計算機輔助設(shè)計在暖通設(shè)計中的應(yīng)用分析
——以合肥某高層科研樓為例

張海燕 （深圳市建筑設(shè)計研究總院有限公司合肥分院，安徽 合肥 230081）

1 引言

在暖通及建筑設(shè)計過程中，由于項目的前期設(shè)計條件的千差萬別，設(shè)計的成果也不盡相同。相同的建筑，采取不同的冷熱源方案及運營策略，空調(diào)系統(tǒng)的運行能耗不同。即使是功能完全相同的房間，不同的裝飾方案、末端形式，其空調(diào)能耗及室內(nèi)氣流組織都會有所不同。為了更好地達(dá)到設(shè)計方案時的預(yù)期，在方案設(shè)計階段通過計算機輔助設(shè)計軟件對系統(tǒng)方案進(jìn)行數(shù)值計算、模擬，可有效地提升設(shè)計質(zhì)量。本文以合肥某高層科研樓項目為例，通過對項目進(jìn)行全年動態(tài)能耗模擬分析、氣流組織模擬計算（CFD），為空調(diào)設(shè)計方案提供理論支撐。

2 工程概況

項目位于合肥市高新區(qū)，總用地面積約為4786m2，辦公樓為一類高層公共建筑，總建筑面積32308m2，其中地上建筑面積21356m2，地下10952m2，地上19 層，地下5 層，建筑高度93.30m。地下室主要功能包括倉儲式機械汽車庫、設(shè)備用房、非機動車停車庫，地上主要由門廳、開閉所、消控室、廚房、餐廳、科研辦公、多功能廳等其他輔助用房間組成。

項目建設(shè)地塊周邊無可利用的市政能源和可再生能源，僅能以電力、燃?xì)庾鳛榭照{(diào)能源；項目用地局促，地下室面積較小，除去倉儲式停車及人防工程，已無設(shè)置制冷機房及鍋爐房的空間；建筑外幕墻立面形式的限制，外立面不允許設(shè)置大量的通風(fēng)百葉，僅可在屋面設(shè)置空調(diào)設(shè)備。

該建筑主要的用途是辦公、科研、會議，業(yè)主有分層、分戶租售需求。

2.1 冷、熱源設(shè)計

本工程冷熱源采用風(fēng)冷螺桿熱泵機組，設(shè)置于屋面設(shè)備層。單臺制冷量為1360kW，制熱量為1270kW，經(jīng)合肥地區(qū)室外空調(diào)計算干球溫度修正制冷制熱量后，考慮設(shè)備冬季融霜修正系數(shù)0.9，修正后總制冷量為2720kW，修正后制熱量為2282kW。

2.2 特殊房間空調(diào)形式

本工程空調(diào)系統(tǒng)采用風(fēng)冷熱泵系統(tǒng)，電梯機房、開閉所、消防控制室、值班室等采用分體空調(diào)。智能化機房預(yù)留設(shè)計精密空調(diào)。

2.3 冷熱水系統(tǒng)

風(fēng)冷熱泵機組制備之冷熱水在屋面匯合后經(jīng)由屋面穿越空調(diào)水井，接至空調(diào)系統(tǒng)末端，夏季制備冷水供回水溫度為7～12°C，冬季供回水溫度為45～40°C，冷熱水系統(tǒng)采用密閉式機械循環(huán)，冷水豎管采用兩管制。為風(fēng)冷熱泵機組設(shè)置流量為260m3/h，揚程為340kPa 的冷熱水循環(huán)泵，兩用一備。設(shè)2.0m3膨脹水箱1 個，設(shè)置在屋頂設(shè)備層機房頂，對系統(tǒng)進(jìn)行補水定壓。空調(diào)系統(tǒng)水系統(tǒng)的補充水由生活供水管網(wǎng)供給，補水管道上設(shè)置水流量計量裝置。水系統(tǒng)承壓為1.2MPa。

2.4 空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)

建筑內(nèi)較小空間區(qū)域均采用風(fēng)機盤管+新風(fēng)系統(tǒng)，例如辦公室、小會議室、宿舍等。空調(diào)送風(fēng)口部采取散流器或雙層百葉風(fēng)口，回風(fēng)口采用帶雙層尼龍濾網(wǎng)的鋁合金門鉸式，餐廳、咖啡吧設(shè)置全熱交換器預(yù)冷、預(yù)熱新風(fēng)。

建筑內(nèi)高大空間區(qū)域均采用了全空氣空調(diào)系統(tǒng)，例如18 層、19 層挑高多功能廳。室外新風(fēng)取自室外，通過外墻百葉取入，新風(fēng)入口、回風(fēng)管均設(shè)置電動多葉調(diào)節(jié)閥，可依據(jù)不同季節(jié)的需求量調(diào)節(jié)新風(fēng)量。新風(fēng)進(jìn)入后再經(jīng)空氣處理機組冷卻、加壓，通過消聲處理，由風(fēng)管送至旋流風(fēng)口再送至空調(diào)區(qū)域。氣流組織采取上送上回、側(cè)送下回形式，當(dāng)處于過渡季節(jié)時，新風(fēng)調(diào)節(jié)閥全開可實現(xiàn)全新風(fēng)運行。空氣處理機組采用變頻機組。

圖1 項目鳥瞰圖

3 冷熱源全年動態(tài)負(fù)荷計算

3.1 建筑熱工性能參數(shù)

見表1、表2。

表1 建筑物熱工參數(shù)/kw·（m2·k）-1表

表2 房間設(shè)計參數(shù)表

3.2 研究方法

本項目逐時空調(diào)負(fù)荷計算采用鴻業(yè)軟件計算，作為冷熱源容量及末端設(shè)備選型的依據(jù)。為了合理確定冷熱源裝機容量及科學(xué)的運行策略，9 利用鴻業(yè)全年動態(tài)能耗模擬分析軟件，通過Energy-Plus內(nèi)核對建筑物全年8760h冷熱負(fù)荷和空調(diào)系統(tǒng)能耗進(jìn)行計算。根據(jù)建筑條件圖，在保證建筑整體負(fù)荷以及負(fù)荷特性準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)上，對模型做適當(dāng)?shù)暮喕幚碇螅⒘擞嬎隳Ｐ停Ｐ图坝嬎憬Y(jié)果如圖2所示。

圖2 項目計算模型圖

3.3 計算結(jié)果及結(jié)論

根據(jù)全年動態(tài)負(fù)荷模擬結(jié)果可看出，最大動態(tài)冷負(fù)荷值與房間逐時負(fù)荷計算最大冷負(fù)荷值較接近；最大動態(tài)熱負(fù)荷值僅達(dá)到負(fù)荷計算熱負(fù)荷值50%，經(jīng)過房間自然室溫計算，推測由于房間動態(tài)模擬扣除了冬季日照得熱，使得整體動態(tài)熱負(fù)荷較低。

通過負(fù)荷計算、能耗模擬和技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，決定采用風(fēng)冷熱泵機組作為空調(diào)系統(tǒng)的冷熱源。選擇2 臺制冷量1365kW、制熱量1270kW 的變頻式螺桿式風(fēng)冷熱泵機組。同時根據(jù)全年冷熱負(fù)荷分布頻率可以得出，機組在50%～75%負(fù)載區(qū)間運行較多，建議優(yōu)先采購在此負(fù)載下運行效率較高的風(fēng)冷熱泵機組。運行策略采用平均負(fù)載率法，較逐臺啟動法系統(tǒng)能耗略低，建議高負(fù)荷時優(yōu)先采用平均負(fù)載率運行模式。

物流是一個集運輸、倉儲等多個功能要素的大系統(tǒng)，企業(yè)可通過重組流程、再造資源后所獲得一個新的物流體系，此物流體系不僅可使企業(yè)自身的物流方面需要得到充分滿足，還可以使企業(yè)將自身剩余生產(chǎn)力轉(zhuǎn)向物流市場，獲得更大的第三利潤，為企業(yè)競爭力的提升助力。

4 風(fēng)冷熱泵氣流組織模擬分析

空氣源熱泵機組的運行效率和室外機與大氣的換熱條件有關(guān)。考慮主導(dǎo)風(fēng)向、風(fēng)壓對室外機的影響，布置時應(yīng)避免產(chǎn)生熱島效應(yīng)，保證室外機的進(jìn)、排風(fēng)的通暢。為了驗證屋頂風(fēng)冷熱泵機組進(jìn)、排風(fēng)流線，避免造成氣流短路。以計算流體力學(xué)（CFD）為理論依據(jù)，利用FLUENT 軟件，對屋頂風(fēng)冷熱泵機組散熱情況進(jìn)行仿真模擬。

通過對建筑整體的夏季典型風(fēng)向下室外風(fēng)環(huán)境的模擬分析，計算得出本樓東側(cè)屋頂風(fēng)壓較強（+8Pa）、風(fēng)速較快，在此區(qū)域加大進(jìn)風(fēng)面積（防雨百葉或可開啟外窗），有利于室外空氣的進(jìn)入。利用室外風(fēng)環(huán)境的模擬結(jié)果作為風(fēng)冷熱泵仿真模擬的初始條件，對比設(shè)置屋頂花園架空風(fēng)冷熱泵機組和直接落地安裝的風(fēng)冷熱泵機組的散熱情況，模擬結(jié)果如下。

圖3 全年逐時負(fù)荷計算結(jié)果圖

圖4 全年日負(fù)荷計算結(jié)果圖

圖5 全年冷熱負(fù)荷分布頻率圖

圖6 風(fēng)冷熱泵放置于屋面構(gòu)架層上的BIM模型圖

①方案一：風(fēng)冷熱泵放置于屋面上側(cè)面進(jìn)風(fēng)的模擬結(jié)果，見圖8～圖11。

圖8 風(fēng)冷熱泵側(cè)進(jìn)風(fēng)側(cè)視溫度云圖

圖9 風(fēng)冷熱泵側(cè)進(jìn)風(fēng)側(cè)視速度云圖

圖10 風(fēng)冷熱泵側(cè)進(jìn)風(fēng)側(cè)視矢量圖

圖11 風(fēng)冷熱泵側(cè)進(jìn)風(fēng)頂視溫度云圖

②方案二：風(fēng)冷熱泵放置于架空的屋頂花園（8m 層高）頂部構(gòu)架上雙側(cè)進(jìn)風(fēng)的模擬結(jié)果，見圖12～圖15。

圖12 風(fēng)冷熱泵雙側(cè)進(jìn)風(fēng)側(cè)視溫度云圖

圖13 風(fēng)冷熱泵雙側(cè)進(jìn)風(fēng)側(cè)視速度云圖

圖14 風(fēng)冷熱泵雙側(cè)進(jìn)風(fēng)側(cè)視矢量圖

圖15 風(fēng)冷熱泵雙側(cè)進(jìn)風(fēng)頂視溫度云圖

通過對比發(fā)現(xiàn)，方案二將風(fēng)冷熱泵機組底部架空設(shè)置屋頂花園層時，空氣經(jīng)過屋頂花園后進(jìn)入設(shè)備布置區(qū)域，被風(fēng)冷熱泵機組吸入，可以使得風(fēng)冷熱泵內(nèi)側(cè)吸入溫度較方案一低1～2℃；同時根據(jù)伯努利效應(yīng)，風(fēng)冷熱泵向上的氣流產(chǎn)生的負(fù)壓腔，帶動底部屋頂花園的空氣向上流動，整個空間氣流速度較快且均勻；同時利用幕墻形成的“煙囪”，在風(fēng)壓和熱壓的雙重作用下，迅速將風(fēng)冷熱泵的排熱釋放到幕墻頂?shù)拇髿庵小７桨付M(jìn)風(fēng)溫度低，排風(fēng)順暢，可以顯著提升風(fēng)冷熱泵的運行效率。

根據(jù)方案一可以看出由于風(fēng)冷熱泵內(nèi)側(cè)靠近核心筒位置，進(jìn)風(fēng)受限，吸入風(fēng)冷熱泵室外空氣流量遠(yuǎn)低于外側(cè)吸入口，風(fēng)冷熱泵機組進(jìn)風(fēng)如圖16所示。

圖16 風(fēng)冷熱泵側(cè)進(jìn)風(fēng)示意圖

在風(fēng)冷熱泵自身的抽吸下，左側(cè)負(fù)壓形成渦流區(qū)，機組的排風(fēng)受渦流影響，又重新被進(jìn)風(fēng)口吸入，使得內(nèi)側(cè)進(jìn)風(fēng)口進(jìn)風(fēng)溫度較室外平均溫度高2～5℃，影響機組換熱能力，不利于系統(tǒng)節(jié)能。遇到極高溫或極低溫條件時，易產(chǎn)生內(nèi)側(cè)過熱停機或者凍結(jié)，同時渦流的形成又一定程度上阻礙了風(fēng)壓和熱壓的形成，影響了整體的通風(fēng)效率。

經(jīng)過以上對比可以看出，方案二風(fēng)冷熱泵底部和側(cè)面雙向進(jìn)風(fēng)的氣流組織條件最優(yōu)，但由于機組排風(fēng)溫度較低、排風(fēng)熱壓較小，當(dāng)遇到室外風(fēng)壓較小時，可能無法有效將熱量排至幕墻頂部大氣中。因此，為增強風(fēng)冷熱泵機組的散熱能力，在方案二的基礎(chǔ)上，采取增大風(fēng)冷熱泵排風(fēng)風(fēng)速或在出口設(shè)置導(dǎo)風(fēng)管的方式，分別進(jìn)行仿真模擬。

③方案三：在風(fēng)冷熱泵放置于架空的屋頂花園（8m 層高）頂部構(gòu)架上雙側(cè)進(jìn)風(fēng)的基礎(chǔ)上，增大風(fēng)冷熱泵排風(fēng)風(fēng)速，模擬結(jié)果見圖17～圖18。

圖17 風(fēng)冷熱泵雙側(cè)進(jìn)風(fēng)側(cè)視溫度云圖

圖18 風(fēng)冷熱泵雙側(cè)進(jìn)風(fēng)側(cè)視速度云圖

④方案四：在風(fēng)冷熱泵放置于架空的屋頂花園（8m 層高）頂部構(gòu)架上雙側(cè)進(jìn)風(fēng)的基礎(chǔ)上，增大風(fēng)冷熱泵排風(fēng)靜壓并增設(shè)導(dǎo)流風(fēng)罩（2m高），模擬結(jié)果見圖19～圖20。

圖19 風(fēng)冷熱泵雙側(cè)進(jìn)風(fēng)側(cè)視溫度云圖

圖20 風(fēng)冷熱泵雙側(cè)進(jìn)風(fēng)側(cè)視速度云圖

經(jīng)過以上對比可以看出方案四相較方案三，進(jìn)風(fēng)口區(qū)域氣流溫度、速度更均勻，排風(fēng)口速度衰減較小，受室外風(fēng)環(huán)境影響較小，同時由于導(dǎo)流風(fēng)罩的作用，理論上噪音值應(yīng)比方案三更低。

5 計量

為了滿足各層、各室存在租售的可能，結(jié)合樓宇控制系統(tǒng)設(shè)計空調(diào)能耗計量系統(tǒng)，冷/熱水系統(tǒng)在空調(diào)回水總管上設(shè)置超聲波能量計，在每層空調(diào)回水管上設(shè)置電磁式能量計，同時每臺風(fēng)機盤管均設(shè)置時間型計量控制器，由智能系統(tǒng)進(jìn)行抄表監(jiān)控，折算出每層的電費后按各風(fēng)機盤管使用時間折算費用。

6 結(jié)語

將風(fēng)冷熱泵機組架空設(shè)置于屋頂花園層（8m高）構(gòu)架之上的設(shè)計方案，在頂部設(shè)置幕墻情況下，通過風(fēng)壓、熱壓雙重作用，可避免冷熱氣流短路，提高風(fēng)冷熱泵機組的進(jìn)排風(fēng)效率和換熱效率。

將風(fēng)冷熱泵增大排風(fēng)靜壓、排風(fēng)口設(shè)置導(dǎo)流風(fēng)罩，屋頂設(shè)備層采用通過系數(shù)更高的進(jìn)風(fēng)百葉時，可進(jìn)一步提高優(yōu)化風(fēng)冷熱泵進(jìn)、排風(fēng)條件。

同時風(fēng)冷熱泵機組放置于屋面的構(gòu)架上，可降低風(fēng)冷熱泵主機運行時產(chǎn)生的振動和噪聲對下層辦公及周邊環(huán)境的影響。