某工程空调系统送风方案的热舒适性模拟分析

焦辉

（奥雅纳工程咨询（上海）有限公司，上海200031）

某工程空调系统送风方案的热舒适性模拟分析

焦辉

（奥雅纳工程咨询（上海）有限公司，上海200031）

以一个实际项目为例，采用热舒适性模拟对高大空间的办公大堂顶送风和侧送风的两个空调送风方案进行模拟，以其温度场、速度场、PMV-PPD的分布数据作为参考数据协助设计人员确定空调送风方案。

高大空间；气流组织；热舒适性；温度场；速度场；评价标准

0 引言

目前越来越多的大型商业综合体项目中包含办公塔楼的建筑，其办公大堂具有单体空间高大、空调冷热负荷大、竖向方向上气流和温度变化较大等特点，在空调方案确定时在理论计算后通过热舒适性模拟为辅助工具，相对较为准确的了解空调方案的情况，协助设计人员确定类似办公大堂等高大空间的空调送风方案及送风风量。

1 办公大堂建筑概况

大堂面积为54m×54m，模型中分为两个区域:1区和2区。

2 空调设计

2.1 负荷及送风量计算

2.1.1 负荷计算

根据大堂设计参数，大堂人员密度为10m2/人，电器设备和照明负荷分别为5W/m2、11W/m2[2]。

围护结构负荷计算所需要的基本参数包括室内设计参数、外围护结构参数等，见表1-表3。

根据负荷计算结果，冬季围护结构热负荷为57.5W/m2，夏季围护结构冷负荷为98.2W/m2，内热20W/m2。

表1 夏季室内外设计参数

表2 冬季室内外设计参数

表3 外围护结构参数

2.1.2 送风量计算

根据大堂夏季与冬季室内负荷，计算出1区和2区全室性空调方式的设计工况风量均为36000m3/h。采用顶送方案时确定风量36000m3/h。采用分层送风的方式时仅对室内下部人员活动区进行空调、而不对上部空间空调的空调方式，理论而言可节省部分冷量，其送风量小于顶送时的风量。但从理论计算较难确定送风风量，在以下模拟时分别就侧送风量按照全室性空调方式的风量的90%、80%、70%进行了舒适性模拟，以下的模拟结果陈述中仅列出模拟后确定风量为28800m3/h的速度场、温度场和PMV-PPD分布。

2.2 空调送风方案

2.2.1 顶送方案

顶送方案选用条缝型风口布置于幕墙周边，圆形散流器布置于大堂内部[4]。

不同区域的选型结果见表4。

表4 顶送方案选型结果

风口布置如图1所示。

图1 顶送方案风口布置示意图

2.2.2 侧送方案

选用球形喷口侧送，布置于大堂幕墙侧柱子上，每根柱子布置两个喷口，安装高度为4.5m，电梯厅风口及回风口与顶送方案一致[3]。球形喷口的外形如图2所示，不同区域的选型结果见表5。

风口布置如图2所示。

表5 侧送方案选型结果

3 模型建立及评价标准

3.1 建筑模型

使用A irpak软件进行数值分析，建筑在A irpak软件中建立的3D模型如图3所示。

3.2 数学模型

采用Navier-Stokes方程作为室内气体运动的控制方程组，其中包括连续性方程、动量方程和能量方程。计算中应用标准k-ε两方程模型求解湍流对流换热问题，包括湍流脉动动能k-ε方程及湍流能量耗散ε方程。网格为混合型，数量为118632个，风口局部加密处理。

（1）连续性方程

图2 侧送方案风口布置示意图

图3 模型示意图

对不可压缩流体，其流体密度为常数，方程简化为

式中ui—方向的速度。

（2）动量方程

式中ρ—流体密度；

p—静压；

τij—粘性力张量；

ρgi—方向的体积力；

Fi—由热源、污染源等引起的源项。

（3）能量方程

式中k—分子导热率；

kt—湍流扩散引起的导热率kt=cpμt/Prt；

Sh—体积热源。

3.3 评价标准[1]

对于不同的空调工况的舒适度，报告通过以下参数进行分析:温度、流场和舒适度。其中，温度以设计温度为评价标准，流场根据国家规范相关要求，人员区域内的气流速度控制在0.3m/s。室内舒适度则通过PMV-PPD指标判断。PPD即预期不满意百分率，其与PMV的数值关系如图4所示。

PMV-PPD指标可通过以下参数估算:人体活动的代谢率、衣着系数、空气温度、平均辐射温度、相对空气流速及空气湿度。本模拟中，采用ISO 7730标准来进行PMV和PPD的模拟计算。计算中考虑了室内空气温度、气流速度、平均辐射温度、人员活动量以及服装热阻。对PMV的推荐值控制在-0.5～0.5之间，此时PPD＜10%。

由于人体颈部对气流速度和热舒适最为敏感，因此，对模拟结果的分析均以距地1.5m处的截面为主。

4 热舒适性模拟

通过使用Airpak模拟软件对上述设计进行模拟[5]，模拟结果如下。

图4 PMV与PPD的关系

4.1 空调顶送风方案模拟

4.1.1 夏季工况

（1）1.5m高处温度分布及气流速度分布

如图5所示，1.5m高处温度最大值为28.5℃；最小值23.9℃；平均值26.2℃，高于设计温度24℃。受室外温度的影响，外墙表面温度较高；回风口下方区域温度较低；大堂内部温度分布较为均匀，大部分区域介于25-26.75℃，局部区域为27.5℃。工作平面风速基本满足在0.3m/s以下，回风口正下方，由于速度衰减慢，局部风速大于0.3m/s。

（2）1.5m高处PMV-PPD分布

以图6分析，工作平面PMV最大值为0.8，最小值为0.003（回风口正下方）；大部分区域介于0.5-0.8之间，平均值0.624，对应PPD为10.6，存在过热现象。

图5 顶送方案-夏季温度场分布、速度场分布

图6 顶送方案-夏季PMV/PPD分布

图7 顶送方案-冬季温度场分布、速度场分布

图8 顶送方案-冬季PMV/PPD分布

4.1.2 冬季工况

（1）1.5m高处温度分布

冬季工况温度最大值18.9℃，最小值15℃，平均值17.6℃，低于设计温度22℃。其中1区温度基本在16.5℃左右，2区在17.5℃左右。这是由于顶送风口冬季所送热空气难以下沉，导致空间上部分气温较高，而工作平面位于大堂下部分空间，温度较低。冬季工况速度场比较均匀，基本在0.3m/s以下。

（2）1.5m高处PMV-PPD分布

从图8可看出，大部分区域介于-1~-0.4之间，平均为-0.549，对应PPD为8.4-11.9，平均值11.4，有过冷的现象。这是由于冬季热空气上浮造成的，大部分能量消耗在空间上部，导致下部空间舒适度不佳。

4.2 空调侧送风方案模拟

4.2.1 夏季工况

（1）1.5m高处温度分布

侧送方案夏季工况温度场比较均匀，最低温度为23.4℃，最高温度为28.5℃，平均温度为25.5℃左右。略高于设计温度，分布较为均匀。侧送时整体速度在0.3m/s以下，回风口下方速度较高。1区与2区交界区域出现局部漩涡。该现象是由于两个区域的气流走向相互作用引起，漩涡内风速约为0.2-0.25m/s。

（2）1.5m高处PMV-PPD分布

由图10，侧送方案夏季人员活动区域PMV大部分介于0.11-0.4之间，局部达0.5左右，平均为0.453，对应PPD为5-13，平均为8.0。整体满足舒适度要求，仅在两个区域交界和电梯厅温度较高的部位有过热可能。

4.2.2 冬季工况

（1）1.5m高处温度分布

冬季温度21.8-23.7℃，1区在21.5℃左右，2区大部分在23℃左右；平均22.1℃。基本达到要求的22℃。且两个区域各自的温度均匀性较好（温度较低的表面为外墙），电梯厅位于中间区域，热量集中，温度较高。冬季速度场大部分在0-0.24m/s之间，速度场分布均匀。

（2）1.5m高处PMV-PPD分布

由图12，侧送方案冬季人员活动区域PMV介于-0.17-0之间，平均为-0.07，对应PPD为5-5.58，平均为5.23。整体满足舒适度要求。

图9 侧送方案-夏季温度场分布、速度场分布

图10 侧送方案-夏季PMV/PPD分布

图11 侧送方案-冬季温度场分布、速度场分布

图12 侧送方案-冬季PMV/PPD分布

5 结果分析

模拟结果见表6。由数据可知，顶送方案夏季过热，冬季过冷，室内平均PPD均大于10%，超出理想的舒适度范围；而侧送方案的室内平均PPD均在10%以内，室内舒适度较为理想。且送风风量小于顶送方案的送风风量，节约能源。

综上分析，采用顶送方案时风量采用计算风量36000m3/h尚不能达到理想的舒适度范围，而通过计算风量的90%风量、80%风量、70%风量的舒适性模拟，可以确定采用侧送方案时风量减小为28800m3/h即可达到舒适度的需求，从舒适度和节能两个方面综合考虑采用侧送风方案，并确定侧送风风量为28800m3/h。

表6 两方案结果对比

6 结语

此项工程实例中空调送风方案选型借助热舒适性模拟软件对两个不同的方案进行模拟，其模拟结果相对准确的反应了两个方案在温度、气流速度和PMV/PPD的数据，借助此数据作为空调送风方案选择的参考。在理论计算后借助模拟作为辅助工具，可以更为准确、明了的反应空调方案的运行情况，在达到空调效果的情况下减小初投资，同时在与建筑师协调办公大厅的空调送风方式时，可以把直观的效果表达出来。

[1]GB/T 18049-2000，中等热环境PM V和PPD指数的测定及热舒适条件的规定[S].

[2]陆耀庆.实用供热空调设计手册[M].2版.北京：中国建筑工业出版社，2008.

[3]范存养.大空间简直空调设计及工程实录[M].北京:中国建筑工业出版社，2001.

[4]张海舟，徐玉党，钟澍，等.大空间建筑空调气流组织设计方法的探讨[J].制冷与空调（四川），2006，20（2）:46-48.

[5]高云峰.高大空间气流组织形式及数值模拟[J].暖通空调，2016，09（01）：19-24

Thermal Comfort Simulation Analysis of the Air Supply System in the Project

JIAO Hui
（Arup International Consultants(Shanghai)Co.，Ltd，Shanghai 200031，China）

Take an actual project as an exam ple,we conducted a ventilation sim ulation to com pare top-dow n air supply and side air supply solutions.W e took the results of air distribution,ventilation velocity distribution,PM V-PPD distribution etc asthe referencesto selectand determ ine the H V AC design strategy.

tall space；air ventilation；therm al com fort；tem perature distribution；air velocity distribution；assessm ent standard

TU 831

B

2095-3429（2017）02-0059-06

2017-02-13

修回日期:2017-03-13

焦辉（1982-），男，甘肃人，学士学位，暖通工程师。

D O I:10.3969/J.ISSN.2095-3429.2017.02.014