基于不同送風(fēng)形式下辦公樓室內(nèi)空氣流場仿真分析

王禮飛，李文才，方雷

（安徽省城建設(shè)計研究總院有限公司，安徽 合肥 230051）

基于不同送風(fēng)形式下辦公樓室內(nèi)空氣流場仿真分析

王禮飛，李文才，方雷

（安徽省城建設(shè)計研究總院有限公司，安徽 合肥 230051）

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，人們對生活品質(zhì)的要求越來越高，尤其對室內(nèi)環(huán)境舒適性有了更多的關(guān)注，室內(nèi)的換氣次數(shù)和氣流組織對舒適度影響較大。文章通過PHOENICS軟件對某辦公樓在頂面和側(cè)面兩種不同送回風(fēng)形式下的氣流組織進(jìn)行仿真模擬，并與實測的送風(fēng)口和回風(fēng)口溫度、風(fēng)速進(jìn)行對比，分析冬季、夏季兩種工況下的室內(nèi)空氣流場，給出不同通風(fēng)形式下室內(nèi)辦公位置的適宜區(qū)域，從而提高辦公人員工作環(huán)境的舒適性，為辦公建筑空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計提供一定的參考依據(jù)。

送回風(fēng)；空氣流場；舒適性；PHOENICS軟件

辦公建筑是人們長期從事腦力勞動的場所，室內(nèi)空氣的品質(zhì)直接影響到辦公人員的身心健康和工作效率。通常情況下，現(xiàn)代辦公建筑大多數(shù)為敞開式辦公，在夏、冬季節(jié)時門窗處于關(guān)閉狀態(tài)，采用中央空調(diào)系統(tǒng)改善室內(nèi)舒適性。室內(nèi)舒適性對風(fēng)速有一定的要求，室內(nèi)風(fēng)速較大會使皮膚干燥，產(chǎn)生不舒適感。一般室內(nèi)風(fēng)速小于0.5m/s時，人體感覺良好，當(dāng)超過0.5m/s時，身體就會產(chǎn)生不適感，相關(guān)研究表明0.1m/s～0.5m/s[1]為最佳的室內(nèi)風(fēng)速范圍。因此，辦公環(huán)境的舒適性一定程度上取決于室內(nèi)氣流流場，空調(diào)系統(tǒng)送風(fēng)口的合理布置對改善室內(nèi)氣流流場是至關(guān)重要的。本文通過氣流組織模擬分析辦公建筑夏、冬兩季室內(nèi)的空氣流場，研究空調(diào)系統(tǒng)送風(fēng)口的設(shè)計形式對辦公位置布置的影響，從而提高辦公環(huán)境的空氣品質(zhì)，同時為空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計提供一定的參考依據(jù)。

本文研究選取的某辦公樓位于六安市，建筑面積為36082m2，地上26層，標(biāo)準(zhǔn)層層高3.6m，為中間核心筒式，屬典型的現(xiàn)代辦公建筑，空調(diào)形式為地源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)。

選取辦公樓標(biāo)準(zhǔn)層中兩個進(jìn)深和開間相近的辦公室，平面布局如圖1、圖2所示。辦公室①為側(cè)面送風(fēng)、頂面回風(fēng)，如圖3所示。辦公室②為頂面送風(fēng)、頂面回風(fēng)，如圖4所示。辦公室①、辦公室②的送、回風(fēng)口尺寸如表1所示。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)層平面布置圖

圖2 送回風(fēng)口布置圖

圖3 辦公室①側(cè)面送風(fēng)

圖4 辦公室②頂面送風(fēng)

房間和風(fēng)口尺寸 表1

根據(jù)辦公室和風(fēng)口的實際尺寸建立分析模型，如圖5所示。

圖5 分析模型

本文采用PHOENICS 2014版軟件辦公室①和②的氣流組織進(jìn)行模擬分析。PHOENICS軟件是從微觀角度對流場進(jìn)行分析，采用Sketchup建立模型導(dǎo)入PHOENICS軟件的FLAIR模塊中，通過對邊界條件進(jìn)行設(shè)置，采用質(zhì)量、能量及動量守恒等方程對模型進(jìn)行求解，從而模擬分析氣流組織變化特性。本次模擬采用軟件中的k-ε湍流模型；浮力在空氣對流中重要的影響因素，因此在模擬中運(yùn)用Boussinesq假設(shè)來處理密度的變化[2～3]，滿足下式：

其中，β為膨脹系數(shù)。

夏季、冬季在中央空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行時，開啟辦公室①和②的風(fēng)機(jī)盤管進(jìn)行送回風(fēng)，待風(fēng)機(jī)盤管運(yùn)行穩(wěn)定后，采用手持式溫度儀和萬向風(fēng)速儀分別測得距離送風(fēng)口和回風(fēng)口10cm處的風(fēng)速、距離送風(fēng)口10cm處的溫度，作為模擬的邊界條件。

圖6 手持式溫度儀

圖7 萬向風(fēng)速儀

冬季模擬邊界條件 表2

夏季模擬邊界條件 表3

在實測的冬季工況風(fēng)口風(fēng)速、溫度的邊界條件下，采用PHOENICS軟件對辦公室內(nèi)部的風(fēng)速和空氣齡進(jìn)行仿真模擬，計算結(jié)果如圖8～圖10所示。

由圖8可知：

①冬季在熱壓和風(fēng)壓共同作用下，辦公室①和辦公室②的室內(nèi)1.2m高度風(fēng)速基本都在0.2m/s～0.6m/s，空氣齡基本在169s～843s；室內(nèi)1.2m高度處平均風(fēng)速為0.43m/s，平均空氣齡為608s，換氣效果良好。

②辦公室①氣流組織較為均勻，辦公室②每個送風(fēng)口產(chǎn)生的氣流容易疊加并相互影響。從空氣齡圖中可以看出，辦公室①空氣齡在562s～843s范圍比例大于辦公室②，空氣齡較大，辦公室②的換氣效果好于辦公室①。

圖8 室內(nèi)1.2m高度處風(fēng)速云圖和空氣齡圖

圖9 辦公室②風(fēng)口切面風(fēng)速云圖和空氣齡圖

圖10 辦公室①風(fēng)口切面風(fēng)速云圖和空氣齡圖

由圖9、圖10可知：

①辦公室①側(cè)面射流送風(fēng)下，風(fēng)速較大區(qū)域呈拋物線形狀，回風(fēng)口下方的風(fēng)速較小，約為0.09m/s～0.27m/s；辦公位置不宜布置在距離送風(fēng)方向2.5m范圍內(nèi)，該區(qū)域射流送風(fēng)產(chǎn)生的風(fēng)速較大，約為0.53m/s～0.70m/s，會使人產(chǎn)生不舒適感。

②辦公室②頂面送風(fēng)下，風(fēng)口下的風(fēng)速較大，約為0.8m/s～1.4m/s，辦公位置宜布置在風(fēng)口正下方1.5m以外的區(qū)域范圍。

在實測的夏季工況風(fēng)口風(fēng)速、溫度的邊界條件下，采用PHOENICS軟件對辦公室內(nèi)部的風(fēng)速和空氣齡進(jìn)行仿真模擬，計算結(jié)果如圖11～圖13所示。

由圖11分析可得：

圖11 室內(nèi)1.2m高度處風(fēng)速云圖和空氣齡圖

圖12 辦公室②風(fēng)口切面風(fēng)速云圖和空氣齡圖

圖13 辦公室①風(fēng)口切面風(fēng)速云圖和空氣齡圖

①辦公室①的氣流組呈環(huán)狀從風(fēng)口位置向外擴(kuò)散，辦公室②的氣流呈圓狀從風(fēng)口位置向外擴(kuò)散。從空氣齡圖中可以看出，辦公室①的中間區(qū)域空氣齡較小，回風(fēng)口下方靠近墻體的位置空氣齡相對較大；辦公室②的空氣齡較均勻，整體未出現(xiàn)較大的空氣齡。

②辦公室①和辦公室②的室內(nèi)1.2m高度處風(fēng)速基本都在0.16m/s～0.49m/s，空氣齡基本在143s～ 428s，平均風(fēng)速為0.22m/s，平均空氣齡為223s。辦公室①的最大風(fēng)速為0.41m/s，基本出現(xiàn)在距離送風(fēng)方向3m處的位置，最小風(fēng)速約0.16m/s，分布范圍為靠近墻體周邊區(qū)域。辦公室②的最大風(fēng)速約1.31m/s，基本出現(xiàn)在送風(fēng)口的正下方（未顯示色卡區(qū)域），最小風(fēng)速約0.16m/s，分布范圍靠近墻腳。

由圖12、圖13分析可得：

冬季模擬風(fēng)速與實測風(fēng)速對比 表4

夏季模擬風(fēng)速與實測風(fēng)速對比 表5

①辦公室①側(cè)面射流送風(fēng)下，風(fēng)速較大區(qū)域呈現(xiàn)拋物線形狀，回風(fēng)口下方的風(fēng)速較小，約為0.22m/s。辦公位置不宜布置在距離送風(fēng)方向3m的區(qū)域，由于此區(qū)域的風(fēng)速較大，約0.67m/s，會使人產(chǎn)生不舒適感。

②辦公室②頂面送風(fēng)下，與冬季模擬所得結(jié)果相似。辦公位置宜布置在風(fēng)口正下方1.0m以外的區(qū)域范圍。

為驗證模擬結(jié)果準(zhǔn)確性，本文采用萬向風(fēng)速儀實測辦公室①、辦公室②在冬、夏季1.2m高度平面9個測點的風(fēng)速，與圖8和圖11模擬風(fēng)速值進(jìn)行對比，測點布置如圖14所示。

圖14 辦公室1.2m高度風(fēng)速測點布置

由表4、表5可知，通過送回風(fēng)口的實測值作為邊界條件進(jìn)行仿真分析，在室內(nèi)1.2m高度處辦公室的風(fēng)速模擬值和實測值最大誤差為10%，平均誤差約5%。

①冬季室內(nèi)1.2m高度處辦公室的風(fēng)速模擬值和實測值誤差范圍為2%～10%，夏季為3%～10%，仿真分析結(jié)果可靠性較高。

②在實測的邊界條件下，冬季室內(nèi)風(fēng)速范圍基本都在0.2m/s～0.6m/s，夏季室內(nèi)風(fēng)速范圍基本都在0.16m/s～0.49m/s，通風(fēng)效果良好，辦公舒適性較高。

③冬季、夏季在熱壓和風(fēng)壓共同作用下，頂面送風(fēng)產(chǎn)生的氣流容易疊加且相互影響，在空調(diào)末端系統(tǒng)設(shè)計時，可適當(dāng)增加送風(fēng)口之間的間距；側(cè)面送風(fēng)在送風(fēng)口之間的區(qū)域氣流易形成短路，回風(fēng)口宜布置在送風(fēng)口之間的區(qū)域。

④綜合冬季和夏季模擬結(jié)果，側(cè)面送風(fēng)的辦公位置宜布置在距離送風(fēng)口送風(fēng)方向半徑為3m以外的區(qū)域；頂面送風(fēng)的辦公位置宜布置在送風(fēng)口正下方半徑為1.5m以外的區(qū)域。

⑤本文模擬得出的相關(guān)數(shù)據(jù)可為大開敞辦公的空調(diào)系統(tǒng)送、回風(fēng)口設(shè)計提供一定的參考價值。

[1]李永兵，張華玲，等.重慶地區(qū)通風(fēng)舒適區(qū)及通風(fēng)季節(jié)劃分的探討[J].建筑熱能通風(fēng)空調(diào)，2008,27（6）：63-66.

[2]白羽.冷凝熱釋放對環(huán)境及自然通風(fēng)的影響研究[D].長沙：湖南大學(xué)，2007.

[3]王樂.辦公建筑自然通風(fēng)研究的CFD分區(qū)分析方法探索[D].天津：天津大學(xué)，2004.

TU834.3

A

1007-7359（2016）05-0073-05

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.05.019

王禮飛（1989-），男，安徽六安人，畢業(yè)于安徽建筑大學(xué)，碩士。