敦煌國際酒店新建游廊空調(diào)熱舒適性模擬

何青青 張 峰

敦煌國際酒店新建游廊空調(diào)熱舒適性模擬

何青青1張 峰2

（1.中國建筑上海設(shè)計研究院有限公司 上海 200063；2.成都基準(zhǔn)方中建筑設(shè)計有限公司 成都 610021）

利用EnergyPlus軟件對某酒店游廊空調(diào)進行典型氣象日模擬，得出采用原空調(diào)設(shè)計方案無法滿足熱舒適性，通過增加空調(diào)負(fù)荷、設(shè)置內(nèi)遮陽、改善氣流組織，確保游廊空調(diào)熱舒適性。

熱舒適模型；PMV；氣流組織；速度場；溫度場

0 引言

本文主要對敦煌國際酒店1#新建連廊空調(diào)進行優(yōu)化設(shè)計。利用EnergyPlus軟件[1]對典型氣象日空調(diào)熱舒適性進行模擬，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有風(fēng)機盤管容量及氣流組織不能滿足空調(diào)熱舒適性要求，通過設(shè)置內(nèi)遮陽，減小夏季太陽輻射，增加空調(diào)容量，采用EnergyPlus軟件模擬[2]得到的表面對流換熱系數(shù)和圍護結(jié)構(gòu)傳熱量作為FLUENT初設(shè)條件，對夏季設(shè)計日空調(diào)氣流組織進行模擬優(yōu)化，確定合適的設(shè)備容量及氣流組織方式。供今后類似的全玻璃幕墻、高輻射、高凈高空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計參考。

1 游廊空調(diào)負(fù)荷確定及優(yōu)化

1.1 游廊空調(diào)系統(tǒng)

圖1 建筑模型圖示

如圖1所示，游廊是連接原有單體與周邊新建溫室、藥材園、大堂、過廳的公共玻璃連廊，是酒店主要賞景、休憩空間，對空調(diào)熱舒適性要求非常高。游廊凈高5m，頂面、側(cè)面均為玻璃幕墻，敦煌夏季太陽輻射強度大，夏季溫室效應(yīng)對空調(diào)效果影響特別大，為了合理確定空調(diào)容量及提高室內(nèi)熱舒適性，對游廊空調(diào)系統(tǒng)進行模擬；游廊空調(diào)為風(fēng)機盤管系統(tǒng)，風(fēng)機盤管設(shè)置在玻璃幕墻兩側(cè)吊頂內(nèi)，設(shè)計空調(diào)總冷負(fù)荷513.9kW。

1.2 游廊原設(shè)計空調(diào)系統(tǒng)模擬

1.2.1 模擬目的

對現(xiàn)有的空調(diào)系統(tǒng)選型與布置是否滿足舒適性要求進行模擬驗證。按照現(xiàn)有空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計給游廊及溫室、藥材園、過廳、大堂布置空調(diào)，模擬得出游廊及溫室、藥材園、過廳、大堂的室內(nèi)熱環(huán)境[3]，分析現(xiàn)有條件下室內(nèi)熱環(huán)境是否滿足設(shè)計目標(biāo)，并提出優(yōu)化措施。

1.2.2 模擬設(shè)置

以鴻業(yè)負(fù)荷計算軟件計算得出的空調(diào)負(fù)荷[4]為輸入邊界條件，在相應(yīng)熱分區(qū)內(nèi)加入風(fēng)機盤管空調(diào)系統(tǒng)，如圖1所示，溫室及其兩邊游廊為一個熱分區(qū)，按照現(xiàn)有空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計情況，風(fēng)機盤管的總冷負(fù)荷為193.1kW；大堂為一個熱分區(qū)，現(xiàn)有空調(diào)設(shè)計總冷負(fù)荷為65.6kW；過廳及其兩邊的游廊是一個熱分區(qū)，現(xiàn)有空調(diào)設(shè)計總冷負(fù)荷為134.6kW；藥材園及游廊是一個熱分區(qū)，現(xiàn)有空調(diào)設(shè)計總冷負(fù)荷為120.6kW。模擬空調(diào)系統(tǒng)時，不考慮建筑與室外的空氣交換，也即所有建筑外門都是關(guān)閉的，這也符合一般的建筑使用習(xí)慣。再者，根據(jù)已有模擬結(jié)果，甘肅敦煌的室外溫度一般會比玻璃圍護結(jié)構(gòu)室內(nèi)更低，也就是室內(nèi)外通風(fēng)一般是有利于空調(diào)系統(tǒng)冷負(fù)荷降低的。因此，本次模擬不考慮通過外門、外窗的室內(nèi)外氣流交換得出的空調(diào)系統(tǒng)冷負(fù)荷更能保證實際使用情況的舒適性效果。

1.2.3 模擬結(jié)果分析

（1）四個熱分區(qū)室內(nèi)溫度、PMV值模擬結(jié)果分析

模擬現(xiàn)有空調(diào)設(shè)計條件下的室內(nèi)空氣溫度及PMV值（選取各熱分區(qū)室內(nèi)空氣溫度最高一天進行分析）如圖2～圖5所示，PMV值在-0.5～+0.5為滿足舒適性要求。

圖2 四個熱分區(qū)的室內(nèi)空氣溫度及PMV值

圖2為四個熱分區(qū)夏季空調(diào)設(shè)計日計算得到的室內(nèi)溫度及PMV曲線圖，綜合以上四個熱分區(qū)模擬結(jié)果可見，現(xiàn)有空調(diào)負(fù)荷設(shè)計只有過廳+游廊熱分區(qū)能達到溫度控制要求，其他的熱分區(qū)都有部分時刻室內(nèi)溫度達不到控制要求，大堂熱分區(qū)的不滿足時刻的溫度差值（只有0.2℃左右）會小一些，而藥材園+游廊熱分區(qū)的不滿足時刻更多、溫度差值也更大（最大有6.2℃）。不滿足溫度控制要求的小時數(shù)及比例（總小時數(shù)為2208）如表1所示，表中的比例也可認(rèn)為是現(xiàn)有空調(diào)負(fù)荷設(shè)計的一個“不保證率”，如1.8%表示溫室+游廊的熱分區(qū)在現(xiàn)有空調(diào)設(shè)計下的“不保證率”是1.8%?？芍幉膱@+游廊熱分區(qū)的保證率高達6.16%，而這些小時一般是下午，這是因為藥材園+游廊熱分區(qū)的長邊為西向，且沒有其他建筑物遮擋，下午接收的太陽輻射較大，室內(nèi)溫度就較高。太陽輻射對室內(nèi)PMV值影響很大，夏季即使室內(nèi)溫度滿足設(shè)計要求，太陽輻射也會導(dǎo)致人體感覺偏熱，因此應(yīng)該增加遮陽設(shè)施。

表1 不滿足空調(diào)控制溫度的小時數(shù)

（2）負(fù)荷模擬結(jié)果分析

表2 計算空調(diào)冷負(fù)荷

表2是不同PMV計算條件下，不同區(qū)域空調(diào)系統(tǒng)計算冷負(fù)荷最大值，表中還列出了空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計冷負(fù)荷，通過對比可見，只有過廳+游廊熱分區(qū)的現(xiàn)有空調(diào)負(fù)荷設(shè)計可以滿足溫度控制要求，其他熱分區(qū)的E+計算最大冷負(fù)荷都大于現(xiàn)有空調(diào)負(fù)荷設(shè)計，為了滿足各區(qū)域熱舒適性，需要加大空調(diào)負(fù)荷才能滿足溫度控制要求。熱舒適性要求越高，計算冷負(fù)荷值越大，特別是溫室、藥材園，I級熱舒適比II級熱舒適空調(diào)負(fù)荷增加56%，比空調(diào)設(shè)計負(fù)荷增加近85%，要滿足I熱舒適性，設(shè)計空調(diào)系統(tǒng)需要增加85%左右的風(fēng)機盤管，對于節(jié)能很不利。因此將II級熱舒適定為空調(diào)設(shè)計目標(biāo)，這樣空調(diào)冷負(fù)荷增加較少，同時對玻璃幕墻采取內(nèi)遮陽措施，降低太陽輻射，提高室內(nèi)熱舒適性。

1.3 空調(diào)系統(tǒng)模擬優(yōu)化

1.3.1 加大室內(nèi)空調(diào)負(fù)荷模擬優(yōu)化

根據(jù)1.2模擬結(jié)果增大設(shè)計空調(diào)負(fù)荷，可將原設(shè)計的FCU-6風(fēng)機盤管型號改為FCU-8，也即增加風(fēng)機盤管的供冷能力，以便更好地滿足游廊室內(nèi)舒適性要求。因此，本次優(yōu)化模擬時增加相應(yīng)熱分區(qū)的風(fēng)機盤管最大冷負(fù)荷（如表1所示，大堂原來設(shè)計的風(fēng)機盤管就是FCU-8，所以最大冷負(fù)荷不變），得出室內(nèi)的空氣溫度及PMV值。

表3 風(fēng)機盤管型號增大前后各熱分區(qū)最大冷負(fù)荷對比

圖3 風(fēng)機盤管型號增大前后各熱分區(qū)室內(nèi)空氣溫度變化對比

比較風(fēng)機盤管型號增大前后的室內(nèi)空氣溫度變化，如圖3所示。由圖可見，風(fēng)機盤管型號增大后，溫室+游廊、藥材園+游廊熱分區(qū)的下午時段室內(nèi)空氣溫度會有一定降低；大堂的風(fēng)機盤管型號不變，所以溫度基本不變，圖3（b）中的些許降低是因為與大堂連接的游廊內(nèi)風(fēng)機盤管型號增大，使得游廊內(nèi)溫度降低，游廊與大堂產(chǎn)生氣流交換會使大堂的空氣溫度稍微降低一些；過廳+游廊室內(nèi)空氣溫度是最低的，增大風(fēng)機盤管型號后也會使室內(nèi)溫度有些降低。

同時，將風(fēng)機盤管型號增大前后各熱分區(qū)室內(nèi)的空氣溫度及PMV值對比情況列于表4中。風(fēng)機盤管型號增大后，除藥材園+游廊（只有5個小時達不到26℃溫控要求）外，所有熱分區(qū)的所有時刻室內(nèi)空氣溫度都能達到溫控要求。大堂風(fēng)機盤管型號不變，然而當(dāng)于其連接的游廊風(fēng)機盤管型號增大后所有時刻也能達到溫控要求，這也是因為游廊與大堂連通換氣的原因。因此，風(fēng)機盤管型號增大后，基本所有熱分區(qū)都是滿足溫控要求的。

表4 各熱分區(qū)不同室內(nèi)參數(shù)小時數(shù)對比

除過廳+游廊熱分區(qū)外，其他熱分區(qū)都存在PMV值>+0.5的時刻，也即不滿足舒適性要求且偏暖或熱的時刻。風(fēng)機盤管型號增大后會使得PMV值>+0.5的時刻減少，PMV值>+1的時刻也會更少。根據(jù)Fanger熱舒適性評價體系，PMV值大于2會使人感覺暖，達到3就會使人感覺熱，可知所有熱分區(qū)都不會存在使人感覺熱的時刻。根據(jù)《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》（GB 50736—2012）規(guī)定[5]，I級舒適性PMV范圍為-0.5～+0.5，II級舒適性1PMV范圍為-1～+1。則風(fēng)機盤管型號增大后，只有溫室+游廊和藥材園+游廊兩個熱分區(qū)存在不滿足II級舒適性要求的時刻。這是因為溫室和藥材園是玻璃幕墻建筑，透射太陽會比較大，即使空調(diào)運行后室內(nèi)空氣溫度還會較高。

1.3.2 增加遮陽模擬優(yōu)化

風(fēng)機盤管型號增大后，如果再將遮陽加到溫室與藥材園的玻璃幕墻上，溫室+游廊和藥材園+游廊兩個熱分區(qū)的PMV值如表6所示。可知，采取遮陽后室內(nèi)的PMV值不滿足舒適性要求的小時數(shù)明顯減少；不滿足II級舒適性要求的小時數(shù)就更少了，且基本都在8月份的下午時段。

表5 遮陽前后玻璃幕墻太陽得熱系數(shù)（SHGC）對比

表6 遮陽前后室內(nèi)PMV值對比

模擬得出的結(jié)論是：與過廳連接的游廊的風(fēng)機盤管型號沒有必要加大，因為原有型號就可以滿足舒適性要求；只需將其他游廊內(nèi)的風(fēng)機盤管型號增大并在溫室及藥材園的玻璃幕墻上增加遮陽系統(tǒng)，就可使不滿足舒適性要求的小時數(shù)大大減少。

2 游廊氣流組織模擬優(yōu)化

2.1 模擬目的

為了比較分析游廊室內(nèi)空氣在兩種不同氣流組織形式，對游廊進行CFD模擬[7]。模擬工況：甘肅敦煌空調(diào)夏季設(shè)計工況，室外干球溫度為34.6℃；兩種工況又分別對側(cè)送風(fēng)與下送風(fēng)的氣流組織進行模擬。

2.2 模型及模擬設(shè)置

CFD模型尺寸與施工圖一致，外墻從低到高分別設(shè)置為石材、外窗玻璃、鋁材，采光天窗也為玻璃，地面及其他面考慮到熱阻較大或兩邊環(huán)境溫差較小、換熱量較小，可設(shè)為絕熱面。送風(fēng)口設(shè)為速度入口，給定速度大小和溫度[9]，風(fēng)機盤管的進風(fēng)口溫度設(shè)為26℃，送風(fēng)溫度17℃，進風(fēng)口風(fēng)速設(shè)為2.5m/s，回風(fēng)口設(shè)為自由出口[10]。

室外空氣溫度、外表面（含屋頂）對流換熱系數(shù)與外墻（含外窗）、天窗吸收的太陽輻射值采用energyplus計算的結(jié)果，外表面對流換熱系數(shù)根據(jù)室外空氣流速以及外表面與室外空氣溫度差采用經(jīng)驗公式計算得出。

2.3 模擬結(jié)果

對側(cè)送下回、下送側(cè)回兩種氣流組織方式下游廊夏季空調(diào)溫度場表明：夏季工況下，側(cè)送風(fēng)在游廊玻璃頂下行程渦流區(qū)域，而下部人員活動區(qū)域（1.5m左右）溫度為26～28℃，特別是在靠近外玻璃幕墻附近行程送回風(fēng)氣流無法到達的低速渦流區(qū)，溫度達到30℃左右；而下送風(fēng)整體溫度場較好，基本沒有氣流死區(qū)，靠近外幕墻區(qū)域為送風(fēng)擴散區(qū)，溫度23℃左右，而游廊中間人員活動區(qū)域（1.5m左右）溫度為24～26℃，保證了人員主要活動區(qū)域舒適性。綜合以上分析，空調(diào)采用下送側(cè)回氣流組織方式更加合理。

3 結(jié)論

采用EnergyPlus軟件對游廊四個熱分區(qū)室內(nèi)溫度、舒適度模擬，僅過廳能夠滿足設(shè)計要求，其他三個熱分區(qū)設(shè)計空調(diào)冷負(fù)荷均偏小。采用適當(dāng)加大設(shè)備容量、增加內(nèi)遮陽的策略來解決房間過熱問題。風(fēng)機盤管型號由FCU6加大至FCU8，設(shè)置內(nèi)遮陽后的模擬結(jié)果表明，室內(nèi)溫度均能夠滿足設(shè)計值，室內(nèi)PMV值大于1的小時數(shù)大大減小，各熱分區(qū)基本滿足II級舒適性要求；采取內(nèi)遮陽后，太陽得熱系數(shù)（SHGC）同比遮陽前減小34%，室內(nèi)PMV值也得到優(yōu)化。

采用EnergyPlus軟件模擬得到的太陽得熱、熱流量作為熱邊界條件對側(cè)送下回、下送側(cè)回兩種氣流組織方式下游廊空調(diào)氣流組織模擬表明，采用下送側(cè)回氣流組織方式更加合理。

在實際工程中利用EnergyPlus、Fluent模擬軟件對全玻璃幕墻、強太陽輻射、高凈高建筑空調(diào)進行了優(yōu)化設(shè)計，并模擬驗證空調(diào)設(shè)計結(jié)果，本項目已經(jīng)竣工完成，并經(jīng)過三年運行，運行效果良好。

[1] 潘毅群.實用建筑能耗模擬手冊[M]北京:中國建筑工業(yè)設(shè)計院,2013.

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[5] GB 50736—2012,民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2012.

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Optimization Design for the HVAC System of a Hotel Veranda

He Qingqing1Zhang Feng2

( 1.China Shanghai Architectural Design & Research Institute Co., Ltd, Shanghai, 200063;2.Chengdu JZFZ Architectural Design Co., Ltd, Chengdu, 610021 )

This paper investigated the HVAC system of a hotel veranda using EnergyPlus during a typical summer day. Results show that the original design scheme cannot meet the thermal comfort. For the optimization design, through increasing the cooling capacity, adding interior shading and improve the air distribution, thermal comfort in the veranda is improved.

Thermal comfort model; PMV; Air distribution; Velocity field; Temperature field

TK519

A

1671-6612（2020）03-326-05

何青青（1986.11-），男，研究生，中級工程師，E-mail：624893635@qq.com

2019-05-24