基于不同送风形式下办公楼室内空气流场仿真分析

王礼飞，李文才，方雷

（安徽省城建设计研究总院有限公司，安徽 合肥 230051）

基于不同送风形式下办公楼室内空气流场仿真分析

王礼飞，李文才，方雷

（安徽省城建设计研究总院有限公司，安徽 合肥 230051）

随着经济发展，人们对生活品质的要求越来越高，尤其对室内环境舒适性有了更多的关注，室内的换气次数和气流组织对舒适度影响较大。文章通过PHOENICS软件对某办公楼在顶面和侧面两种不同送回风形式下的气流组织进行仿真模拟，并与实测的送风口和回风口温度、风速进行对比，分析冬季、夏季两种工况下的室内空气流场，给出不同通风形式下室内办公位置的适宜区域，从而提高办公人员工作环境的舒适性，为办公建筑空调系统设计提供一定的参考依据。

送回风；空气流场；舒适性；PHOENICS软件

办公建筑是人们长期从事脑力劳动的场所，室内空气的品质直接影响到办公人员的身心健康和工作效率。通常情况下，现代办公建筑大多数为敞开式办公，在夏、冬季节时门窗处于关闭状态，采用中央空调系统改善室内舒适性。室内舒适性对风速有一定的要求，室内风速较大会使皮肤干燥，产生不舒适感。一般室内风速小于0.5m/s时，人体感觉良好，当超过0.5m/s时，身体就会产生不适感，相关研究表明0.1m/s～0.5m/s[1]为最佳的室内风速范围。因此，办公环境的舒适性一定程度上取决于室内气流流场，空调系统送风口的合理布置对改善室内气流流场是至关重要的。本文通过气流组织模拟分析办公建筑夏、冬两季室内的空气流场，研究空调系统送风口的设计形式对办公位置布置的影响，从而提高办公环境的空气品质，同时为空调系统设计提供一定的参考依据。

本文研究选取的某办公楼位于六安市，建筑面积为36082m2，地上26层，标准层层高3.6m，为中间核心筒式，属典型的现代办公建筑，空调形式为地源热泵中央空调系统。

选取办公楼标准层中两个进深和开间相近的办公室，平面布局如图1、图2所示。办公室①为侧面送风、顶面回风，如图3所示。办公室②为顶面送风、顶面回风，如图4所示。办公室①、办公室②的送、回风口尺寸如表1所示。

图1 标准层平面布置图

图2 送回风口布置图

图3 办公室①侧面送风

图4 办公室②顶面送风

房间和风口尺寸 表1

根据办公室和风口的实际尺寸建立分析模型，如图5所示。

图5 分析模型

本文采用PHOENICS 2014版软件办公室①和②的气流组织进行模拟分析。PHOENICS软件是从微观角度对流场进行分析，采用Sketchup建立模型导入PHOENICS软件的FLAIR模块中，通过对边界条件进行设置，采用质量、能量及动量守恒等方程对模型进行求解，从而模拟分析气流组织变化特性。本次模拟采用软件中的k-ε湍流模型；浮力在空气对流中重要的影响因素，因此在模拟中运用Boussinesq假设来处理密度的变化[2～3]，满足下式：

其中，β为膨胀系数。

夏季、冬季在中央空调系统运行时，开启办公室①和②的风机盘管进行送回风，待风机盘管运行稳定后，采用手持式温度仪和万向风速仪分别测得距离送风口和回风口10cm处的风速、距离送风口10cm处的温度，作为模拟的边界条件。

图6 手持式温度仪

图7 万向风速仪

冬季模拟边界条件 表2

夏季模拟边界条件 表3

在实测的冬季工况风口风速、温度的边界条件下，采用PHOENICS软件对办公室内部的风速和空气龄进行仿真模拟，计算结果如图8～图10所示。

由图8可知：

①冬季在热压和风压共同作用下，办公室①和办公室②的室内1.2m高度风速基本都在0.2m/s～0.6m/s，空气龄基本在169s～843s；室内1.2m高度处平均风速为0.43m/s，平均空气龄为608s，换气效果良好。

②办公室①气流组织较为均匀，办公室②每个送风口产生的气流容易叠加并相互影响。从空气龄图中可以看出，办公室①空气龄在562s～843s范围比例大于办公室②，空气龄较大，办公室②的换气效果好于办公室①。

图8 室内1.2m高度处风速云图和空气龄图

图9 办公室②风口切面风速云图和空气龄图

图10 办公室①风口切面风速云图和空气龄图

由图9、图10可知：

①办公室①侧面射流送风下，风速较大区域呈抛物线形状，回风口下方的风速较小，约为0.09m/s～0.27m/s；办公位置不宜布置在距离送风方向2.5m范围内，该区域射流送风产生的风速较大，约为0.53m/s～0.70m/s，会使人产生不舒适感。

②办公室②顶面送风下，风口下的风速较大，约为0.8m/s～1.4m/s，办公位置宜布置在风口正下方1.5m以外的区域范围。

在实测的夏季工况风口风速、温度的边界条件下，采用PHOENICS软件对办公室内部的风速和空气龄进行仿真模拟，计算结果如图11～图13所示。

由图11分析可得：

图11 室内1.2m高度处风速云图和空气龄图

图12 办公室②风口切面风速云图和空气龄图

图13 办公室①风口切面风速云图和空气龄图

①办公室①的气流组呈环状从风口位置向外扩散，办公室②的气流呈圆状从风口位置向外扩散。从空气龄图中可以看出，办公室①的中间区域空气龄较小，回风口下方靠近墙体的位置空气龄相对较大；办公室②的空气龄较均匀，整体未出现较大的空气龄。

②办公室①和办公室②的室内1.2m高度处风速基本都在0.16m/s～0.49m/s，空气龄基本在143s～ 428s，平均风速为0.22m/s，平均空气龄为223s。办公室①的最大风速为0.41m/s，基本出现在距离送风方向3m处的位置，最小风速约0.16m/s，分布范围为靠近墙体周边区域。办公室②的最大风速约1.31m/s，基本出现在送风口的正下方（未显示色卡区域），最小风速约0.16m/s，分布范围靠近墙脚。

由图12、图13分析可得：

冬季模拟风速与实测风速对比 表4

夏季模拟风速与实测风速对比 表5

①办公室①侧面射流送风下，风速较大区域呈现抛物线形状，回风口下方的风速较小，约为0.22m/s。办公位置不宜布置在距离送风方向3m的区域，由于此区域的风速较大，约0.67m/s，会使人产生不舒适感。

②办公室②顶面送风下，与冬季模拟所得结果相似。办公位置宜布置在风口正下方1.0m以外的区域范围。

为验证模拟结果准确性，本文采用万向风速仪实测办公室①、办公室②在冬、夏季1.2m高度平面9个测点的风速，与图8和图11模拟风速值进行对比，测点布置如图14所示。

图14 办公室1.2m高度风速测点布置

由表4、表5可知，通过送回风口的实测值作为边界条件进行仿真分析，在室内1.2m高度处办公室的风速模拟值和实测值最大误差为10%，平均误差约5%。

①冬季室内1.2m高度处办公室的风速模拟值和实测值误差范围为2%～10%，夏季为3%～10%，仿真分析结果可靠性较高。

②在实测的边界条件下，冬季室内风速范围基本都在0.2m/s～0.6m/s，夏季室内风速范围基本都在0.16m/s～0.49m/s，通风效果良好，办公舒适性较高。

③冬季、夏季在热压和风压共同作用下，顶面送风产生的气流容易叠加且相互影响，在空调末端系统设计时，可适当增加送风口之间的间距；侧面送风在送风口之间的区域气流易形成短路，回风口宜布置在送风口之间的区域。

④综合冬季和夏季模拟结果，侧面送风的办公位置宜布置在距离送风口送风方向半径为3m以外的区域；顶面送风的办公位置宜布置在送风口正下方半径为1.5m以外的区域。

⑤本文模拟得出的相关数据可为大开敞办公的空调系统送、回风口设计提供一定的参考价值。

[1]李永兵，张华玲，等.重庆地区通风舒适区及通风季节划分的探讨[J].建筑热能通风空调，2008,27（6）：63-66.

[2]白羽.冷凝热释放对环境及自然通风的影响研究[D].长沙：湖南大学，2007.

[3]王乐.办公建筑自然通风研究的CFD分区分析方法探索[D].天津：天津大学，2004.

TU834.3

A

1007-7359（2016）05-0073-05

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.05.019

王礼飞（1989-），男，安徽六安人，毕业于安徽建筑大学，硕士。