基于某賓館采暖問(wèn)題房間的室內(nèi)氣流組織研究

金海魁 王穎 王健，2

1 同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）有限公司

2 同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院

0 引言

隨著人民生活水平的日益提高，健康、綠色、舒適的建筑空調(diào)設(shè)計(jì)領(lǐng)域越來(lái)越被重視，但由于很多酒店賓館建筑對(duì)于空調(diào)系統(tǒng)末端安裝美觀性和隱蔽性的特殊要求，往往設(shè)計(jì)不合理，導(dǎo)致房間內(nèi)溫度分布不均或過(guò)低，影響使用人員的舒適度及健康[1-2]。

此類問(wèn)題相關(guān)研究主要基于CFD 模擬方法對(duì)建筑物的室內(nèi)氣流組織進(jìn)行優(yōu)化模擬。不同學(xué)者從室內(nèi)溫度梯度分布、風(fēng)速分布、送回風(fēng)口形式、冷風(fēng)滲透等多角度對(duì)固定空間的室內(nèi)氣流組織進(jìn)行了分析[3-6]。

本文以某高級(jí)別賓館客房空調(diào)系統(tǒng)末端送回風(fēng)布置不合理為研究基礎(chǔ)，對(duì)典型問(wèn)題房間進(jìn)行全尺寸建模分析研究，從室外溫度，風(fēng)口布置和冷風(fēng)滲透三個(gè)因素對(duì)其進(jìn)行模擬優(yōu)化研究，得出不同因素對(duì)室內(nèi)舒適度的影響[7-9]。通過(guò)對(duì)影響室內(nèi)環(huán)境的多因素分析，對(duì)于建筑室內(nèi)氣流組織的優(yōu)化設(shè)計(jì)和改造具有一定的實(shí)際意義。

1 項(xiàng)目概況

本項(xiàng)目位于福建省的一處高級(jí)別接待賓館，該賓館客房冬季制熱效果較差，于是對(duì)賓館空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)勘察與檢測(cè)，判斷造成賓館客房冬季制熱效果較差的主要原因?yàn)槭覂?nèi)氣流組織不合理，客房房間凈高4 m 左右，室內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)末端送回風(fēng)方式為頂部側(cè)送頂部側(cè)回，送回風(fēng)短路引起送風(fēng)難以達(dá)到人員活動(dòng)區(qū)，造成冬季室內(nèi)體感溫度低，末端送回風(fēng)布置詳見(jiàn)現(xiàn)場(chǎng)圖1。

圖1 室內(nèi)送回風(fēng)口布置

針對(duì)以上問(wèn)題在對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上提出優(yōu)化改造方案，并采用計(jì)算流體力學(xué)軟件進(jìn)行室內(nèi)氣流組織模擬，將優(yōu)化改造方案和現(xiàn)狀方案進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)改造后的效果進(jìn)行預(yù)判。

2 方案制定及參數(shù)設(shè)置

根據(jù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)勘察及檢測(cè)結(jié)果，制定改造前室內(nèi)氣流組織優(yōu)化方案，該房間現(xiàn)有兩臺(tái)型號(hào)為HFCF06 和HFCF08 風(fēng)機(jī)盤管，中速送風(fēng)量分別為710 m3/h 和1020 m3/h（設(shè)計(jì)參數(shù)），根據(jù)裝修圖紙和設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行建模，三維模型詳見(jiàn)圖2。

圖2 三維模型

通過(guò)對(duì)典型房間進(jìn)行全尺寸建模，用starccm+6.04 軟件對(duì)室內(nèi)氣流組織進(jìn)行模擬優(yōu)化。方案分為現(xiàn)狀方案，優(yōu)化方案1 和優(yōu)化方案2 三種，其中現(xiàn)狀方案送回風(fēng)方式為頂部側(cè)送頂部側(cè)回。優(yōu)化方案1 送回風(fēng)方式采用頂部下送頂部側(cè)回，優(yōu)化方案2 送回風(fēng)方式采用頂部下送頂部下回，風(fēng)口布置示意詳見(jiàn)圖3。

圖3 風(fēng)口布置示意圖

每種方案有6 個(gè)模擬工況，主要考慮室外氣溫的不同和是否有滲透風(fēng)這兩個(gè)重要影響因素。

三種室外溫度分別為：2.5 ℃（設(shè)計(jì)與施工說(shuō)明室外溫度）、-1 ℃（《中國(guó)建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集》中上杭地區(qū)最低溫度）、-4.2 ℃（《建筑節(jié)能氣象參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)-JGJT346-2014》中上杭地區(qū)最低溫度）。冷風(fēng)滲透量按照《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》-GB50736-2012 中熱壓和風(fēng)壓綜合作用的縫隙法進(jìn)行計(jì)算，建筑外門、外窗的氣密性分級(jí)應(yīng)符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《建筑外門窗氣密、水密、抗風(fēng)壓性能分級(jí)及檢測(cè)方法》GB/T7106-2008 中第4.1.2 條的規(guī)定，并應(yīng)滿足10 層以下建筑外窗的氣密性不低于6 級(jí)。其中該模擬房間可開(kāi)啟縫長(zhǎng)主要為窗戶縫長(zhǎng)9.6 m，按照6 級(jí)氣密性單位縫長(zhǎng)指標(biāo)值大于1.0 m3/(m·h) 并小于等于1.5 m3/(m·h)，因此取該房間冷風(fēng)滲透量為10 m3/h。各模擬工況詳見(jiàn)表1，部分參數(shù)設(shè)置詳見(jiàn)表2。

表1 各方案模擬工況

表2 部分參數(shù)設(shè)置

3 運(yùn)行優(yōu)化結(jié)果對(duì)比分析

3.1 現(xiàn)狀方案分析

對(duì)現(xiàn)狀方案進(jìn)行氣流組織模擬，其中圖4 為現(xiàn)狀方案（頂部側(cè)送頂部側(cè)回）送回風(fēng)口處縱剖面風(fēng)速矢量圖。由圖4 可知，現(xiàn)狀方案室內(nèi)送回風(fēng)短路，由于房間凈高較高，受熱空氣上浮影響，送風(fēng)無(wú)法送入到人員活動(dòng)范圍內(nèi)。

圖4 現(xiàn)狀方案風(fēng)速矢量圖

現(xiàn)狀方案各工況室內(nèi)溫度梯度分布詳見(jiàn)圖5，對(duì)各工況溫度梯度進(jìn)行分析比較。由圖5 可知，現(xiàn)狀方案各工況在人活動(dòng)范圍（1.8 m 以下）均不能達(dá)到設(shè)計(jì)溫度20 ℃。并且現(xiàn)狀方案各高度梯度溫度分層明顯，具有冷風(fēng)滲透的工況分層更加明顯。

圖5 現(xiàn)狀方案各工況室內(nèi)縱剖面溫度梯度

對(duì)于現(xiàn)狀方案選取最有利工況0-1-0 和最不利工況0-3-1 進(jìn)行分析比較，制作溫度梯度折線圖，詳見(jiàn)圖6（最不利工況為室外溫度-4.2 ℃加冷風(fēng)滲透，最有利工況為室外溫度2.5 ℃和未有冷風(fēng)滲透，下同）。由圖6可知，在最有利工況0-1-0 中，溫度分布較為均勻，室內(nèi)2.1 m 以上可達(dá)到設(shè)計(jì)溫度20 ℃以上。在最不利工況下，室內(nèi)各高度梯度溫度均不能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，地面0.3 m 處溫度僅有7 ℃左右，非常不利于人體舒適度要求。

圖6 溫度梯度折線圖

選取工況0-2-0 和工況0-2-1，對(duì)在室外溫度-1 ℃情況下，有無(wú)冷風(fēng)滲透對(duì)室內(nèi)舒適度的影響，詳見(jiàn)折線圖7。由圖7 可知，根據(jù)現(xiàn)有結(jié)果對(duì)比分析，有冷風(fēng)滲透工況比無(wú)冷風(fēng)滲透工況近地面溫度要低6～8 ℃，并且無(wú)冷風(fēng)滲透工況的房間頂部溫度與近地面溫差在4～5 ℃，有冷風(fēng)滲透工況的房間頂部溫度與近地面溫度相差8～9 ℃，室內(nèi)溫度分層更明顯。

圖7 溫度梯度折線圖

3.2 優(yōu)化方案1 分析

對(duì)現(xiàn)狀方案進(jìn)行優(yōu)化，根據(jù)優(yōu)化方案1 進(jìn)行氣流組織模擬，優(yōu)化方案1 采用頂部下送頂部側(cè)回的送回風(fēng)形式。其中圖8 為優(yōu)化方案1 送回風(fēng)口處縱剖面風(fēng)速矢量圖。由圖8 可知，優(yōu)化方案1 室內(nèi)氣流組織良好，氣流在房間大部分區(qū)域形成場(chǎng)間循環(huán)。

圖8 優(yōu)化方案1 風(fēng)速矢量圖

優(yōu)化方案1 中各工況室內(nèi)溫度梯度分布詳見(jiàn)圖9，對(duì)各工況溫度梯度進(jìn)行分析比較。由圖9 可知，優(yōu)化方案1在無(wú)冷風(fēng)滲透工況下室內(nèi)溫度可滿足設(shè)計(jì)要求，在室外溫度2.5 ℃、-1 ℃、-4.2 ℃工況下，室內(nèi)近地面高度0.9 m 處的平均溫度分別為24.14 ℃、23.89 ℃、23.55 ℃。室內(nèi)溫度分布均勻，房間底部與頂部溫度相差均在1 ℃左右，室內(nèi)近地面0.3 m 處最低溫度也在22.91 ℃。在有冷風(fēng)滲透工況下，各方案溫度在室內(nèi)1.5 m 以上均超過(guò)20 ℃（設(shè)計(jì)溫度），近地面1.5 m 以下溫度相對(duì)偏低，在室外溫度2.5 ℃、-1 ℃、-4.2 ℃工況下，室內(nèi)近地面高度0.9 米處橫剖面的平均溫度分別為20.97 ℃、18.21 ℃、15.03 ℃。

圖9 優(yōu)化方案1 中各工況室內(nèi)縱剖面溫度梯度

對(duì)于優(yōu)化方案1 選取最不利工況1-3-1 和無(wú)冷風(fēng)滲透工況1-3-0 進(jìn)行分析并制作溫度梯度折線圖，詳見(jiàn)圖10。由圖10 可知，在最不利工況1-3-1 下，在離地面高度1.2 m 以下溫度達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，溫度分層明顯，根據(jù)對(duì)比分析可知，主要是因?yàn)槔滹L(fēng)滲透的原因。在工況1-3-0 下，室內(nèi)各梯度高度溫度均能滿足設(shè)計(jì)要求，由圖10（b）可知室內(nèi)溫度分布均勻。由以上結(jié)果可知在調(diào)整送回風(fēng)口的前提下，提高房間氣密性對(duì)于室內(nèi)舒適度具有很重要的意義。

圖10 溫度梯度折線圖

3.3 優(yōu)化方案2 分析

在優(yōu)化方案1 的基礎(chǔ)上，將風(fēng)口的形式調(diào)整為頂部下送頂部下回的形式，并將模擬結(jié)果與優(yōu)化方案1進(jìn)行對(duì)比分析。其中圖11 為優(yōu)化方案2 送回風(fēng)口處縱剖面風(fēng)速矢量圖。由圖11 可知，優(yōu)化方案2 室內(nèi)氣流組織良好，氣流在房間大部分區(qū)域形成場(chǎng)間循環(huán)。優(yōu)化方案2 的室內(nèi)氣流場(chǎng)右側(cè)（即下圖紅色線框內(nèi)）均勻度優(yōu)于優(yōu)化方案1 中的氣流場(chǎng)。

圖11 優(yōu)化方案2 風(fēng)速矢量圖

優(yōu)化方案2 中各工況室內(nèi)溫度梯度分布詳見(jiàn)圖12，將優(yōu)化方案2 和優(yōu)化方案1 各工況溫度梯度進(jìn)行分析比較。由圖12 可知，優(yōu)化方案2 在無(wú)冷風(fēng)滲透工況下室內(nèi)溫度可滿足設(shè)計(jì)要求，在室外溫度2.5 ℃、-1 ℃、-4.2 ℃工況下，室內(nèi)近地面高度0.9 m 處的平均溫度分別為24.31 ℃、24.02 ℃、23.84 ℃。室內(nèi)溫度分布均勻，房間底部與頂部溫度相差均在1 ℃左右。在有冷風(fēng)滲透工況下，各方案溫度在室內(nèi)1.5 m 以上均超過(guò)20 ℃（設(shè)計(jì)溫度），近地面1.5 m 以下溫度相對(duì)偏低，最不利工況2-3-1 的近地面0.3 m 處外溫度為13.84 ℃。

通過(guò)圖9 和圖12 的比較分析，在保證室內(nèi)氣密性的情況下，室內(nèi)氣流組織分布均勻，室內(nèi)溫度達(dá)到設(shè)計(jì)要求，并且優(yōu)化方案2 的氣流組織略優(yōu)于方案1，優(yōu)化方案2 的室內(nèi)平均溫度高于優(yōu)化方案1 室內(nèi)溫度0.2～0.3 ℃。

圖12 優(yōu)化方案2 中各工況室內(nèi)縱剖面溫度梯度

3.4 氣流組織優(yōu)化方案小結(jié)

1）現(xiàn)有頂部側(cè)送頂部側(cè)回方案，送風(fēng)受熱空氣上浮影響，無(wú)法送入到人員活動(dòng)區(qū)；優(yōu)化方案1（頂部下送頂部側(cè)回）和方案2（頂部下送頂部下回）送風(fēng)氣流在房間大部分區(qū)域形成場(chǎng)間循環(huán)。

2）無(wú)冷風(fēng)滲透工況下，優(yōu)化方案1 和優(yōu)化方案2室內(nèi)各梯度溫度均能達(dá)到設(shè)計(jì)溫度要求20 ℃，在0.9 m 處最低溫度23.55 ℃；并且方案2 室內(nèi)溫度略高于方案1 室內(nèi)溫度0.2～0.3 ℃。

3）冷風(fēng)滲透對(duì)室內(nèi)舒適度有較大的影響，并隨著室外氣溫的降低影響變大。優(yōu)化方案1 和優(yōu)化方案2在冬季室外溫度不低于-1 ℃情況下，室內(nèi)0.9 m 處平均溫度可達(dá)18 ℃。

4）優(yōu)化方案1 僅需調(diào)整送風(fēng)方式，回風(fēng)口布置無(wú)需改動(dòng)，優(yōu)化方案2 送回風(fēng)口的布置均需要改動(dòng)。

4 后期改造方案實(shí)測(cè)結(jié)果分析

經(jīng)過(guò)優(yōu)化方案比選，后期改造方案考慮到賓館改動(dòng)不宜過(guò)大，選擇優(yōu)化方案1 頂部下送頂部側(cè)回的改造方案。對(duì)改造后的房間進(jìn)行改造后檢測(cè)，檢測(cè)主要為溫度和噪聲檢測(cè)，每個(gè)房間在近地面0.9 m 處布置五個(gè)測(cè)點(diǎn)，共計(jì)檢測(cè)5 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)間，21 間套房，1 個(gè)總統(tǒng)套房及2 個(gè)會(huì)議室和接待室。溫度須達(dá)到設(shè)計(jì)溫度20 ℃，噪聲根據(jù)《民用建筑隔聲設(shè)計(jì)規(guī)范》要求小于45dB 可認(rèn)為達(dá)標(biāo)。表3 則為所有房間的檢測(cè)數(shù)據(jù)總分析表。

表3 數(shù)據(jù)分析表

經(jīng)后期檢測(cè)數(shù)據(jù)分析，經(jīng)過(guò)改造的賓館室內(nèi)房間溫度參數(shù)和噪聲參數(shù)均滿足規(guī)劃和設(shè)計(jì)要求，達(dá)到良好效果。

改造后檢測(cè)數(shù)據(jù)的達(dá)標(biāo)情況進(jìn)一步驗(yàn)證了前期檢測(cè)的問(wèn)題判定。頂部下送頂部側(cè)回的送回風(fēng)方式是明顯優(yōu)于頂部側(cè)送頂部側(cè)回的送回風(fēng)方式。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)問(wèn)題房間進(jìn)行氣流組織優(yōu)化模擬，并對(duì)后期改造設(shè)計(jì)方案進(jìn)行指導(dǎo)優(yōu)化和結(jié)果預(yù)判，結(jié)合以上分析和計(jì)算，得出如下結(jié)論：

1）以風(fēng)機(jī)盤管和新風(fēng)的送風(fēng)量、送風(fēng)溫度均滿足設(shè)計(jì)要求為前提，對(duì)客房進(jìn)行氣流組織模擬，結(jié)果顯示：現(xiàn)有頂部側(cè)送頂部側(cè)回方案，送風(fēng)受熱空氣上浮影響，無(wú)法送入到人員活動(dòng)區(qū)。優(yōu)化方案1（頂部下送頂部側(cè)回）和方案2（頂部下送頂部下回）送風(fēng)氣流在房間大部分區(qū)域形成場(chǎng)間循環(huán)。

2）現(xiàn)場(chǎng)改造送風(fēng)應(yīng)采用雙層格柵頂部下送，且送風(fēng)口位置應(yīng)避開(kāi)床、沙發(fā)等位置，避免吹風(fēng)感；回風(fēng)采用單層或雙層格柵頂部側(cè)回或下回方式。送風(fēng)口布置在外窗側(cè)或靠近窗戶處，送風(fēng)時(shí)形成風(fēng)幕，可有效阻擋冷風(fēng)滲透給人帶來(lái)的不舒適感。

3）針對(duì)重點(diǎn)房間需采取措施加強(qiáng)房間氣密性，減少冬季冷風(fēng)滲透帶來(lái)的室內(nèi)溫度下降。