寒冷地區(qū)某商場(chǎng)中庭空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及模擬分析

摘要：以北京某商場(chǎng)中庭氣流組織做為研究對(duì)象，通過(guò)能耗分析軟件對(duì)中庭的負(fù)荷進(jìn)行計(jì)算，利用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）對(duì)中庭夏季、冬季工況下送風(fēng)方案進(jìn)行模擬，結(jié)合寒冷地區(qū)的實(shí)際項(xiàng)目案例，對(duì)中庭空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案的可行性、合理性進(jìn)行分析研究，為大型商場(chǎng)中庭空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：CFD ;中庭設(shè)計(jì);負(fù)荷計(jì)算;寒冷地區(qū)

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，商場(chǎng)綜合體項(xiàng)目越來(lái)越多，商場(chǎng)作為人員密集場(chǎng)所，人們對(duì)舒適性要求也逐漸提高，空調(diào)系統(tǒng)能耗在商場(chǎng)總能耗中占據(jù)很大一部分比例，此部分應(yīng)該引起足夠的重視。中庭作為商場(chǎng)的一部分，通過(guò)開(kāi)敞的頂部引入陽(yáng)光，利用中庭的廣闊空間達(dá)到引導(dǎo)客流的作用[1]。

中庭等高大空間的熱舒適性一直是空調(diào)設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)，長(zhǎng)期以來(lái)，設(shè)計(jì)人員大多依據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，同時(shí)為了配合室內(nèi)裝修效果，輕易調(diào)整空調(diào)送風(fēng)系統(tǒng)的形式和送風(fēng)位置，造成整體空調(diào)效果不佳，舒適性較差。本文針對(duì)實(shí)際工程設(shè)計(jì)項(xiàng)目，通過(guò)能耗分析軟件對(duì)商場(chǎng)中庭進(jìn)行負(fù)荷計(jì)算，同時(shí)結(jié)合計(jì)算流體力學(xué)（CFD）模擬工具對(duì)中庭的氣流組織進(jìn)行模擬分析，對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程和要點(diǎn)進(jìn)行探討[2]。

本工程位于北京市亦莊開(kāi)發(fā)區(qū)某商業(yè)天街項(xiàng)目，地下為三層，地上為5層;建筑高位為36米（室外地坪至屋面面層，消防高度）;總建筑面積為162743m2，其中地上總建筑面積為84553m2，地下總建筑面積為78190m2，主要業(yè)態(tài)包括零售、餐飲、影院等。

本文主要以項(xiàng)目中的一個(gè)中庭作為研究對(duì)象，通過(guò)HDY負(fù)荷計(jì)算軟件及CFD軟件進(jìn)行模擬分析，結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目土建條件及內(nèi)裝末端點(diǎn)位要求，對(duì)中庭空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行介紹。

選取的中庭貫穿商場(chǎng)1層～頂層，高度為29.6m，出屋面中庭四周采用玻璃幕墻，中庭平面圖紙圖詳見(jiàn)圖1。中庭一層和五層分別采用全空氣系統(tǒng)，末端送風(fēng)方式為首層采用噴口側(cè)噴，五層采用雙層百葉風(fēng)口下送，二、三、四層中庭走廊采用吊柜式空氣處理機(jī)組，雙層百葉下送風(fēng)口，風(fēng)口設(shè)置于店鋪門(mén)頭環(huán)形走廊區(qū)域。

1 中庭空調(diào)負(fù)荷計(jì)算的分析

1.1 本項(xiàng)目中庭區(qū)域的室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)詳見(jiàn)下表1：

根據(jù)HDY-SAMD負(fù)荷計(jì)算軟件搭建計(jì)算模型，輸入對(duì)應(yīng)的中庭室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)，建筑專業(yè)提供的圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)，遮陽(yáng)系數(shù)，設(shè)計(jì)參數(shù)滿足北京市《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》DB11/687-2015和《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》Gb50176-2016中的限值規(guī)定。

負(fù)荷計(jì)算結(jié)果如下：

總冷負(fù)荷（全熱）：157.39kW，總冷（全熱）指標(biāo)347.5W/m2，發(fā)生時(shí)刻12：00，冬季總熱負(fù)荷52.8kW，冬季總熱（全熱）指標(biāo)119W/m2。全年負(fù)荷計(jì)算結(jié)果如下圖2：

從圖2，圖3的對(duì)比可以看出，通過(guò)玻璃遮陽(yáng)系數(shù)的不同，對(duì)于中庭夏季熱負(fù)荷的影響較大，計(jì)算冷負(fù)荷和遮陽(yáng)系數(shù)成正比。對(duì)于中庭來(lái)講，夏季主要冷負(fù)荷為太陽(yáng)輻射熱，設(shè)置遮陽(yáng)措施可以大幅度減少頂部熱負(fù)荷，有助于提高中庭頂部的熱舒適性。

2 中庭熱環(huán)境模擬分析

2.1 結(jié)合空調(diào)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行模擬設(shè)置，本項(xiàng)目中庭空調(diào)方案首層、頂層等高大空調(diào)設(shè)置全空氣系統(tǒng)，首層中庭采用側(cè)送風(fēng)，頂層采用走廊上送風(fēng)，2層至5層中庭走廊采用吊頂式空調(diào)機(jī)，走廊設(shè)上送風(fēng)口上回風(fēng)口，送風(fēng)口結(jié)合內(nèi)裝風(fēng)口布置均勻布置在走廊商鋪門(mén)頭上方區(qū)域。通過(guò)對(duì)本項(xiàng)目中庭進(jìn)行各類(lèi)風(fēng)環(huán)境模擬，對(duì)中庭末端的設(shè)置進(jìn)行指導(dǎo)設(shè)計(jì)。夏季模擬工況如下：

夏季模擬工況一：a.中庭填充不設(shè)置遮陽(yáng);b.中庭底部配置全空氣系統(tǒng)進(jìn)行側(cè)送風(fēng);c.中庭頂部設(shè)置排風(fēng)。夏季模擬工況二：a.中庭天窗設(shè)置內(nèi)遮陽(yáng)，內(nèi)遮陽(yáng)綜合遮陽(yáng)系數(shù)為0.3的淺色遮陽(yáng)板;b.中庭底部配置全空氣系統(tǒng)進(jìn)行側(cè)送風(fēng);c.中庭頂部設(shè)置排風(fēng)。夏季模擬工況三：a.中庭天窗設(shè)置內(nèi)遮陽(yáng)，內(nèi)遮陽(yáng)綜合遮陽(yáng)系數(shù)為0.3的淺色遮陽(yáng)板;b.中庭底部配置全空氣系統(tǒng)進(jìn)行側(cè)送風(fēng);c.中庭頂部設(shè)置排風(fēng);d.頂層中庭周?chē)O(shè)置空調(diào)處理中庭天窗負(fù)荷。

由圖4夏季模擬工況一可見(jiàn)，無(wú)遮陽(yáng)的天窗僅依靠頂部排風(fēng)并不能有效的去處夏季的太陽(yáng)輻射熱，頂層溫度甚至達(dá)到了31～33℃。圖5夏季模擬工況二可見(jiàn)，增加內(nèi)遮陽(yáng)后降溫效果比較明顯，但頂層的人員活動(dòng)區(qū)域基本在設(shè)計(jì)溫度+2～3℃左右，舒適性仍不佳。圖6夏季模擬工況三可見(jiàn)，增加內(nèi)遮陽(yáng)后，同時(shí)頂層額外設(shè)置空調(diào)處理中庭天窗負(fù)荷后效果比較明顯，頂層人員活動(dòng)區(qū)域基本在設(shè)計(jì)溫度+1℃左右，基本滿足舒適性要求。因此夏季工況，中庭的空調(diào)系統(tǒng)按照頂部集中排風(fēng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)頂層天窗周?chē)沧叩绤^(qū)域增加空調(diào)送風(fēng)處理天窗負(fù)荷，效果比較好，可以滿足設(shè)計(jì)需求。

2.2 本項(xiàng)目處理寒冷地區(qū)，結(jié)合北京市《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》DB11/687-2015第4.4.11的規(guī)定，全樓中采用對(duì)室內(nèi)空氣進(jìn)行冷/熱循環(huán)處理的末端設(shè)備加集中新風(fēng)的空調(diào)系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)最小新風(fēng)總送風(fēng)量大于等于40000m3/h時(shí)，應(yīng)有相當(dāng)于總新風(fēng)送風(fēng)量至少25%的排風(fēng)設(shè)置集中排風(fēng)系統(tǒng)，并進(jìn)行能量回收[3]。故模擬工況中增設(shè)底部排風(fēng)措施，具體模擬工況如下：

冬季模擬工況一：a.不考慮太陽(yáng)輻射、人員、設(shè)備照明的得熱負(fù)荷;b.考慮冬季冷風(fēng)滲透負(fù)荷;c.中庭底部配置全空氣系統(tǒng)進(jìn)行側(cè)送風(fēng);d.中庭底部設(shè)置排風(fēng);e.中庭底部不設(shè)置地暖。冬季模擬工況二：a.不考慮太陽(yáng)輻射、人員、設(shè)備照明的得熱負(fù)荷;b.考慮冬季冷風(fēng)滲透負(fù)荷;c.中庭底部配置全空氣系統(tǒng)進(jìn)行側(cè)送風(fēng);d.中庭底部設(shè)置排風(fēng);e.中庭底部設(shè)置地暖。

由圖7冬季模擬工況一結(jié)果可見(jiàn)，底層人員活動(dòng)區(qū)溫度在16～18℃，底部由于冷風(fēng)滲透緣故，一層供熱效果不佳，因此在商場(chǎng)整體風(fēng)平衡控制上需經(jīng)過(guò)計(jì)算確定集中排風(fēng)量，減少冷風(fēng)滲透負(fù)荷的侵入，中庭冬季可基本滿足舒適性要求。由圖8冬季模擬工況二結(jié)果可見(jiàn)，增設(shè)地暖后其舒適性效果更好，整個(gè)中庭及相鄰走道在人體活動(dòng)區(qū)域的溫度分布較為穩(wěn)定，通過(guò)上述模擬結(jié)果可以看出，冬季中庭的空調(diào)系統(tǒng)按照底部集中排風(fēng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)首層中庭設(shè)置地暖可以有效的保證舒適性。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)中庭空調(diào)系統(tǒng)的負(fù)荷計(jì)算及模擬分析，對(duì)于中庭天窗區(qū)域，當(dāng)屋頂玻璃天窗面積較大時(shí)，需通過(guò)負(fù)荷計(jì)算進(jìn)行校驗(yàn)，對(duì)于空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)置建議：1）中庭天窗建議設(shè)置遮陽(yáng)措施，以減少夏季太陽(yáng)通過(guò)中庭玻璃頂傳入大量熱負(fù)荷;2）中庭夏季設(shè)置頂部排風(fēng)，防止“熱頂”產(chǎn)生以及削弱冷氣從底部外溢;冬季集中底部排風(fēng)，改變室內(nèi)的氣流組織，以防止大量熱空氣上升，并減少冷風(fēng)滲入;3）中庭底部建議設(shè)置地暖，以提高中庭冬季的熱舒適性;4）結(jié)合整個(gè)項(xiàng)目做好風(fēng)量平衡控制，商場(chǎng)項(xiàng)目餐飲數(shù)量較多，風(fēng)量平衡計(jì)算的時(shí)候應(yīng)包括餐飲排油煙和排油煙補(bǔ)風(fēng)量進(jìn)行整體風(fēng)量平衡計(jì)算，同時(shí)要注意風(fēng)機(jī)的連鎖啟停，以減少冬季從商場(chǎng)大門(mén)進(jìn)入的冷風(fēng)侵入負(fù)荷。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張君瑛，吳喜平，章學(xué)來(lái)等;夏季建筑中庭內(nèi)的熱環(huán)境數(shù)值模擬及中庭外窗自然通風(fēng)研究[J] ;FLUD MACHINERY ，64

[2]程艷，宋陽(yáng)光，顏蘇芊;夏季商場(chǎng)中庭氣流組織的數(shù)值模擬[J];ENERGY CONSERVATIION，38

[3]北京市公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（DB11/687-2015）;27

作者簡(jiǎn)介：作者：李賀，男，1987年出生，碩士研究生。