某工程空調系統送風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）

某工程空調系統送風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）

以一個實際項目為例，采用熱舒適性模擬對高大空間的辦公大堂頂送風和側送風的兩個空調送風方案進行模擬，以其溫度場、速度場、PMV-PPD的分布數據作為參考數據協助設計人員確定空調送風方案。

高大空間；氣流組織；熱舒適性；溫度場；速度場；評價標準

0 引言

目前越來越多的大型商業綜合體項目中包含辦公塔樓的建筑，其辦公大堂具有單體空間高大、空調冷熱負荷大、豎向方向上氣流和溫度變化較大等特點，在空調方案確定時在理論計算后通過熱舒適性模擬為輔助工具，相對較為準確的了解空調方案的情況，協助設計人員確定類似辦公大堂等高大空間的空調送風方案及送風風量。

1 辦公大堂建筑概況

大堂面積為54m×54m，模型中分為兩個區域:1區和2區。

2 空調設計

2.1 負荷及送風量計算

2.1.1 負荷計算

根據大堂設計參數，大堂人員密度為10m2/人，電器設備和照明負荷分別為5W/m2、11W/m2[2]。

圍護結構負荷計算所需要的基本參數包括室內設計參數、外圍護結構參數等，見表1-表3。

根據負荷計算結果，冬季圍護結構熱負荷為57.5W/m2，夏季圍護結構冷負荷為98.2W/m2，內熱20W/m2。

表1 夏季室內外設計參數

表2 冬季室內外設計參數

表3 外圍護結構參數

2.1.2 送風量計算

根據大堂夏季與冬季室內負荷，計算出1區和2區全室性空調方式的設計工況風量均為36000m3/h。采用頂送方案時確定風量36000m3/h。采用分層送風的方式時僅對室內下部人員活動區進行空調、而不對上部空間空調的空調方式，理論而言可節省部分冷量，其送風量小于頂送時的風量。但從理論計算較難確定送風風量，在以下模擬時分別就側送風量按照全室性空調方式的風量的90%、80%、70%進行了舒適性模擬，以下的模擬結果陳述中僅列出模擬后確定風量為28800m3/h的速度場、溫度場和PMV-PPD分布。

2.2 空調送風方案

2.2.1 頂送方案

頂送方案選用條縫型風口布置于幕墻周邊，圓形散流器布置于大堂內部[4]。

不同區域的選型結果見表4。

表4 頂送方案選型結果

風口布置如圖1所示。

圖1 頂送方案風口布置示意圖

2.2.2 側送方案

選用球形噴口側送，布置于大堂幕墻側柱子上，每根柱子布置兩個噴口，安裝高度為4.5m，電梯廳風口及回風口與頂送方案一致[3]。球形噴口的外形如圖2所示，不同區域的選型結果見表5。

風口布置如圖2所示。

表5 側送方案選型結果

3 模型建立及評價標準

3.1 建筑模型

使用A irpak軟件進行數值分析，建筑在A irpak軟件中建立的3D模型如圖3所示。

3.2 數學模型

采用Navier-Stokes方程作為室內氣體運動的控制方程組，其中包括連續性方程、動量方程和能量方程。計算中應用標準k-ε兩方程模型求解湍流對流換熱問題，包括湍流脈動動能k-ε方程及湍流能量耗散ε方程。網格為混合型，數量為118632個，風口局部加密處理。

（1）連續性方程

圖2 側送方案風口布置示意圖

圖3 模型示意圖

對不可壓縮流體，其流體密度為常數，方程簡化為

式中ui—方向的速度。

（2）動量方程

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。

（3）能量方程

式中k—分子導熱率；

kt—湍流擴散引起的導熱率kt=cpμt/Prt；

Sh—體積熱源。

3.3 評價標準[1]

對于不同的空調工況的舒適度，報告通過以下參數進行分析:溫度、流場和舒適度。其中，溫度以設計溫度為評價標準，流場根據國家規范相關要求，人員區域內的氣流速度控制在0.3m/s。室內舒適度則通過PMV-PPD指標判斷。PPD即預期不滿意百分率，其與PMV的數值關系如圖4所示。

PMV-PPD指標可通過以下參數估算:人體活動的代謝率、衣著系數、空氣溫度、平均輻射溫度、相對空氣流速及空氣濕度。本模擬中，采用ISO 7730標準來進行PMV和PPD的模擬計算。計算中考慮了室內空氣溫度、氣流速度、平均輻射溫度、人員活動量以及服裝熱阻。對PMV的推薦值控制在-0.5～0.5之間，此時PPD＜10%。

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

通過使用Airpak模擬軟件對上述設計進行模擬[5]，模擬結果如下。

圖4 PMV與PPD的關系

4.1 空調頂送風方案模擬

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℃，高于設計溫度24℃。受室外溫度的影響，外墻表面溫度較高；回風口下方區域溫度較低；大堂內部溫度分布較為均勻，大部分區域介于25-26.75℃，局部區域為27.5℃。工作平面風速基本滿足在0.3m/s以下，回風口正下方，由于速度衰減慢，局部風速大于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（回風口正下方）；大部分區域介于0.5-0.8之間，平均值0.624，對應PPD為10.6，存在過熱現象。

圖5 頂送方案-夏季溫度場分布、速度場分布

圖6 頂送方案-夏季PMV/PPD分布

圖7 頂送方案-冬季溫度場分布、速度場分布

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℃，低于設計溫度22℃。其中1區溫度基本在16.5℃左右，2區在17.5℃左右。這是由于頂送風口冬季所送熱空氣難以下沉，導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，大部分區域介于-1~-0.4之間，平均為-0.549，對應PPD為8.4-11.9，平均值11.4，有過冷的現象。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，導致下部空間舒適度不佳。

4.2 空調側送風方案模擬

4.2.1 夏季工況

（1）1.5m高處溫度分布

側送方案夏季工況溫度場比較均勻，最低溫度為23.4℃，最高溫度為28.5℃，平均溫度為25.5℃左右。略高于設計溫度，分布較為均勻。側送時整體速度在0.3m/s以下，回風口下方速度較高。1區與2區交界區域出現局部漩渦。該現象是由于兩個區域的氣流走向相互作用引起，漩渦內風速約為0.2-0.25m/s。

（2）1.5m高處PMV-PPD分布

由圖10，側送方案夏季人員活動區域PMV大部分介于0.11-0.4之間，局部達0.5左右，平均為0.453，對應PPD為5-13，平均為8.0。整體滿足舒適度要求，僅在兩個區域交界和電梯廳溫度較高的部位有過熱可能。

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區在21.5℃左右，2區大部分在23℃左右；平均22.1℃。基本達到要求的22℃。且兩個區域各自的溫度均勻性較好（溫度較低的表面為外墻），電梯廳位于中間區域，熱量集中，溫度較高。冬季速度場大部分在0-0.24m/s之間，速度場分布均勻。

（2）1.5m高處PMV-PPD分布

由圖12，側送方案冬季人員活動區域PMV介于-0.17-0之間，平均為-0.07，對應PPD為5-5.58，平均為5.23。整體滿足舒適度要求。

圖9 側送方案-夏季溫度場分布、速度場分布

圖10 側送方案-夏季PMV/PPD分布

圖11 側送方案-冬季溫度場分布、速度場分布

圖12 側送方案-冬季PMV/PPD分布

5 結果分析

模擬結果見表6。由數據可知，頂送方案夏季過熱，冬季過冷，室內平均PPD均大于10%，超出理想的舒適度范圍；而側送方案的室內平均PPD均在10%以內，室內舒適度較為理想。且送風風量小于頂送方案的送風風量，節約能源。

綜上分析，采用頂送方案時風量采用計算風量36000m3/h尚不能達到理想的舒適度范圍，而通過計算風量的90%風量、80%風量、70%風量的舒適性模擬，可以確定采用側送方案時風量減小為28800m3/h即可達到舒適度的需求，從舒適度和節能兩個方面綜合考慮采用側送風方案，并確定側送風風量為28800m3/h。

表6 兩方案結果對比

6 結語

此項工程實例中空調送風方案選型借助熱舒適性模擬軟件對兩個不同的方案進行模擬，其模擬結果相對準確的反應了兩個方案在溫度、氣流速度和PMV/PPD的數據，借助此數據作為空調送風方案選擇的參考。在理論計算后借助模擬作為輔助工具，可以更為準確、明了的反應空調方案的運行情況，在達到空調效果的情況下減小初投資，同時在與建筑師協調辦公大廳的空調送風方式時，可以把直觀的效果表達出來。

[1]GB/T 18049-2000，中等熱環境PM V和PPD指數的測定及熱舒適條件的規定[S].

[2]陸耀慶.實用供熱空調設計手冊[M].2版.北京：中國建筑工業出版社，2008.

[3]范存養.大空間簡直空調設計及工程實錄[M].北京:中國建筑工業出版社，2001.

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

[5]高云峰.高大空間氣流組織形式及數值模擬[J].暖通空調，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，學士學位，暖通工程師。

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