变风量空调设计中室内气流组织的研究

李扬

华东建筑设计研究总院

变风量空调系统（VAV）现在已应用于众多的公共办公建筑中，变风量系统相较于较传统的风机盘管等系统具有一定的优势，其节能性、灵活性及可实现区域温度控制等优势已得到设计师所推崇[1]。但根据实际工程发现，变风量系统存在温度和速度分布不均匀现象[1]，导致室内舒适度PMV-PPD指标不佳。本文以上海陆家嘴某一办公楼变风量空调室内的气流组织作为研究对象，提出在设计过程中应重点关注的问题及解决方法。

1 研究项目变风量系统概述

本项目空调水系统为四管制，办公标准层采用变风量全空气系统（VAV），每层设有两台空调箱机组，末端均为单风道VAV送风装置，气流组织为上送上回，回风为吊顶集中回风，条形回风口设于幕墙周边，通过与走道吊顶内联通管回至机房回风口。为抵消冬季热负荷，幕墙周边地面设有散热器。与传统变风量空调系统相比，此系统在沿窗边增设幕墙周边散热器，散热器设置在幕墙周边，负担外区的热负荷。在冬季，靠近散热器的空气被加热，热空气上升，形成自然对流。经加热的空气沿窗上升，阻止窗边冷气流进入室内，同时给窗玻璃加热，减少其对室内的辐射传热。根据建筑的特性划分内外分区，外区进深为3 m[2]。办公室夏季内外区和冬季内区的冷负荷由变风量空调系统承担，相比较于采用地台风机盘管系统，避免了外区风机盘管噪音问题，并可显著降低玻璃上的冷凝现象。

2 设计中需要注意的问题

根据以往项目经验，VAV空调系统易出现气流组织不佳的情况，具体表现如下：

1）室内温度不均匀，标准层办公某些区域温度存在局部过冷或者过热，外墙转角处空间更易出现此类问题。

2）部分区域人体舒适感不佳，室内局部空气流动不畅、局部风速过高、有吹风感，造成局部区域人体舒适度评分较低。

影响室内气流组织的因素有很多，例如送回风口的形式、位置，建筑物形状，室内热源位置，朝向，送风参数等等。其中送风口的形式及位置对室内的气流组织的影响极为重要。

同时在实际项目中，为配合室内精装天花效果，风口距离、样式、大小均受到一定限制。判断在限定条件下风口的布置是否会产生气流分布不均匀，影响室内人员舒适度，在实际项目设计中需重点全面分析。

3 限定风口条件下室内气流组织的研究分析

本项目办公标准层面积约为2400 m2（57 m×42 m），层高为4.4 m。根据室内精装需求，风口尺寸限定为：贴临外幕墙1200 mm×100 mm，其余风口为1200 mm×400 mm。风口位置及数量如图1所示：

图1 标准层办公风口布置

3.1 研究方法

为验证配合选用的风口形式及位置是否合理，采用CFD软件，从夏季及冬季室内温度、流场以及室内人员舒适度的角度进行技术分析，从而提出合理的优化方案，并给出建议供业主参考。本文具体采用的是室内环境模拟常用的Airpak软件。

3.2 系统梳理

首先对办公层空调系统进行系统的梳理，并分朝向计算负荷，作为模拟的输入条件；然后利用CFD软件，得到冬季及夏季室内人员活动区域温度、流场和舒适度的分布；最后，通过对模拟结果的分析，对风口方案进行优化。

3.2.1 空调系统设置

结合办公室的空调冷热负荷特点与本项目的空调系统设置，本项目空调系统夏季及冬季的运行逻辑如表1：

表1 空调系统夏季及冬季的运行逻辑

3.2.2 空调负荷

办公标准层人员密度为8 m2/p，电器设备和照明负荷分别为9 W/m2、25 W/m2。负荷计算时，人员逐时在室率、照明开关时间、电器设备逐时使用率根据《DGJ08-107-2015公共建筑节能设计标准》的要求确定。围护结构负荷通过能耗模拟软件华电源计算得到，室内设计参数、外围护结构参数等并作为CFD模拟的输入值。

3.2.3 数学模型

为对模型进行求解，进行以下假设：

1）空气为不可压缩气体透明介质，符合Boussinesq假设；

2）空气流动为准稳态的湍流流动；

3）假设空气的湍流粘性具有各向同性。

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[3]。

风口送风参数的细节，在用CFD方法进行数值模拟时网格必须划分至毫米的量级；而为了模拟室内空气流动情况；反映室内湍流大涡旋对流动的影响；计算区域必须达到米的量级。这样；对于实际应用中的三维问题而言；必将导致计算区域内的网格节点数目巨大；超过目前一般计算机的容量；而使得计算量无法为一般的工程应用所接受。故本文模拟采用在网格均匀的情况下，对风口局部加密处理，网格为混合型[4]。

3.3 评价标准

对于不同的空调工况的舒适度，本报告通过以下参数进行分析：温度场和舒适度。其中，温度以设计温度（24℃）为评价标准。室内舒适度则通过PMV-PPD指标判断[5]。本模拟中，采用ASHRAE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。模拟中输入的参数为人体新陈代谢率、服装热阻。

根据ASHARE Standard 55[6]，人体新陈代谢率及服装热阻如下：人体新陈代谢率Met Units=1（办公，静坐、读、写）；夏季服装热阻Icl=0.61clo（裤子，长袖衬衫）；冬季服装热阻Icl=0.96 clo（裤子，长袖衬衫，外套）。其余参数则根据计算结果确定。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1.5 m处的截面为主。

3.4 计算结果研究及分析

3.4.1 夏季工况一

夏季设计工况时，幕墙散热器不工作。外区风口承担围护结构负荷、日照负荷及外区的内热负荷，内区风口承担内区的内热负荷。根据设计参数，夏季VAV末端送风温度为12℃。各风口的风量根据空调箱风量及内外区的负荷分布确定。风口选取格栅型风口垂直下送，外区采用1200 mm×100 mm，其余风口为1200 mm×400 mm。内外区风口形式如图2：

图2 工况1风口形式

图3 工况1-温度

根据图3显示，夏季工况1.5m高处，温度最大值为30℃，最小值22℃，平均值26.5℃，不满足设计温度24℃的要求，且四个转角处温度过高，温度分布不均匀。此外，由于格栅风口垂直下送，会造成处于风口下方办公人员的吹风感。故需对风口进行调整。

由于平均温度无法满足设计要求，故不进行PMV模拟计算。

3.4.2 夏季工况二

空调工作状态与工况一相同。内区风口调整为细叶型斜出风口，单边/双边带倾角45°斜向下送，风口尺寸不变。具体方向如图4：

图4 工况2风口形式

根据图5所示，夏季工况1.5 m高处，温度最大值为27℃，最小值22℃，平均值23.5℃，除极个别区域外，均可满足设计温度24℃的要求。且可以明显看出室内温度分布均匀性大为改善，且转角区域较高温度范围明显缩小。这是由于风口带有倾角后使部分送风贴敷吊顶送出，能有效提升单个风口可处理范围。

图5 工况2-温度

根据图6所示，夏季工况1.5 m高处PMV最大值为1，最小值为-1，平均值为-0.6，对应PPD为12.5%。内区工作平面热感觉为微凉，外区感觉较为舒适，但西侧两处转角感觉微暖。由于本项目标准层转角处为景观面，将安排为重要区域，故对温度及PMV要求较高，需再次对风口进行调整。

图6 工况2-PMV

3.4.3 夏季工况三

空调工作状态与工况一相同。内、外区风口调整为条缝型风口，单边/双边带倾角45°斜向下送，外区风口斜45°吹响幕墙；风口下沿设水平折边增加贴附性能，内区风口尺寸改为1200 mm×100 mm两条，缩小风口送风面积，增加风口送风速度。具体方向如图7，风口细部折边处理如图8所示：

图7 工况3风口形式

图8 工况3风口造型详图

图9 工况3-温度

根据图9显示，夏季工况1.5 m高处，温度最大值为25℃，最小值19℃，平均值23.0℃，均可满足设计温度24℃的要求。且室内温度分布均匀性得到进一步提升。

根据图10，夏季工况1.5 m高处PMV最大值为0.25，最小值为-1，平均值为-0.4，对应PPD为9.5%。工作平面热感觉整体为舒适（+0.5＞PMV＞-0.5），局部微凉，且转角处舒适度高。根据VAV系统的送风量可调节性，内区可调整送风量，故办公所有区域均可达到设定温度（24℃）与较高的舒适度。

图10 工况3-PMV

3.4.4 冬季工况

需对夏季工况三选用的风口需在冬季工况下进行模拟，校核风口送风效果。冬季为16℃的送风温度。

根据图11所示，冬季工况1.5 m高处温度最大值25.3℃，最小值21.4℃，平均值22.8℃，基本满足设计温度22℃的要求。

图11 工况3-冬季温度

根据图12，冬季工况1.5m高处PMV最大值为0.4，最小值为-0.6，平均值为-0.23，对应PPD为7%。工作平面整体感觉舒适（+0.5＞PMV＞-0.5）。

根据计算结果（表2），工况三的风口可使夏、冬季均可达到设计温度，办公舒适度较高。这是由于选用的风口为条缝风口，由于其实际出风面积较小，速度衰减较慢，更易形成回流，且底部的水平折边使气流具有良好的贴附性能，即使在风量较小的情况下，冷风下坠的现象也容易避免，故内区送风更均匀。外区条缝风口吹响幕墙，有效的阻断外围护结构传入的热量，使外区舒适度进一步提升。本项目已跟据上述分析进行风口的选型及采购，现项目已交付运行，根据现场反馈空调运行效果理想。

图12 工况3-冬季PMV

表2 汇总结果

4 结论

VAV系统项目中较易出现气流组织问题，本文采用了CFD模拟对各种风口送风效果进行比较，提供了一种在设计过程可采用的解决方式，以探求在限定条件下的良好送风方式以保障空调运行效果，提高室内的人员舒适度，满足业主和设计的要求。