某高大空间开放式办公区空调气流组织模拟分析

2021-08-26龚思越

工程技术研究 2021年12期

龚思越

广东省建筑设计研究院有限公司，广东广州 510627

近年来，高大空间因体积大、视野宽、空间高、观感性强等特点备受设计师青睐。正因其空间大，人员灯光密集，外围护结构传热量大，导致高大空间功能区冷热负荷大，空调系统运行耗能明显。常远等[1]对车站高大空间空调系统进行了气流组织模拟与热舒适分析，提出适用于夏季和冬季工况的送风方案，指出送风速度和送风温差对高大空间分层空调的温度和流场分布有较大影响。黄艳山等[2]对采用分层空调系统的广州白云机场主航站楼空调进行气流组织模拟分析，结果表明室内温度、风速、温度梯度满足设计要求。范济荣等[3]针对某酒店大堂进行了高大空间气流模拟分析，得出分层空调冷负荷占全室空调冷负荷之比约为0.7。对于高大空间，分层空调技术是较广泛采用的一种空调技术，其通过气流组织的合理设计，重点对人员活动区域的空间进行空气调节，而对高于人员活动区的上部空间进行通风排热，从而可以减少高大空间的空调负荷，节约运行能耗。

文章利用CFD模拟技术，对采用分层空调系统的广州某高大空间开放式办公区夏季制冷工况下的空调气流组织进行模拟分析，得到了主要活动区的温度和风速值，结果基本满足设计要求。该案例可为类似空间的空调通风设计提供参考。

1 研究对象

案例项目裙房共7层，建筑高度为37.5m。该开放式办公建筑面积约为2000m2，位于裙房第6层，层高为5m；办公中间核心区域为跨第6、第7层通高区域，高度为12m，顶部有天窗，采用电动遮阳帘；西面、西北面为外玻璃幕墙，东面为内玻璃幕墙，南侧无外墙，与内部其他功能房间相邻。

第6层部分办公隔间采用风盘送风，其他空间采用全空气空调系统，圆形散流器送风，回风口位于天花板上。中间两层通高区域采用分层空调，在第6层东侧、西侧、南侧分别设置喷口侧送风，顶部天窗侧壁设置排风。受建筑电梯及楼梯布置影响，西北面部分空间无法布置喷口送风，为了抵消该空间的冷负荷需求，在西北面沿着外玻璃幕墙设置地面风口送风，如图1所示。

图1 开放式办公第6层空调风管平面图

该开放式办公区空调计算冷负荷约350kW，计算冷指标约175W/m2。设置组合式空调机组3台，风量和冷量分别如下：第1台风柜风量为15000m3/h，冷量为68kW；第2台风柜风量为40000m3/h，冷量为180kW；第3台风柜风量为30000m3/h，冷量为135kW。其中，第1台风柜为地面送风用。顶部天窗侧壁又排风机2台，每台风量为2500m3/h。

2 分析模型与边界条件

2.1 分析模型

使用Fluent前处理软件Gambit软件进行建模，模型如图2所示。其中，y轴正方向为北向，x轴正方向为东向。

图2 分析模型

2.2 边界条件

由于该办公区域内墙和楼板紧邻空调房间，故假定这两处的围护结构是绝热的，与相邻房间不发生热量传递；而热量通过外墙传入房间，故将外围护结构均设置为热量边界条件。考虑到人体、设备等室内负荷的影响，将这些冷负荷加到地面上，将照明负荷加到天花板上，将地面及天花板分别设置为发热源，以此简化模型计算。根据冷负荷计算结果，各围护结构的热流边界条件如下：西北外窗为28.5W/m2，西外窗为11.98W/m2，东外窗为17.04W/m2，天窗为83.56W/m2，地板为38.4W/m2，天花板为12.86W/m2，南内部面为绝热边界。速度边界条件如表1所示。

表1 速度边界条件

2.3 分析求解

利用Fluent求解器，采用标准κ-ε湍流模型求解。标准κ-ε模型把紊流黏性与紊动能κ、耗散率ε相联系，建立其与涡黏性的关系，这种模型在工程上被广泛应用；采用压力-速度修正算法（SIMPLE）联立求解各离散方程。

3 结果分析

选取典型计算面Z=1（离地1m）水平切面作为人员活动区高度范围的分析界面，该界面的温度与风速分布如图3、图4所示。由图3可知，左右两边空间温度低于两层通高区域温度，左边温度维持在22℃左右，右边温度维持在23℃左右；两层通高区域温度较高，基本维持在24℃左右。西北面空间由于地面送风口的作用，温度维持在24℃左右。由图4可知，左右两边空间风速维持在0.15～0.30m/s；两层通高区中间部分受顶部排风、热浮升力以及西向喷口射流区的影响，风速维持在0.60～0.90m/s，其他大部分维持在0.30～0.45m/s。受西向喷口送风角度的影响，两层通高区中间部分风速过大，建议西向喷口结合现场实际情况向上调整送风角度，以减少其射流区域对人员活动区风速的影响。