基于某賓館采暖問題房間的室內氣流組織研究

金海魁 王穎 王健，2

1 同濟大學建筑設計研究院（集團）有限公司

2 同濟大學機械與能源工程學院

0 引言

隨著人民生活水平的日益提高，健康、綠色、舒適的建筑空調設計領域越來越被重視，但由于很多酒店賓館建筑對于空調系統末端安裝美觀性和隱蔽性的特殊要求，往往設計不合理，導致房間內溫度分布不均或過低，影響使用人員的舒適度及健康[1-2]。

此類問題相關研究主要基于CFD 模擬方法對建筑物的室內氣流組織進行優化模擬。不同學者從室內溫度梯度分布、風速分布、送回風口形式、冷風滲透等多角度對固定空間的室內氣流組織進行了分析[3-6]。

本文以某高級別賓館客房空調系統末端送回風布置不合理為研究基礎，對典型問題房間進行全尺寸建模分析研究，從室外溫度，風口布置和冷風滲透三個因素對其進行模擬優化研究，得出不同因素對室內舒適度的影響[7-9]。通過對影響室內環境的多因素分析，對于建筑室內氣流組織的優化設計和改造具有一定的實際意義。

1 項目概況

本項目位于福建省的一處高級別接待賓館，該賓館客房冬季制熱效果較差，于是對賓館空調系統進行現場勘察與檢測，判斷造成賓館客房冬季制熱效果較差的主要原因為室內氣流組織不合理，客房房間凈高4 m 左右，室內空調系統末端送回風方式為頂部側送頂部側回，送回風短路引起送風難以達到人員活動區，造成冬季室內體感溫度低，末端送回風布置詳見現場圖1。

圖1 室內送回風口布置

針對以上問題在對檢測數據分析的基礎上提出優化改造方案，并采用計算流體力學軟件進行室內氣流組織模擬，將優化改造方案和現狀方案進行對比分析，對改造后的效果進行預判。

2 方案制定及參數設置

根據對現場勘察及檢測結果，制定改造前室內氣流組織優化方案，該房間現有兩臺型號為HFCF06 和HFCF08 風機盤管，中速送風量分別為710 m3/h 和1020 m3/h（設計參數），根據裝修圖紙和設計圖紙進行建模，三維模型詳見圖2。

圖2 三維模型

通過對典型房間進行全尺寸建模，用starccm+6.04 軟件對室內氣流組織進行模擬優化。方案分為現狀方案，優化方案1 和優化方案2 三種，其中現狀方案送回風方式為頂部側送頂部側回。優化方案1 送回風方式采用頂部下送頂部側回，優化方案2 送回風方式采用頂部下送頂部下回，風口布置示意詳見圖3。

圖3 風口布置示意圖

每種方案有6 個模擬工況，主要考慮室外氣溫的不同和是否有滲透風這兩個重要影響因素。

三種室外溫度分別為：2.5 ℃（設計與施工說明室外溫度）、-1 ℃（《中國建筑熱環境分析專用氣象數據集》中上杭地區最低溫度）、-4.2 ℃（《建筑節能氣象參數標準-JGJT346-2014》中上杭地區最低溫度）。冷風滲透量按照《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》-GB50736-2012 中熱壓和風壓綜合作用的縫隙法進行計算，建筑外門、外窗的氣密性分級應符合國家標準《建筑外門窗氣密、水密、抗風壓性能分級及檢測方法》GB/T7106-2008 中第4.1.2 條的規定，并應滿足10 層以下建筑外窗的氣密性不低于6 級。其中該模擬房間可開啟縫長主要為窗戶縫長9.6 m，按照6 級氣密性單位縫長指標值大于1.0 m3/(m·h) 并小于等于1.5 m3/(m·h)，因此取該房間冷風滲透量為10 m3/h。各模擬工況詳見表1，部分參數設置詳見表2。

表1 各方案模擬工況

表2 部分參數設置

3 運行優化結果對比分析

3.1 現狀方案分析

對現狀方案進行氣流組織模擬，其中圖4 為現狀方案（頂部側送頂部側回）送回風口處縱剖面風速矢量圖。由圖4 可知，現狀方案室內送回風短路，由于房間凈高較高，受熱空氣上浮影響，送風無法送入到人員活動范圍內。

圖4 現狀方案風速矢量圖

現狀方案各工況室內溫度梯度分布詳見圖5，對各工況溫度梯度進行分析比較。由圖5 可知，現狀方案各工況在人活動范圍（1.8 m 以下）均不能達到設計溫度20 ℃。并且現狀方案各高度梯度溫度分層明顯，具有冷風滲透的工況分層更加明顯。

圖5 現狀方案各工況室內縱剖面溫度梯度

對于現狀方案選取最有利工況0-1-0 和最不利工況0-3-1 進行分析比較，制作溫度梯度折線圖，詳見圖6（最不利工況為室外溫度-4.2 ℃加冷風滲透，最有利工況為室外溫度2.5 ℃和未有冷風滲透，下同）。由圖6可知，在最有利工況0-1-0 中，溫度分布較為均勻，室內2.1 m 以上可達到設計溫度20 ℃以上。在最不利工況下，室內各高度梯度溫度均不能達到設計要求，地面0.3 m 處溫度僅有7 ℃左右，非常不利于人體舒適度要求。

圖6 溫度梯度折線圖

選取工況0-2-0 和工況0-2-1，對在室外溫度-1 ℃情況下，有無冷風滲透對室內舒適度的影響，詳見折線圖7。由圖7 可知，根據現有結果對比分析，有冷風滲透工況比無冷風滲透工況近地面溫度要低6～8 ℃，并且無冷風滲透工況的房間頂部溫度與近地面溫差在4～5 ℃，有冷風滲透工況的房間頂部溫度與近地面溫度相差8～9 ℃，室內溫度分層更明顯。

圖7 溫度梯度折線圖

3.2 優化方案1 分析

對現狀方案進行優化，根據優化方案1 進行氣流組織模擬，優化方案1 采用頂部下送頂部側回的送回風形式。其中圖8 為優化方案1 送回風口處縱剖面風速矢量圖。由圖8 可知，優化方案1 室內氣流組織良好，氣流在房間大部分區域形成場間循環。

圖8 優化方案1 風速矢量圖

優化方案1 中各工況室內溫度梯度分布詳見圖9，對各工況溫度梯度進行分析比較。由圖9 可知，優化方案1在無冷風滲透工況下室內溫度可滿足設計要求，在室外溫度2.5 ℃、-1 ℃、-4.2 ℃工況下，室內近地面高度0.9 m 處的平均溫度分別為24.14 ℃、23.89 ℃、23.55 ℃。室內溫度分布均勻，房間底部與頂部溫度相差均在1 ℃左右，室內近地面0.3 m 處最低溫度也在22.91 ℃。在有冷風滲透工況下，各方案溫度在室內1.5 m 以上均超過20 ℃（設計溫度），近地面1.5 m 以下溫度相對偏低，在室外溫度2.5 ℃、-1 ℃、-4.2 ℃工況下，室內近地面高度0.9 米處橫剖面的平均溫度分別為20.97 ℃、18.21 ℃、15.03 ℃。

圖9 優化方案1 中各工況室內縱剖面溫度梯度

對于優化方案1 選取最不利工況1-3-1 和無冷風滲透工況1-3-0 進行分析并制作溫度梯度折線圖，詳見圖10。由圖10 可知，在最不利工況1-3-1 下，在離地面高度1.2 m 以下溫度達不到設計要求，溫度分層明顯，根據對比分析可知，主要是因為冷風滲透的原因。在工況1-3-0 下，室內各梯度高度溫度均能滿足設計要求，由圖10（b）可知室內溫度分布均勻。由以上結果可知在調整送回風口的前提下，提高房間氣密性對于室內舒適度具有很重要的意義。

圖10 溫度梯度折線圖

3.3 優化方案2 分析

在優化方案1 的基礎上，將風口的形式調整為頂部下送頂部下回的形式，并將模擬結果與優化方案1進行對比分析。其中圖11 為優化方案2 送回風口處縱剖面風速矢量圖。由圖11 可知，優化方案2 室內氣流組織良好，氣流在房間大部分區域形成場間循環。優化方案2 的室內氣流場右側（即下圖紅色線框內）均勻度優于優化方案1 中的氣流場。

圖11 優化方案2 風速矢量圖

優化方案2 中各工況室內溫度梯度分布詳見圖12，將優化方案2 和優化方案1 各工況溫度梯度進行分析比較。由圖12 可知，優化方案2 在無冷風滲透工況下室內溫度可滿足設計要求，在室外溫度2.5 ℃、-1 ℃、-4.2 ℃工況下，室內近地面高度0.9 m 處的平均溫度分別為24.31 ℃、24.02 ℃、23.84 ℃。室內溫度分布均勻，房間底部與頂部溫度相差均在1 ℃左右。在有冷風滲透工況下，各方案溫度在室內1.5 m 以上均超過20 ℃（設計溫度），近地面1.5 m 以下溫度相對偏低，最不利工況2-3-1 的近地面0.3 m 處外溫度為13.84 ℃。

通過圖9 和圖12 的比較分析，在保證室內氣密性的情況下，室內氣流組織分布均勻，室內溫度達到設計要求，并且優化方案2 的氣流組織略優于方案1，優化方案2 的室內平均溫度高于優化方案1 室內溫度0.2～0.3 ℃。

圖12 優化方案2 中各工況室內縱剖面溫度梯度

3.4 氣流組織優化方案小結

1）現有頂部側送頂部側回方案，送風受熱空氣上浮影響，無法送入到人員活動區；優化方案1（頂部下送頂部側回）和方案2（頂部下送頂部下回）送風氣流在房間大部分區域形成場間循環。

2）無冷風滲透工況下，優化方案1 和優化方案2室內各梯度溫度均能達到設計溫度要求20 ℃，在0.9 m 處最低溫度23.55 ℃；并且方案2 室內溫度略高于方案1 室內溫度0.2～0.3 ℃。

3）冷風滲透對室內舒適度有較大的影響，并隨著室外氣溫的降低影響變大。優化方案1 和優化方案2在冬季室外溫度不低于-1 ℃情況下，室內0.9 m 處平均溫度可達18 ℃。

4）優化方案1 僅需調整送風方式，回風口布置無需改動，優化方案2 送回風口的布置均需要改動。

4 后期改造方案實測結果分析

經過優化方案比選，后期改造方案考慮到賓館改動不宜過大，選擇優化方案1 頂部下送頂部側回的改造方案。對改造后的房間進行改造后檢測，檢測主要為溫度和噪聲檢測，每個房間在近地面0.9 m 處布置五個測點，共計檢測5 個標準間，21 間套房，1 個總統套房及2 個會議室和接待室。溫度須達到設計溫度20 ℃，噪聲根據《民用建筑隔聲設計規范》要求小于45dB 可認為達標。表3 則為所有房間的檢測數據總分析表。

表3 數據分析表

經后期檢測數據分析，經過改造的賓館室內房間溫度參數和噪聲參數均滿足規劃和設計要求，達到良好效果。

改造后檢測數據的達標情況進一步驗證了前期檢測的問題判定。頂部下送頂部側回的送回風方式是明顯優于頂部側送頂部側回的送回風方式。

5 結論

通過對問題房間進行氣流組織優化模擬，并對后期改造設計方案進行指導優化和結果預判，結合以上分析和計算，得出如下結論：

1）以風機盤管和新風的送風量、送風溫度均滿足設計要求為前提，對客房進行氣流組織模擬，結果顯示：現有頂部側送頂部側回方案，送風受熱空氣上浮影響，無法送入到人員活動區。優化方案1（頂部下送頂部側回）和方案2（頂部下送頂部下回）送風氣流在房間大部分區域形成場間循環。

2）現場改造送風應采用雙層格柵頂部下送，且送風口位置應避開床、沙發等位置，避免吹風感；回風采用單層或雙層格柵頂部側回或下回方式。送風口布置在外窗側或靠近窗戶處，送風時形成風幕，可有效阻擋冷風滲透給人帶來的不舒適感。

3）針對重點房間需采取措施加強房間氣密性，減少冬季冷風滲透帶來的室內溫度下降。