分層空調氣流組織模擬及空調區負荷分析

范濟榮 江宋標 龔思越 盧佑波

分層空調氣流組織模擬及空調區負荷分析

范濟榮 江宋標 龔思越 盧佑波

（廣東省建筑設計研究院 廣州 510627）

對高大幕墻空間分層空調的氣流組織進行數值模擬計算。解析計算區域的溫度場，分析房間垂直溫度變化規律，判斷氣流組織的分層效果。通過工作區的平均溫度求解空調區負荷與空氣處理設備運行制冷量，并總結其所占全室空調負荷比例的經驗系數。

氣流組織分析；高大幕墻空間；分層空調；空調區負荷

0 引言

高大中庭空間是建筑設計中營造一種與外部空間既隔離又融合的特有形式[1]。中庭的設計常為了得到更多的透光率而使用大面積的玻璃幕墻[2]，增大了陽光的輻射熱，導致室內熱量激增，易形成溫室效率和煙囪效應[3]。由于內部的復雜空間設計，高大空間室內氣流流動及傳熱過程十分復雜，空調送風形成的氣流組織較為復雜。

高大空間層高，室內得熱量大，豎向溫度梯度較大，采用分層空調氣流組織形式可以有效地實現氣流分區[4]，減少維持室內空氣環境狀態的冷耗，減少空調能耗。而傳統的空調設計方法是在室內環境參數基本一致的基礎上發展起來的，傳統設計方法已無法滿足要求[5]。計算機技術作為理論和試驗研究的有力補充，被廣泛用于各類大空間建筑中。

1 數值計算模型

1.1 建筑空間

所研究的建筑空間位于塔樓頂部，距地高235m處，房間高度28m，建筑面積為1050m2，室內有效容積為23674m3。外圍護結構為不透風幕墻設計，對外無可開啟窗和進風百葉，為封閉高大幕墻房間。

圖1（a） 房間平面圖

Fig.1(a) Room plan

圖1（b） 房間剖面圖

Fig.1(b) Room section

房間采用全空氣一次回風空調系統形式，選用送風量為27000m3/h的空氣處理機組2臺，21000m3/h和12000m3/h各1臺，為房間提供冷量。

1.2 CFD計算模型

對所研究的建筑空間進行簡化，簡化后建筑空間模型尺寸如圖2（a）、2（b）所示。

圖2（a） 模型俯視圖

Fig.2(a) Overhead view

圖2（b） 模型側視圖

Fig.2(b) Side view

參考設計日空調逐時負荷計算結果[6]，工作區的熱源包括人員散熱、設備散熱以及來自非空調區輻射轉移熱量，設定值為150kW；建筑空間頂部（倒梯臺結構）的熱源包括照明散熱、天窗得熱，設定值為100kW；各朝向幕墻設置的固定熱源如表1所示。

表1 各區域幕墻熱源設定值（單位：kW）

送風口圍繞核心筒布置，共28個，單個風口送風量為0.85m3/s，送風溫度設為14.6℃，風口中心高度距地7m。以排風比為10%、15%、20%分別設定回風口、排風口的風量，對三種氣流組織方案的模擬結果進行比較分析。

1.3 合理性分析

所研究的房間中，空調潛熱負荷是由人員散濕形成的，計算設計日空調逐時負荷計算，潛熱冷負荷只占室內空調冷負荷的5.7%。另外，模型設置的熱源均為第二類邊界條件（固定熱流），其發熱量不受計算域流體溫度的影響。以溫差與送風量的乘積（替代焓差與送風量的乘積）作為空調房間負荷，其誤差在可接受的范圍內。

2 分析與求解

2.1 房間豎向溫度梯度

排風口處豎向溫度、速度云圖如圖3所示（排風比為10%）。從下往上房間的溫度呈現由低到高的變化趨勢。

圖3（a） 豎向溫度云圖（℃）

Fig.3(a) Vertical temperature nephogram (℃)

圖3（b） 豎向速度云圖（m/s）

Fig.3(b) Vertical velocity nephogram (m/s)

在高度6.5～8.0m處（送風口中心高度7.0m），溫度急劇上升，上升值約為1.9℃，以送風口位置為分界線，形成上下兩個明顯的氣流分區。空調區的溫度變化較小，0～6m區域平均溫度上升值不足0.4℃。

圖4 豎向溫度分布曲線

空調區平均溫度基本維持不變，非空調區呈現拋物線式的變化趨勢，這與蔡寧[7]等人的研究結果規律相似。

2.2 分層空調區冷負荷

工作區溫度等高度平均溫度如表2所示，排風風量占比增加，平均溫度有所下降。

表2 不同排風量時0～2m區域平均溫度

以排風量占比為10%為例，工作區（高0.9m）溫度、速度云圖如圖5所示。由送風溫度與工作區（0～2m）平均溫度的溫差與送風量的乘積來計算空調區分層空調負荷。空調區夏季分層空調冷負荷計算，在進行設計時，可采用經驗系數法[8]，即對分層空調建筑物按全室空調方法進行冷負荷計算，然后乘以經驗系數，經驗系數常由特定性質的高大建筑物經實測與計算得出，通常取0.5～0.85，當缺乏數據時可取0.7。

圖5（a） 平面溫度云圖（℃）

Fig.5(a) Planel temperature nephogram (℃)

圖5（b）平面速度云圖（m/s）

Fig.5(b) Plane velocity nephogram (m/s)

根據模型設定的邊界條件與求解得出的工作區平均溫度，可計算全空氣系統的送風溫差、空調區分層空調冷負荷以及負荷計算的經驗系數。

表3 不同排風量分層空調冷負荷計算

空調區的范圍為0～8m，設置在空調區的熱源為230.6kW，總熱量為430.6kW，占比為0.536。而模擬求解得出的經驗系數約為0.7，大于模型設定的比例，造成以上現象的主要原因是熱空氣自然對流向上運動，低溫送風氣流到達靠近中庭區域帶走室內冷負荷的同時與上升熱氣摻混[9]。

排風比的增大則送入房間的冷空氣經由非空調區排出的比例加大，在一定范圍內可以抵消非空調區對流轉移的熱量，致使空調區的平均溫度降低，送風溫度也隨之減小。當經由非空調區排出的冷空氣足夠抵消對流轉移的熱量，增加排風比則會表現為空調區的溫度升高。

2.3 空氣處理機組制冷量

在空調系統運行過程中，房間的增加的排風量須在空氣處理機組中加大新風量的補入來進行平衡。

室外計算干球溫度為34.2℃，室內設計溫度為25℃，排風比不同，新、回風混風溫度也不同。

表4 不同排風量空氣處理機組制冷量計算

由表4可知，在設計工況下，由于新風負荷增大，在一定范圍內增大排風比，雖然可以降低空調區分層空調冷負荷，但其空氣處理機組的制冷量是增大，不利于系統的節能。通過計算，當室外計算干球溫度低于29℃時，加大排風比（新風比）可降低空氣處理機組的制冷量。

3 結論

（1）高大幕墻空間的分層空調系統，垂直溫度分布整體呈現“下冷上熱”的特點，在送風口處溫度有明顯的躍升，形成兩個氣流回路，空調區與非空調區呈現不同的溫度變化規律。

（2）無外進風百葉的高大幕墻空間分層空調系統中，在一定范圍內頂部加大排風比，其空調區的冷負荷減少，所需送風溫差變小，但空氣處理機組的制冷量加大。

（3）該模型求解得出的空調區分層空調冷負荷占全室空調負荷比例的經驗系統約為0.7，大于模型熱源設置比例0.536。非空調區約有70kW冷量通過對流方式轉移到空調區。

[1] 曾雄虎.建筑中庭的設計運用探討[J].甘肅水利水電技術,2005,(2):121-122.

[2] 張勇,余莊.藝術的代價有多大?—試論玻璃屋頂的能耗問題[J].2004,22(6):68-70.

[3] 于欣.運用CFD對大型辦公建筑高大中庭空間空調的數值模擬研究[D].北京:北京建筑大學,2017.

[4] 黃華明.珠三角商場中庭夏季熱舒適性優化研究[D].廣州:廣州大學,2018.

[5] 程遠達,楊晉明,張興惠,等.不同建筑分層空調系統風口布置的優化研究[J].暖通空調,2018,(4):100-107.

[6] 黃緒鏡.百貨商場空調設計[M].北京:中國建筑工業出版社,1998.

[7] 蔡寧,黃晨.大空間建筑分層空調冷負荷計算模型研究[J].南京工程學院學報(自然科學版).2017,15(3):37-42.

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

[9] 王碩.CFD技術在高大中庭熱環境設計中的應用[J].建筑熱能通風空調,2016,35(6):77-78.

Air Distribution Simulation of Stratified Air Conditioning and Load Analysis of Air Conditioning Area

Fan Jirong Jiang Songbiao Gong Siyue Lu Youbo

( Architectural Design and Research Institute of Guangdong Province, GuangZhou, 510627 )

In this paper, the numerical simulation of air distribution in high and large curtain wall space stratified air conditioning is carried out. Analyzing the temperature field in the calculating area, Judging the stratification effect of air distribution. The average temperature of the working area is used to calculate the load of the air conditioning area and the refrigeration capacity of the air handling equipment, and the empirical coefficients of the proportion of air conditioning load in the whole room are summarized.

Air distribution analysis; High curtain wall space; Stratified air conditioning; Air conditioning load

TU83

A

1671-6612（2020）01-025-04

范濟榮（1990.10-），男，碩士研究生，E-mail：1530030399@qq.com

2019-11-26