值大于1的小時數大大減小，各熱分區基本滿足II級舒適性要求；采取內遮陽后，太陽得熱系數（SHGC）同比遮陽前減小34%，室內PMV值也得到優化。

采用EnergyPlus軟件模擬得到的太陽得熱、熱流量作為熱邊界條件對側送下回、下送側回兩種氣流組織方式下游廊空調氣流組織模擬表明，采用下送側回氣流組織方式更加合理。

在實際工程中利用EnergyPlus、Fluent模擬軟件對全玻璃幕墻、強太陽輻射、高凈高建筑空調進行了優化設計，并模擬驗證空調設計結果，本項目已經竣工完成，并經過三年運行，運行效果良好。

[1] 潘毅群.實用建筑能耗模擬手冊[M]北京:中國建筑工業設計院,2013.

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Optimization Design for the HVAC System of a Hotel Veranda

He Qingqing1Zhang Feng2

( 1.China Shanghai Architectural Design & Research Institute Co., Ltd, Shanghai, 200063;2.Chengdu JZFZ Architectural Design Co., Ltd, Chengdu, 610021 )

This paper investigated the HVAC system of a hotel veranda using EnergyPlus during a typical summer day. Results show that the original design scheme cannot meet the thermal comfort. For the optimization design, through increasing the cooling capacity, adding interior shading and improve the air distribution, thermal comfort in the veranda is improved.

Thermal comfort model; PMV; Air distribution; Velocity field; Temperature field

TK519

A

1671-6612（2020）03-326-05

何青青（1986.11-），男，研究生，中級工程師，E-mail：624893635@qq.com

2019-05-24