某高大空間開(kāi)放式辦公區(qū)空調(diào)氣流組織模擬分析

龔思越

廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 廣州 510627

近年來(lái)，高大空間因體積大、視野寬、空間高、觀感性強(qiáng)等特點(diǎn)備受設(shè)計(jì)師青睞。正因其空間大，人員燈光密集，外圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱量大，導(dǎo)致高大空間功能區(qū)冷熱負(fù)荷大，空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行耗能明顯。常遠(yuǎn)等[1]對(duì)車(chē)站高大空間空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)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(fēng)方案，指出送風(fēng)速度和送風(fēng)溫差對(duì)高大空間分層空調(diào)的溫度和流場(chǎng)分布有較大影響。黃艷山等[2]對(duì)采用分層空調(diào)系統(tǒng)的廣州白云機(jī)場(chǎng)主航站樓空調(diào)進(jìn)行氣流組織模擬分析，結(jié)果表明室內(nèi)溫度、風(fēng)速、溫度梯度滿足設(shè)計(jì)要求。范濟(jì)榮等[3]針對(duì)某酒店大堂進(jìn)行了高大空間氣流模擬分析，得出分層空調(diào)冷負(fù)荷占全室空調(diào)冷負(fù)荷之比約為0.7。對(duì)于高大空間，分層空調(diào)技術(shù)是較廣泛采用的一種空調(diào)技術(shù)，其通過(guò)氣流組織的合理設(shè)計(jì)，重點(diǎn)對(duì)人員活動(dòng)區(qū)域的空間進(jìn)行空氣調(diào)節(jié)，而對(duì)高于人員活動(dòng)區(qū)的上部空間進(jìn)行通風(fēng)排熱，從而可以減少高大空間的空調(diào)負(fù)荷，節(jié)約運(yùn)行能耗。

文章利用CFD模擬技術(shù)，對(duì)采用分層空調(diào)系統(tǒng)的廣州某高大空間開(kāi)放式辦公區(qū)夏季制冷工況下的空調(diào)氣流組織進(jìn)行模擬分析，得到了主要活動(dòng)區(qū)的溫度和風(fēng)速值，結(jié)果基本滿足設(shè)計(jì)要求。該案例可為類似空間的空調(diào)通風(fēng)設(shè)計(jì)提供參考。

1 研究對(duì)象

案例項(xiàng)目裙房共7層，建筑高度為37.5m。該開(kāi)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(qū)域?yàn)榭绲?、第7層通高區(qū)域，高度為12m，頂部有天窗，采用電動(dòng)遮陽(yáng)簾；西面、西北面為外玻璃幕墻，東面為內(nèi)玻璃幕墻，南側(cè)無(wú)外墻，與內(nèi)部其他功能房間相鄰。

第6層部分辦公隔間采用風(fēng)盤(pán)送風(fēng)，其他空間采用全空氣空調(diào)系統(tǒng)，圓形散流器送風(fēng)，回風(fēng)口位于天花板上。中間兩層通高區(qū)域采用分層空調(diào)，在第6層?xùn)|側(cè)、西側(cè)、南側(cè)分別設(shè)置噴口側(cè)送風(fēng)，頂部天窗側(cè)壁設(shè)置排風(fēng)。受建筑電梯及樓梯布置影響，西北面部分空間無(wú)法布置噴口送風(fēng)，為了抵消該空間的冷負(fù)荷需求，在西北面沿著外玻璃幕墻設(shè)置地面風(fēng)口送風(fēng)，如圖1所示。

圖1 開(kāi)放式辦公第6層空調(diào)風(fēng)管平面圖

該開(kāi)放式辦公區(qū)空調(diào)計(jì)算冷負(fù)荷約350kW，計(jì)算冷指標(biāo)約175W/m2。設(shè)置組合式空調(diào)機(jī)組3臺(tái)，風(fēng)量和冷量分別如下：第1臺(tái)風(fēng)柜風(fēng)量為15000m3/h，冷量為68kW；第2臺(tái)風(fēng)柜風(fēng)量為40000m3/h，冷量為180kW；第3臺(tái)風(fēng)柜風(fēng)量為30000m3/h，冷量為135kW。其中，第1臺(tái)風(fēng)柜為地面送風(fēng)用。頂部天窗側(cè)壁又排風(fēng)機(jī)2臺(tái)，每臺(tái)風(fēng)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(jìn)行建模，模型如圖2所示。其中，y軸正方向?yàn)楸毕颍瑇軸正方向?yàn)闁|向。

圖2 分析模型

2.2 邊界條件

由于該辦公區(qū)域內(nèi)墻和樓板緊鄰空調(diào)房間，故假定這兩處的圍護(hù)結(jié)構(gòu)是絕熱的，與相鄰房間不發(fā)生熱量傳遞；而熱量通過(guò)外墻傳入房間，故將外圍護(hù)結(jié)構(gòu)均設(shè)置為熱量邊界條件。考慮到人體、設(shè)備等室內(nèi)負(fù)荷的影響，將這些冷負(fù)荷加到地面上，將照明負(fù)荷加到天花板上，將地面及天花板分別設(shè)置為發(fā)熱源，以此簡(jiǎn)化模型計(jì)算。根據(jù)冷負(fù)荷計(jì)算結(jié)果，各圍護(hù)結(jié)構(gòu)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(nèi)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(biāo)準(zhǔn)κ-ε湍流模型求解。標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型把紊流黏性與紊動(dòng)能κ、耗散率ε相聯(lián)系，建立其與渦黏性的關(guān)系，這種模型在工程上被廣泛應(yīng)用；采用壓力-速度修正算法（SIMPLE）聯(lián)立求解各離散方程。

3 結(jié)果分析

選取典型計(jì)算面Z=1（離地1m）水平切面作為人員活動(dòng)區(qū)高度范圍的分析界面，該界面的溫度與風(fēng)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(qū)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(qū)域溫度較高，基本維持在24℃左右。西北面空間由于地面送風(fēng)口的作用，溫度維持在24℃左右。由圖4可知，左右兩邊空間風(fēng)速維持在0.15～0.30m/s；兩層通高區(qū)中間部分受頂部排風(fēng)、熱浮升力以及西向噴口射流區(qū)的影響，風(fēng)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(fēng)角度的影響，兩層通高區(qū)中間部分風(fēng)速過(guò)大，建議西向噴口結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況向上調(diào)整送風(fēng)角度，以減少其射流區(qū)域?qū)θ藛T活動(dòng)區(qū)風(fēng)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(fēng)速分布圖

4 結(jié)論

（1）分層空調(diào)系統(tǒng)能較好地滿足高大空間夏季制冷工況的需求，對(duì)于側(cè)送風(fēng)口布置受限的空間，地面風(fēng)口送風(fēng)是一種效果較好的送風(fēng)形式。

（2）人員主要活動(dòng)區(qū)溫度應(yīng)維持在23～24℃，風(fēng)速應(yīng)維持在0.15～0.40m/s。噴口送風(fēng)應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，調(diào)整送風(fēng)角度，以減少其射流區(qū)域?qū)θ藛T活動(dòng)區(qū)風(fēng)速的影響。