基于某宾馆采暖问题房间的室内气流组织研究

2022-09-09金海魁王颖王健

建筑热能通风空调 2022年7期

关键词：温度梯度冷风风口

金海魁王颖王健，2

1 同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司

2 同济大学机械与能源工程学院

0 引言

随着人民生活水平的日益提高，健康、绿色、舒适的建筑空调设计领域越来越被重视，但由于很多酒店宾馆建筑对于空调系统末端安装美观性和隐蔽性的特殊要求，往往设计不合理，导致房间内温度分布不均或过低，影响使用人员的舒适度及健康[1-2]。

此类问题相关研究主要基于CFD 模拟方法对建筑物的室内气流组织进行优化模拟。不同学者从室内温度梯度分布、风速分布、送回风口形式、冷风渗透等多角度对固定空间的室内气流组织进行了分析[3-6]。

本文以某高级别宾馆客房空调系统末端送回风布置不合理为研究基础，对典型问题房间进行全尺寸建模分析研究，从室外温度，风口布置和冷风渗透三个因素对其进行模拟优化研究，得出不同因素对室内舒适度的影响[7-9]。通过对影响室内环境的多因素分析，对于建筑室内气流组织的优化设计和改造具有一定的实际意义。

1 项目概况

本项目位于福建省的一处高级别接待宾馆，该宾馆客房冬季制热效果较差，于是对宾馆空调系统进行现场勘察与检测，判断造成宾馆客房冬季制热效果较差的主要原因为室内气流组织不合理，客房房间净高4 m 左右，室内空调系统末端送回风方式为顶部侧送顶部侧回，送回风短路引起送风难以达到人员活动区，造成冬季室内体感温度低，末端送回风布置详见现场图1。

图1 室内送回风口布置

针对以上问题在对检测数据分析的基础上提出优化改造方案，并采用计算流体力学软件进行室内气流组织模拟，将优化改造方案和现状方案进行对比分析，对改造后的效果进行预判。

2 方案制定及参数设置

根据对现场勘察及检测结果，制定改造前室内气流组织优化方案，该房间现有两台型号为HFCF06 和HFCF08 风机盘管，中速送风量分别为710 m3/h 和1020 m3/h（设计参数），根据装修图纸和设计图纸进行建模，三维模型详见图2。

图2 三维模型

通过对典型房间进行全尺寸建模，用starccm+6.04 软件对室内气流组织进行模拟优化。方案分为现状方案，优化方案1 和优化方案2 三种，其中现状方案送回风方式为顶部侧送顶部侧回。优化方案1 送回风方式采用顶部下送顶部侧回，优化方案2 送回风方式采用顶部下送顶部下回，风口布置示意详见图3。

图3 风口布置示意图

每种方案有6 个模拟工况，主要考虑室外气温的不同和是否有渗透风这两个重要影响因素。

三种室外温度分别为：2.5 ℃（设计与施工说明室外温度）、-1 ℃（《中国建筑热环境分析专用气象数据集》中上杭地区最低温度）、-4.2 ℃（《建筑节能气象参数标准-JGJT346-2014》中上杭地区最低温度）。冷风渗透量按照《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》-GB50736-2012 中热压和风压综合作用的缝隙法进行计算，建筑外门、外窗的气密性分级应符合国家标准《建筑外门窗气密、水密、抗风压性能分级及检测方法》GB/T7106-2008 中第4.1.2 条的规定，并应满足10 层以下建筑外窗的气密性不低于6 级。其中该模拟房间可开启缝长主要为窗户缝长9.6 m，按照6 级气密性单位缝长指标值大于1.0 m3/(m·h) 并小于等于1.5 m3/(m·h)，因此取该房间冷风渗透量为10 m3/h。各模拟工况详见表1，部分参数设置详见表2。

表1 各方案模拟工况

表2 部分参数设置

3 运行优化结果对比分析

3.1 现状方案分析

对现状方案进行气流组织模拟，其中图4 为现状方案（顶部侧送顶部侧回）送回风口处纵剖面风速矢量图。由图4 可知，现状方案室内送回风短路，由于房间净高较高，受热空气上浮影响，送风无法送入到人员活动范围内。

图4 现状方案风速矢量图

现状方案各工况室内温度梯度分布详见图5，对各工况温度梯度进行分析比较。由图5 可知，现状方案各工况在人活动范围（1.8 m 以下）均不能达到设计温度20 ℃。并且现状方案各高度梯度温度分层明显，具有冷风渗透的工况分层更加明显。

图5 现状方案各工况室内纵剖面温度梯度

对于现状方案选取最有利工况0-1-0 和最不利工况0-3-1 进行分析比较，制作温度梯度折线图，详见图6（最不利工况为室外温度-4.2 ℃加冷风渗透，最有利工况为室外温度2.5 ℃和未有冷风渗透，下同）。由图6可知，在最有利工况0-1-0 中，温度分布较为均匀，室内2.1 m 以上可达到设计温度20 ℃以上。在最不利工况下，室内各高度梯度温度均不能达到设计要求，地面0.3 m 处温度仅有7 ℃左右，非常不利于人体舒适度要求。

图6 温度梯度折线图

选取工况0-2-0 和工况0-2-1，对在室外温度-1 ℃情况下，有无冷风渗透对室内舒适度的影响，详见折线图7。由图7 可知，根据现有结果对比分析，有冷风渗透工况比无冷风渗透工况近地面温度要低6～8 ℃，并且无冷风渗透工况的房间顶部温度与近地面温差在4～5 ℃，有冷风渗透工况的房间顶部温度与近地面温度相差8～9 ℃，室内温度分层更明显。

图7 温度梯度折线图

3.2 优化方案1 分析

对现状方案进行优化，根据优化方案1 进行气流组织模拟，优化方案1 采用顶部下送顶部侧回的送回风形式。其中图8 为优化方案1 送回风口处纵剖面风速矢量图。由图8 可知，优化方案1 室内气流组织良好，气流在房间大部分区域形成场间循环。

图8 优化方案1 风速矢量图

优化方案1 中各工况室内温度梯度分布详见图9，对各工况温度梯度进行分析比较。由图9 可知，优化方案1在无冷风渗透工况下室内温度可满足设计要求，在室外温度2.5 ℃、-1 ℃、-4.2 ℃工况下，室内近地面高度0.9 m 处的平均温度分别为24.14 ℃、23.89 ℃、23.55 ℃。室内温度分布均匀，房间底部与顶部温度相差均在1 ℃左右，室内近地面0.3 m 处最低温度也在22.91 ℃。在有冷风渗透工况下，各方案温度在室内1.5 m 以上均超过20 ℃（设计温度），近地面1.5 m 以下温度相对偏低，在室外温度2.5 ℃、-1 ℃、-4.2 ℃工况下，室内近地面高度0.9 米处横剖面的平均温度分别为20.97 ℃、18.21 ℃、15.03 ℃。

图9 优化方案1 中各工况室内纵剖面温度梯度

对于优化方案1 选取最不利工况1-3-1 和无冷风渗透工况1-3-0 进行分析并制作温度梯度折线图，详见图10。由图10 可知，在最不利工况1-3-1 下，在离地面高度1.2 m 以下温度达不到设计要求，温度分层明显，根据对比分析可知，主要是因为冷风渗透的原因。在工况1-3-0 下，室内各梯度高度温度均能满足设计要求，由图10（b）可知室内温度分布均匀。由以上结果可知在调整送回风口的前提下，提高房间气密性对于室内舒适度具有很重要的意义。

图10 温度梯度折线图

3.3 优化方案2 分析

在优化方案1 的基础上，将风口的形式调整为顶部下送顶部下回的形式，并将模拟结果与优化方案1进行对比分析。其中图11 为优化方案2 送回风口处纵剖面风速矢量图。由图11 可知，优化方案2 室内气流组织良好，气流在房间大部分区域形成场间循环。优化方案2 的室内气流场右侧（即下图红色线框内）均匀度优于优化方案1 中的气流场。

图11 优化方案2 风速矢量图

优化方案2 中各工况室内温度梯度分布详见图12，将优化方案2 和优化方案1 各工况温度梯度进行分析比较。由图12 可知，优化方案2 在无冷风渗透工况下室内温度可满足设计要求，在室外温度2.5 ℃、-1 ℃、-4.2 ℃工况下，室内近地面高度0.9 m 处的平均温度分别为24.31 ℃、24.02 ℃、23.84 ℃。室内温度分布均匀，房间底部与顶部温度相差均在1 ℃左右。在有冷风渗透工况下，各方案温度在室内1.5 m 以上均超过20 ℃（设计温度），近地面1.5 m 以下温度相对偏低，最不利工况2-3-1 的近地面0.3 m 处外温度为13.84 ℃。

通过图9 和图12 的比较分析，在保证室内气密性的情况下，室内气流组织分布均匀，室内温度达到设计要求，并且优化方案2 的气流组织略优于方案1，优化方案2 的室内平均温度高于优化方案1 室内温度0.2～0.3 ℃。

图12 优化方案2 中各工况室内纵剖面温度梯度

3.4 气流组织优化方案小结

1）现有顶部侧送顶部侧回方案，送风受热空气上浮影响，无法送入到人员活动区；优化方案1（顶部下送顶部侧回）和方案2（顶部下送顶部下回）送风气流在房间大部分区域形成场间循环。

2）无冷风渗透工况下，优化方案1 和优化方案2室内各梯度温度均能达到设计温度要求20 ℃，在0.9 m 处最低温度23.55 ℃；并且方案2 室内温度略高于方案1 室内温度0.2～0.3 ℃。

3）冷风渗透对室内舒适度有较大的影响，并随着室外气温的降低影响变大。优化方案1 和优化方案2在冬季室外温度不低于-1 ℃情况下，室内0.9 m 处平均温度可达18 ℃。

4）优化方案1 仅需调整送风方式，回风口布置无需改动，优化方案2 送回风口的布置均需要改动。

4 后期改造方案实测结果分析

经过优化方案比选，后期改造方案考虑到宾馆改动不宜过大，选择优化方案1 顶部下送顶部侧回的改造方案。对改造后的房间进行改造后检测，检测主要为温度和噪声检测，每个房间在近地面0.9 m 处布置五个测点，共计检测5 个标准间，21 间套房，1 个总统套房及2 个会议室和接待室。温度须达到设计温度20 ℃，噪声根据《民用建筑隔声设计规范》要求小于45dB 可认为达标。表3 则为所有房间的检测数据总分析表。