范濟(jì)榮 江宋標(biāo) 龔思越 盧佑波

分層空調(diào)氣流組織模擬及空調(diào)區(qū)負(fù)荷分析

范濟(jì)榮 江宋標(biāo) 龔思越 盧佑波

（廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院 廣州 510627）

對(duì)高大幕墻空間分層空調(diào)的氣流組織進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。解析計(jì)算區(qū)域的溫度場(chǎng)，分析房間垂直溫度變化規(guī)律，判斷氣流組織的分層效果。通過工作區(qū)的平均溫度求解空調(diào)區(qū)負(fù)荷與空氣處理設(shè)備運(yùn)行制冷量，并總結(jié)其所占全室空調(diào)負(fù)荷比例的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。

氣流組織分析；高大幕墻空間；分層空調(diào)；空調(diào)區(qū)負(fù)荷

0 引言

高大中庭空間是建筑設(shè)計(jì)中營(yíng)造一種與外部空間既隔離又融合的特有形式[1]。中庭的設(shè)計(jì)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(dǎo)致室內(nèi)熱量激增，易形成溫室效率和煙囪效應(yīng)[3]。由于內(nèi)部的復(fù)雜空間設(shè)計(jì)，高大空間室內(nèi)氣流流動(dòng)及傳熱過程十分復(fù)雜，空調(diào)送風(fēng)形成的氣流組織較為復(fù)雜。

高大空間層高，室內(nèi)得熱量大，豎向溫度梯度較大，采用分層空調(diào)氣流組織形式可以有效地實(shí)現(xiàn)氣流分區(qū)[4]，減少維持室內(nèi)空氣環(huán)境狀態(tài)的冷耗，減少空調(diào)能耗。而傳統(tǒng)的空調(diào)設(shè)計(jì)方法是在室內(nèi)環(huán)境參數(shù)基本一致的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法已無法滿足要求[5]。計(jì)算機(jī)技術(shù)作為理論和試驗(yàn)研究的有力補(bǔ)充，被廣泛用于各類大空間建筑中。

1 數(shù)值計(jì)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(nèi)有效容積為23674m3。外圍護(hù)結(jié)構(gòu)為不透風(fēng)幕墻設(shè)計(jì)，對(duì)外無可開啟窗和進(jìn)風(fēng)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(fēng)空調(diào)系統(tǒng)形式，選用送風(fēng)量為27000m3/h的空氣處理機(jī)組2臺(tái)，21000m3/h和12000m3/h各1臺(tái)，為房間提供冷量。

1.2 CFD計(jì)算模型

對(duì)所研究的建筑空間進(jìn)行簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)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(cè)視圖

Fig.2(b) Side view

參考設(shè)計(jì)日空調(diào)逐時(shí)負(fù)荷計(jì)算結(jié)果[6]，工作區(qū)的熱源包括人員散熱、設(shè)備散熱以及來自非空調(diào)區(qū)輻射轉(zhuǎn)移熱量，設(shè)定值為150kW；建筑空間頂部（倒梯臺(tái)結(jié)構(gòu)）的熱源包括照明散熱、天窗得熱，設(shè)定值為100kW；各朝向幕墻設(shè)置的固定熱源如表1所示。

表1 各區(qū)域幕墻熱源設(shè)定值（單位：kW）

送風(fēng)口圍繞核心筒布置，共28個(gè)，單個(gè)風(fēng)口送風(fēng)量為0.85m3/s，送風(fēng)溫度設(shè)為14.6℃，風(fēng)口中心高度距地7m。以排風(fēng)比為10%、15%、20%分別設(shè)定回風(fēng)口、排風(fēng)口的風(fēng)量，對(duì)三種氣流組織方案的模擬結(jié)果進(jìn)行比較分析。

1.3 合理性分析

所研究的房間中，空調(diào)潛熱負(fù)荷是由人員散濕形成的，計(jì)算設(shè)計(jì)日空調(diào)逐時(shí)負(fù)荷計(jì)算，潛熱冷負(fù)荷只占室內(nèi)空調(diào)冷負(fù)荷的5.7%。另外，模型設(shè)置的熱源均為第二類邊界條件（固定熱流），其發(fā)熱量不受計(jì)算域流體溫度的影響。以溫差與送風(fēng)量的乘積（替代焓差與送風(fēng)量的乘積）作為空調(diào)房間負(fù)荷，其誤差在可接受的范圍內(nèi)。

2 分析與求解

2.1 房間豎向溫度梯度

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

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(fēng)口中心高度7.0m），溫度急劇上升，上升值約為1.9℃，以送風(fēng)口位置為分界線，形成上下兩個(gè)明顯的氣流分區(qū)?？照{(diào)區(qū)的溫度變化較小，0～6m區(qū)域平均溫度上升值不足0.4℃。

圖4 豎向溫度分布曲線

空調(diào)區(qū)平均溫度基本維持不變，非空調(diào)區(qū)呈現(xiàn)拋物線式的變化趨勢(shì)，這與蔡寧[7]等人的研究結(jié)果規(guī)律相似。

2.2 分層空調(diào)區(qū)冷負(fù)荷

工作區(qū)溫度等高度平均溫度如表2所示，排風(fēng)風(fēng)量占比增加，平均溫度有所下降。

表2 不同排風(fēng)量時(shí)0～2m區(qū)域平均溫度

以排風(fēng)量占比為10%為例，工作區(qū)（高0.9m）溫度、速度云圖如圖5所示。由送風(fēng)溫度與工作區(qū)（0～2m）平均溫度的溫差與送風(fēng)量的乘積來計(jì)算空調(diào)區(qū)分層空調(diào)負(fù)荷?？照{(diào)區(qū)夏季分層空調(diào)冷負(fù)荷計(jì)算，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，可采用經(jīng)驗(yàn)系數(shù)法[8]，即對(duì)分層空調(diào)建筑物按全室空調(diào)方法進(jìn)行冷負(fù)荷計(jì)算，然后乘以經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，經(jīng)驗(yàn)系數(shù)常由特定性質(zhì)的高大建筑物經(jīng)實(shí)測(cè)與計(jì)算得出，通常取0.5～0.85，當(dāng)缺乏數(shù)據(jù)時(shí)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(jù)模型設(shè)定的邊界條件與求解得出的工作區(qū)平均溫度，可計(jì)算全空氣系統(tǒng)的送風(fēng)溫差、空調(diào)區(qū)分層空調(diào)冷負(fù)荷以及負(fù)荷計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。

表3 不同排風(fēng)量分層空調(diào)冷負(fù)荷計(jì)算

空調(diào)區(qū)的范圍為0～8m，設(shè)置在空調(diào)區(qū)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(jīng)驗(yàn)系數(shù)約為0.7，大于模型設(shè)定的比例，造成以上現(xiàn)象的主要原因是熱空氣自然對(duì)流向上運(yùn)動(dòng)，低溫送風(fēng)氣流到達(dá)靠近中庭區(qū)域帶走室內(nèi)冷負(fù)荷的同時(shí)與上升熱氣摻混[9]。

排風(fēng)比的增大則送入房間的冷空氣經(jīng)由非空調(diào)區(qū)排出的比例加大，在一定范圍內(nèi)可以抵消非空調(diào)區(qū)對(duì)流轉(zhuǎn)移的熱量，致使空調(diào)區(qū)的平均溫度降低，送風(fēng)溫度也隨之減小。當(dāng)經(jīng)由非空調(diào)區(qū)排出的冷空氣足夠抵消對(duì)流轉(zhuǎn)移的熱量，增加排風(fēng)比則會(huì)表現(xiàn)為空調(diào)區(qū)的溫度升高。

2.3 空氣處理機(jī)組制冷量

在空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行過程中，房間的增加的排風(fēng)量須在空氣處理機(jī)組中加大新風(fēng)量的補(bǔ)入來進(jìn)行平衡。

室外計(jì)算干球溫度為34.2℃，室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度為25℃，排風(fēng)比不同，新、回風(fēng)混風(fēng)溫度也不同。

表4 不同排風(fēng)量空氣處理機(jī)組制冷量計(jì)算

由表4可知，在設(shè)計(jì)工況下，由于新風(fēng)負(fù)荷增大，在一定范圍內(nèi)增大排風(fēng)比，雖然可以降低空調(diào)區(qū)分層空調(diào)冷負(fù)荷，但其空氣處理機(jī)組的制冷量是增大，不利于系統(tǒng)的節(jié)能。通過計(jì)算，當(dāng)室外計(jì)算干球溫度低于29℃時(shí)，加大排風(fēng)比（新風(fēng)比）可降低空氣處理機(jī)組的制冷量。

3 結(jié)論

（1）高大幕墻空間的分層空調(diào)系統(tǒng)，垂直溫度分布整體呈現(xiàn)“下冷上熱”的特點(diǎn)，在送風(fēng)口處溫度有明顯的躍升，形成兩個(gè)氣流回路，空調(diào)區(qū)與非空調(diào)區(qū)呈現(xiàn)不同的溫度變化規(guī)律。

（2）無外進(jìn)風(fēng)百葉的高大幕墻空間分層空調(diào)系統(tǒng)中，在一定范圍內(nèi)頂部加大排風(fēng)比，其空調(diào)區(qū)的冷負(fù)荷減少，所需送風(fēng)溫差變小，但空氣處理機(jī)組的制冷量加大。

（3）該模型求解得出的空調(diào)區(qū)分層空調(diào)冷負(fù)荷占全室空調(diào)負(fù)荷比例的經(jīng)驗(yàn)系統(tǒng)約為0.7，大于模型熱源設(shè)置比例0.536。非空調(diào)區(qū)約有70kW冷量通過對(duì)流方式轉(zhuǎn)移到空調(diào)區(qū)。

[1] 曾雄虎.建筑中庭的設(shè)計(jì)運(yùn)用探討[J].甘肅水利水電技術(shù),2005,(2):121-122.

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[3] 于欣.運(yùn)用CFD對(duì)大型辦公建筑高大中庭空間空調(diào)的數(shù)值模擬研究[D].北京:北京建筑大學(xué),2017.

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[7] 蔡寧,黃晨.大空間建筑分層空調(diào)冷負(fù)荷計(jì)算模型研究[J].南京工程學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版).2017,15(3):37-42.

[8] 陸耀慶.實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2008.

[9] 王碩.CFD技術(shù)在高大中庭熱環(huán)境設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].建筑熱能通風(fēng)空調(diào),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(jì)榮（1990.10-），男，碩士研究生，E-mail：1530030399@qq.com

2019-11-26