寒冷地區某商場中庭空調系統設計及模擬分析

摘要：以北京某商場中庭氣流組織做為研究對象，通過能耗分析軟件對中庭的負荷進行計算，利用計算流體力學（CFD）對中庭夏季、冬季工況下送風方案進行模擬，結合寒冷地區的實際項目案例，對中庭空調系統的設計方案的可行性、合理性進行分析研究，為大型商場中庭空調系統的設計提供參考依據。

關鍵詞：CFD ;中庭設計;負荷計算;寒冷地區

隨著社會的不斷發展，商場綜合體項目越來越多，商場作為人員密集場所，人們對舒適性要求也逐漸提高，空調系統能耗在商場總能耗中占據很大一部分比例，此部分應該引起足夠的重視。中庭作為商場的一部分，通過開敞的頂部引入陽光，利用中庭的廣闊空間達到引導客流的作用[1]。

中庭等高大空間的熱舒適性一直是空調設計中的難點，長期以來，設計人員大多依據經驗進行空調系統的設計，同時為了配合室內裝修效果，輕易調整空調送風系統的形式和送風位置，造成整體空調效果不佳，舒適性較差。本文針對實際工程設計項目，通過能耗分析軟件對商場中庭進行負荷計算，同時結合計算流體力學（CFD）模擬工具對中庭的氣流組織進行模擬分析，對空調系統的設計過程和要點進行探討[2]。

本工程位于北京市亦莊開發區某商業天街項目，地下為三層，地上為5層;建筑高位為36米（室外地坪至屋面面層，消防高度）;總建筑面積為162743m2，其中地上總建筑面積為84553m2，地下總建筑面積為78190m2，主要業態包括零售、餐飲、影院等。

本文主要以項目中的一個中庭作為研究對象，通過HDY負荷計算軟件及CFD軟件進行模擬分析，結合實際項目土建條件及內裝末端點位要求，對中庭空調系統的設計過程進行介紹。

選取的中庭貫穿商場1層～頂層，高度為29.6m，出屋面中庭四周采用玻璃幕墻，中庭平面圖紙圖詳見圖1。中庭一層和五層分別采用全空氣系統，末端送風方式為首層采用噴口側噴，五層采用雙層百葉風口下送，二、三、四層中庭走廊采用吊柜式空氣處理機組，雙層百葉下送風口，風口設置于店鋪門頭環形走廊區域。

1 中庭空調負荷計算的分析

1.1 本項目中庭區域的室內設計參數詳見下表1：

根據HDY-SAMD負荷計算軟件搭建計算模型，輸入對應的中庭室內設計參數，建筑專業提供的圍護結構參數，遮陽系數，設計參數滿足北京市《公共建筑節能設計標準》DB11/687-2015和《民用建筑熱工設計規范》Gb50176-2016中的限值規定。

負荷計算結果如下：

總冷負荷（全熱）：157.39kW，總冷（全熱）指標347.5W/m2，發生時刻12：00，冬季總熱負荷52.8kW，冬季總熱（全熱）指標119W/m2。全年負荷計算結果如下圖2：

從圖2，圖3的對比可以看出，通過玻璃遮陽系數的不同，對于中庭夏季熱負荷的影響較大，計算冷負荷和遮陽系數成正比。對于中庭來講，夏季主要冷負荷為太陽輻射熱，設置遮陽措施可以大幅度減少頂部熱負荷，有助于提高中庭頂部的熱舒適性。

2 中庭熱環境模擬分析

2.1 結合空調設計方案進行模擬設置，本項目中庭空調方案首層、頂層等高大空調設置全空氣系統，首層中庭采用側送風，頂層采用走廊上送風，2層至5層中庭走廊采用吊頂式空調機，走廊設上送風口上回風口，送風口結合內裝風口布置均勻布置在走廊商鋪門頭上方區域。通過對本項目中庭進行各類風環境模擬，對中庭末端的設置進行指導設計。夏季模擬工況如下：

夏季模擬工況一：a.中庭填充不設置遮陽;b.中庭底部配置全空氣系統進行側送風;c.中庭頂部設置排風。夏季模擬工況二：a.中庭天窗設置內遮陽，內遮陽綜合遮陽系數為0.3的淺色遮陽板;b.中庭底部配置全空氣系統進行側送風;c.中庭頂部設置排風。夏季模擬工況三：a.中庭天窗設置內遮陽，內遮陽綜合遮陽系數為0.3的淺色遮陽板;b.中庭底部配置全空氣系統進行側送風;c.中庭頂部設置排風;d.頂層中庭周圍設置空調處理中庭天窗負荷。

由圖4夏季模擬工況一可見，無遮陽的天窗僅依靠頂部排風并不能有效的去處夏季的太陽輻射熱，頂層溫度甚至達到了31～33℃。圖5夏季模擬工況二可見，增加內遮陽后降溫效果比較明顯，但頂層的人員活動區域基本在設計溫度+2～3℃左右，舒適性仍不佳。圖6夏季模擬工況三可見，增加內遮陽后，同時頂層額外設置空調處理中庭天窗負荷后效果比較明顯，頂層人員活動區域基本在設計溫度+1℃左右，基本滿足舒適性要求。因此夏季工況，中庭的空調系統按照頂部集中排風進行設計，同時頂層天窗周圍公共走道區域增加空調送風處理天窗負荷，效果比較好，可以滿足設計需求。

2.2 本項目處理寒冷地區，結合北京市《公共建筑節能設計標準》DB11/687-2015第4.4.11的規定，全樓中采用對室內空氣進行冷/熱循環處理的末端設備加集中新風的空調系統，其設計最小新風總送風量大于等于40000m3/h時，應有相當于總新風送風量至少25%的排風設置集中排風系統，并進行能量回收[3]。故模擬工況中增設底部排風措施，具體模擬工況如下：

冬季模擬工況一：a.不考慮太陽輻射、人員、設備照明的得熱負荷;b.考慮冬季冷風滲透負荷;c.中庭底部配置全空氣系統進行側送風;d.中庭底部設置排風;e.中庭底部不設置地暖。冬季模擬工況二：a.不考慮太陽輻射、人員、設備照明的得熱負荷;b.考慮冬季冷風滲透負荷;c.中庭底部配置全空氣系統進行側送風;d.中庭底部設置排風;e.中庭底部設置地暖。

由圖7冬季模擬工況一結果可見，底層人員活動區溫度在16～18℃，底部由于冷風滲透緣故，一層供熱效果不佳，因此在商場整體風平衡控制上需經過計算確定集中排風量，減少冷風滲透負荷的侵入，中庭冬季可基本滿足舒適性要求。由圖8冬季模擬工況二結果可見，增設地暖后其舒適性效果更好，整個中庭及相鄰走道在人體活動區域的溫度分布較為穩定，通過上述模擬結果可以看出，冬季中庭的空調系統按照底部集中排風進行設計，同時首層中庭設置地暖可以有效的保證舒適性。

3 結語

通過對中庭空調系統的負荷計算及模擬分析，對于中庭天窗區域，當屋頂玻璃天窗面積較大時，需通過負荷計算進行校驗，對于空調系統的設置建議：1）中庭天窗建議設置遮陽措施，以減少夏季太陽通過中庭玻璃頂傳入大量熱負荷;2）中庭夏季設置頂部排風，防止“熱頂”產生以及削弱冷氣從底部外溢;冬季集中底部排風，改變室內的氣流組織，以防止大量熱空氣上升，并減少冷風滲入;3）中庭底部建議設置地暖，以提高中庭冬季的熱舒適性;4）結合整個項目做好風量平衡控制，商場項目餐飲數量較多，風量平衡計算的時候應包括餐飲排油煙和排油煙補風量進行整體風量平衡計算，同時要注意風機的連鎖啟停，以減少冬季從商場大門進入的冷風侵入負荷。

參考文獻：

[1] 張君瑛，吳喜平，章學來等;夏季建筑中庭內的熱環境數值模擬及中庭外窗自然通風研究[J] ;FLUD MACHINERY ，64

[2]程艷，宋陽光，顏蘇芊;夏季商場中庭氣流組織的數值模擬[J];ENERGY CONSERVATIION，38

[3]北京市公共建筑節能設計標準（DB11/687-2015）;27

作者簡介：作者：李賀，男，1987年出生，碩士研究生。