某高大空間開放式辦公區空調氣流組織模擬分析

龔思越

廣東省建筑設計研究院有限公司，廣東 廣州 510627

近年來，高大空間因體積大、視野寬、空間高、觀感性強等特點備受設計師青睞。正因其空間大，人員燈光密集，外圍護結構傳熱量大，導致高大空間功能區冷熱負荷大，空調系統運行耗能明顯。常遠等[1]對車站高大空間空調系統進行了氣流組織模擬與熱舒適分析，提出適用于夏季和冬季工況的送風方案，指出送風速度和送風溫差對高大空間分層空調的溫度和流場分布有較大影響。黃艷山等[2]對采用分層空調系統的廣州白云機場主航站樓空調進行氣流組織模擬分析，結果表明室內溫度、風速、溫度梯度滿足設計要求。范濟榮等[3]針對某酒店大堂進行了高大空間氣流模擬分析，得出分層空調冷負荷占全室空調冷負荷之比約為0.7。對于高大空間，分層空調技術是較廣泛采用的一種空調技術，其通過氣流組織的合理設計，重點對人員活動區域的空間進行空氣調節，而對高于人員活動區的上部空間進行通風排熱，從而可以減少高大空間的空調負荷，節約運行能耗。

文章利用CFD模擬技術，對采用分層空調系統的廣州某高大空間開放式辦公區夏季制冷工況下的空調氣流組織進行模擬分析，得到了主要活動區的溫度和風速值，結果基本滿足設計要求。該案例可為類似空間的空調通風設計提供參考。

1 研究對象

案例項目裙房共7層，建筑高度為37.5m。該開放式辦公建筑面積約為2000m2，位于裙房第6層，層高為5m；辦公中間核心區域為跨第6、第7層通高區域，高度為12m，頂部有天窗，采用電動遮陽簾；西面、西北面為外玻璃幕墻，東面為內玻璃幕墻，南側無外墻，與內部其他功能房間相鄰。

第6層部分辦公隔間采用風盤送風，其他空間采用全空氣空調系統，圓形散流器送風，回風口位于天花板上。中間兩層通高區域采用分層空調，在第6層東側、西側、南側分別設置噴口側送風，頂部天窗側壁設置排風。受建筑電梯及樓梯布置影響，西北面部分空間無法布置噴口送風，為了抵消該空間的冷負荷需求，在西北面沿著外玻璃幕墻設置地面風口送風，如圖1所示。

圖1 開放式辦公第6層空調風管平面圖

該開放式辦公區空調計算冷負荷約350kW，計算冷指標約175W/m2。設置組合式空調機組3臺，風量和冷量分別如下：第1臺風柜風量為15000m3/h，冷量為68kW；第2臺風柜風量為40000m3/h，冷量為180kW；第3臺風柜風量為30000m3/h，冷量為135kW。其中，第1臺風柜為地面送風用。頂部天窗側壁又排風機2臺，每臺風量為2500m3/h。

2 分析模型與邊界條件

2.1 分析模型

使用Fluent前處理軟件Gambit軟件進行建模，模型如圖2所示。其中，y軸正方向為北向，x軸正方向為東向。

圖2 分析模型

2.2 邊界條件

由于該辦公區域內墻和樓板緊鄰空調房間，故假定這兩處的圍護結構是絕熱的，與相鄰房間不發生熱量傳遞；而熱量通過外墻傳入房間，故將外圍護結構均設置為熱量邊界條件。考慮到人體、設備等室內負荷的影響，將這些冷負荷加到地面上，將照明負荷加到天花板上，將地面及天花板分別設置為發熱源，以此簡化模型計算。根據冷負荷計算結果，各圍護結構的熱流邊界條件如下：西北外窗為28.5W/m2，西外窗為11.98W/m2，東外窗為17.04W/m2，天窗為83.56W/m2，地板為38.4W/m2，天花板為12.86W/m2，南內部面為絕熱邊界。速度邊界條件如表1所示。

表1 速度邊界條件

2.3 分析求解

利用Fluent求解器，采用標準κ-ε湍流模型求解。標準κ-ε模型把紊流黏性與紊動能κ、耗散率ε相聯系，建立其與渦黏性的關系，這種模型在工程上被廣泛應用；采用壓力-速度修正算法（SIMPLE）聯立求解各離散方程。

3 結果分析

選取典型計算面Z=1（離地1m）水平切面作為人員活動區高度范圍的分析界面，該界面的溫度與風速分布如圖3、圖4所示。由圖3可知，左右兩邊空間溫度低于兩層通高區域溫度，左邊溫度維持在22℃左右，右邊溫度維持在23℃左右；兩層通高區域溫度較高，基本維持在24℃左右。西北面空間由于地面送風口的作用，溫度維持在24℃左右。由圖4可知，左右兩邊空間風速維持在0.15～0.30m/s；兩層通高區中間部分受頂部排風、熱浮升力以及西向噴口射流區的影響，風速維持在0.60～0.90m/s，其他大部分維持在0.30～0.45m/s。受西向噴口送風角度的影響，兩層通高區中間部分風速過大，建議西向噴口結合現場實際情況向上調整送風角度，以減少其射流區域對人員活動區風速的影響。

圖3 Z=1（離地1m）處溫度分布圖

圖4 Z=1（離地1m）處風速分布圖

4 結論

（1）分層空調系統能較好地滿足高大空間夏季制冷工況的需求，對于側送風口布置受限的空間，地面風口送風是一種效果較好的送風形式。

（2）人員主要活動區溫度應維持在23～24℃，風速應維持在0.15～0.40m/s。噴口送風應結合現場實際情況，調整送風角度，以減少其射流區域對人員活動區風速的影響。