基于Airpak的辦公室熱環(huán)境數(shù)值模擬分析

(華東建筑設(shè)計研究院有限公司,上海 200041)

引言

表1 辦公室圍護結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)
Table 1 Office envelope heat transfer coefficient

外墻傳熱系數(shù)W/(m2·K)內(nèi)墻傳熱系數(shù)W/(m2·K)樓板傳熱系數(shù)W/(m2·K)外窗傳熱系數(shù)W/(m2·K)內(nèi)門傳熱系數(shù)W/(m2·K)0.551.451.882.82.33

室內(nèi)氣流速度、溫濕度都是人體熱舒適的要素，污染物的濃度是室內(nèi)空氣品質(zhì)的一個重要指標(biāo)。因此，要使房間內(nèi)人群工作區(qū)成為一個溫濕度適宜、空氣品質(zhì)優(yōu)良的環(huán)境，不僅要有合理的系統(tǒng)形式及對空氣的處理方案，還必須有合理的氣流分布[1]。計算流體力學(xué)分析方法是國內(nèi)外公認的室內(nèi)氣流組織設(shè)計和評價最簡便的方法[2]。通過CFD(Computational Fluid Dynamics)數(shù)值模擬方法研究室內(nèi)熱環(huán)境已成為現(xiàn)代通風(fēng)空調(diào)工程研究規(guī)劃和設(shè)計中的課題之一[3]。本文采用Airpak軟件強大的可視化后處理功能，全面綜合評價辦公室兩種空調(diào)送風(fēng)方案下的工作區(qū)空氣的溫度、濕度、速度和空氣品質(zhì)。

1 工程概況及設(shè)計參數(shù)

1.1 建筑概況

該建筑是武漢市某35層辦公樓，其中1-6為層裙房，層高4.5m， 7-35層為主樓，層高4.2m，總建筑面積約76 000 m2，辦公建筑面積約52 800 m2，由于建筑樓層較多，且每層空調(diào)布局基本相同，選取第8層辦公室為例進行分析，辦公室長為9m，寬為8m，外墻均采用玻璃幕墻，房間有2扇2 100mm×1 500mm的內(nèi)門。走廊、樓梯及衛(wèi)生間不設(shè)空調(diào)，該層辦公室空調(diào)區(qū)域面積約為1 090 m2。其圍護結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)見表1。

《實用供熱空調(diào)設(shè)計手冊》[4]推薦的高檔辦公室人均面積指標(biāo)為8m2/人，故每間辦公室分配8個辦公人員， 8臺電腦， 8個熒光燈。

1.2 空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)

該辦公樓空調(diào)系統(tǒng)采用VRV多聯(lián)機加新風(fēng)的形式，其空調(diào)系統(tǒng)布置見圖1。其室外氣象設(shè)計計算參數(shù)見表2，室內(nèi)設(shè)計計算參數(shù)見表3。

圖1 空調(diào)平面圖Fig. 1 Air conditioning floor plan

表2 空氣調(diào)節(jié)室外氣象參數(shù)
Table 2 Air conditioning outdoor weather parameters

夏季室外計算干球溫度(℃)夏季室外計算濕球溫度(℃)夏季室外計算日平均溫度(℃)冬季室外計算溫度(℃)冬季室外計算日相對濕度(%)35.328.432.2-2.472

表3 空氣調(diào)節(jié)室內(nèi)設(shè)計參數(shù)
Table 3 Air conditioning interior design parameters

季節(jié)計算溫度(℃)相對濕度(%)氣流平均速度(m/s)夏季冬季26205050≤0.3≤0.2

2 供冷供暖方式變化對室內(nèi)熱環(huán)境的影響及分析

2.1 Airpak軟件簡介

Airpak是美國Fluent公司開發(fā)生產(chǎn)，現(xiàn)在已被廣泛應(yīng)用于模擬室內(nèi)和氣流氣流組織分布[5]。還可以應(yīng)用于冷卻隧道中的節(jié)能研究，Alonso MJ隧道設(shè)計的分析就是通過Airpak的模擬來執(zhí)行，模擬的結(jié)果表明，風(fēng)扇功率和空氣分布可以受到天花板設(shè)計和空氣引導(dǎo)葉片的使用的強烈影響，與基準(zhǔn)配置相比，幾種替代的天花板設(shè)計使總能量消耗減少約12%[6]。Airpak還被應(yīng)用于一些特殊場合比如火車站和空調(diào)列車內(nèi)，從模擬結(jié)果中可以直觀分析通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計的優(yōu)劣以及影響氣流組織分布的因素[7-8]。有時模擬結(jié)果也存在一些誤差，YH Di模擬辦公室內(nèi)空氣速度和溫度場，通過比較測量數(shù)據(jù)和模擬，比較表明，由于邊界條件、參數(shù)設(shè)置、模型選擇和操作者的理論經(jīng)驗的問題，模擬與測量數(shù)據(jù)和測量有些誤差[9]。

Airpak 有很多優(yōu)勢：能自動進行網(wǎng)格劃分，并對網(wǎng)格的疏密、長細比、質(zhì)量進行檢查，可以局部加密特定部位的網(wǎng)； 擁有強大的后處理功能和全面的數(shù)值報告，一次計算，可提供室內(nèi)氣流組織、PMV、PPD等衡量室內(nèi)空氣質(zhì)量技術(shù)指標(biāo)的圖像及數(shù)據(jù)結(jié)果； 運用Airpak可預(yù)估設(shè)計風(fēng)險，從而減少設(shè)計成本。本課題選用Airpak3.0軟件，基于CFD模擬方法，運用標(biāo)準(zhǔn)k-模型進行模擬計算。

2.2 模擬采用的技術(shù)路線

(1)收集數(shù)據(jù)，并確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性；

(2)根據(jù)前期數(shù)據(jù)及分析軟件要求，建立氣流組織分析所需模型；

(3)設(shè)置合理的控制方程、初始條件、邊界條件，并劃分網(wǎng)格、求解方程；

(4)借助軟件模擬分析氣流組織的速度場、溫度場、濕度場等；

(5)根據(jù)氣流組織分析結(jié)果，評估該房間或區(qū)域的空調(diào)、通風(fēng)方案是否合理。

氣流組織模擬分析操作流程如圖2所示。

圖2 氣流組織模擬分析流程Fig.2 Airflow distribution simulation analysis process

2.3 物理模型及邊界條件確定

全空氣一次回風(fēng)系統(tǒng)中(A方案)，簡化模型：送風(fēng)口為4個尺寸為0.3m×0.3m 送風(fēng)速度為2.7 m/s，送風(fēng)溫度為19℃， 2個尺寸為0.6m×0.3m回風(fēng)口，VRV多聯(lián)機加新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)中(B方案)，簡化模型：室內(nèi)機中部為0.6m×0.6m回風(fēng)口，設(shè)為自然回風(fēng)，四周為0.5m×0.05m送風(fēng)口，送風(fēng)方向與水平面夾角45°，出口風(fēng)速為4.5m/s，送風(fēng)溫度為19℃，新風(fēng)口0.18m×0.18m，風(fēng)速2.0 m/s，送風(fēng)溫度為19.5℃。系統(tǒng)布局見圖3。

假設(shè)室內(nèi)空氣為不可壓縮流體，室內(nèi)熱源主要考慮人員、電腦、燈具散熱。PMV-PPD計算按照人員靜坐，人體新陳代謝率設(shè)為58W/m2[10]，辦公室物理模型見圖3，兩系統(tǒng)邊界條件具體數(shù)值如表4所示。

2.4 夏季工況下不同供冷方式對室內(nèi)熱環(huán)境影響的對比分析

選擇合適的室內(nèi)空氣品質(zhì)評價指標(biāo)的基本原則[11-12]應(yīng)具有代表性、全面性、可操作性，并便于計算機處理?！妒覂?nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 18883-2002)設(shè)立了19項檢測指標(biāo)，涵蓋了物理性、化學(xué)性、生物性、放射性四大類。物理性指標(biāo)包括溫度、相對濕度、空氣流速[13]。另外為了準(zhǔn)確客觀地對空氣質(zhì)量進行評估，本文選取了Fanger提出的PMV舒適行指標(biāo)進行綜合評價。

(A)全空氣一次回風(fēng)空調(diào)系統(tǒng) (B)VRV多聯(lián)機加新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)圖3 辦公室物理模型Fig. 3 Office physical model

表4 物理模型參數(shù)及邊界條件
Table 4 Physical model parameters and boundary conditions

名稱數(shù)量尺寸(m)邊界類型工況參數(shù)房間1間9×8×4絕熱(僅外墻為穩(wěn)態(tài)等溫邊界)外墻34℃電腦8臺0.4×0.4×0.4定熱流量110w人員(坐姿)8人1.73×0.3×0.2定熱流量75w熒光燈9盞1.2×0.2×0.2定熱流量35w

2.4.1 辦公室內(nèi)速度場的對比分析

工作區(qū)的風(fēng)速是影響熱舒適的一個重要因素。實驗表明，風(fēng)速在0.5m/s以下時。人沒有太明顯的感覺。采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范[14]規(guī)范規(guī)定：舒適性空調(diào)冬季室內(nèi)風(fēng)速不應(yīng)大于0.2m/s，夏季不應(yīng)大于0.3m/s。選取兩種方案下X=3.15m處(人員工作垂直平面)、y=1.1m處(人員靜坐脖子處高度)的速度場對比分析。

圖4 X=3.15m處A方案速度場云圖Fig. 4 Velocity vector at X=3.15m plane of case A

圖5 X=3.15m處B方案速度場云圖Fig. 5 Velocity vector at X=3.15m plane of case B

圖6 y=1.1m處A方案速度場云圖Fig. 6 Velocity vector at Y=1.1m plane of case A

圖7 y=1.1m處B方案速度場云圖Fig. 7 Velocity vector at Y=1.1m plane of case B

由圖3至7可知，A、B兩方案作用下的氣流到達工作區(qū)域進行混摻換熱，后由于電腦桌等障礙物的阻擋，在電腦、人體等熱源的驅(qū)動力下上升，經(jīng)回風(fēng)口排出。A方案室內(nèi)布置四個風(fēng)口和兩個回風(fēng)口，室內(nèi)渦流較少，人體呼吸區(qū)風(fēng)速約為0.05～0.25m/s，人員感覺舒適，局部風(fēng)速達到0.45m/s； B方案室內(nèi)布置兩個室內(nèi)機和一個新風(fēng)口，送風(fēng)不如A方案均勻，VRV室內(nèi)機與新風(fēng)聯(lián)合作用，使得室內(nèi)空氣擾動比較劇烈，渦流相對較多，人體呼吸區(qū)風(fēng)速約為0.08～0.35m/s，個別人員有輕微吹風(fēng)感，局部風(fēng)速達到0.7m/s，風(fēng)速較大人員應(yīng)避免在此處長時間逗留。

2.4.2 辦公室內(nèi)溫度場的對比分析

在空調(diào)房間內(nèi)，在舒適的范圍內(nèi)，按照ISO7730標(biāo)準(zhǔn)，在工作區(qū)內(nèi)地面上方1.1m和0.1m之間的溫差不應(yīng)大于3℃(坐著工作的情況)[1]。選取兩種方案下Y=0.1m處(腳踝高度)、y=1.1m處(人員靜坐脖子處高度)的速度場對比分析。

圖10 A方案兩高度平面溫度值Fig. 10 Two height plane temperature contours of case A

將圖8-9中工作區(qū)域均勻分布的9個點(依次從上到下、從左到右)溫度匯總于圖10，分析可知，y=1.1m截面平均溫度為23.7℃，y=0.1m截面平均溫度為23.6℃，工作區(qū)內(nèi)地面上方1.1m和0.1m之間的溫差最大為0.4℃，故工作區(qū)人員舒適感較強。

圖8 Y=0.1m處A方案溫度場云圖Fig. 8 Temperature contours at Y=0.1m plane of case A

圖9 Y=1.1m處A方案溫度場云圖Fig. 9 Temperature contours at Y=1.1m plane of case A

將圖11-12中工作區(qū)域均勻分布的9個點(依次從上到下、從左到右)溫度匯總于圖13，分析可知，y=1.1m截面平均溫度為25.1℃，y=0.1m截面平均溫度為24.4℃，工作區(qū)內(nèi)地面上方1.1m和0.1m之間的溫差最大為1.4℃，故工作區(qū)人員舒適。

將圖8-9、11-12中工作區(qū)域均勻分布的9個點(依次從上到下、從左到右)溫度匯總于圖14，分

圖11 Y=0.1m處B方案溫度場云圖Fig. 11 Temperature contours at Y=0.1m plane of case B

圖12 Y=1.1m處B方案溫度場云圖Fig. 12 Temperature contours at Y=1.1m plane of case B

圖13 B方案兩高度平面溫度值Fig. 13 Two height plane temperature contours of case B

圖14 A、B方案兩高度平面溫度值Fig. 14 Two height plane temperature contours of case a and B

析可知，兩種方案在y=1.1m處溫差不大，在y=0.1m處方案B溫度明顯偏高，這主要是因為房間面積較大，室內(nèi)空氣擾動比較劇烈，氣流不允導(dǎo)致對房間底部換氣效率降低，送風(fēng)氣流不能及時帶走人體及設(shè)備等散發(fā)的熱量，這些將導(dǎo)致人體腳部附近偏暖。

2.4.3 辦公室內(nèi)空氣齡的對比分析

空氣齡指空氣質(zhì)點自進入房間至到達室內(nèi)某點所經(jīng)歷的時間?？諝恺g短，預(yù)示著達到該處的空氣摻混的污染物少，排除室內(nèi)污染物的能力較強[15]。對于辦公室，A方案和B方案分別作用于它，對室內(nèi)空氣齡影響的數(shù)值模擬效果，如圖所示。

圖15 Y=1.1m處A方案空氣齡云圖Fig. 15 Air mean age at Y=1.1m plane of case A

圖16 Y=1.1m處B方案空氣齡云圖Fig. 16 Air mean age at Y=1.1m plane of case B

圖17 A、B兩方案Y=1.1m處空氣齡值Fig. 17 Air mean age at Y=1.1m plane of case a and B

將圖15-16中工作區(qū)域均勻分布的9個點(依次從上到下、從左到右)空氣齡值匯總于圖17中，分析可知，方案A中空氣齡約為104-210s，平均值為166s，方案B中空氣齡約為240-327s，平均值為299s，空氣從送風(fēng)口進入室內(nèi)后的流動過程中，不斷混雜室內(nèi)的污染物，空氣清潔程度不斷降低。方案B中氣流擾動區(qū)域相對較多，置換效果較差，故空氣質(zhì)量較差。

2.4.4 辦公室內(nèi)PMV-PPD的對比分析

PMV指數(shù)表明群體對于(+3～-3)七個等級熱感覺投票的平均指數(shù)，PMV熱感覺標(biāo)尺見表5，PPD指人群對熱環(huán)境不滿意百分?jǐn)?shù)，對于相同的辦公室，A方案和B方案分別作用于它，對室內(nèi)PMV-PPD影響的數(shù)值模擬效果，結(jié)果如圖所示。

表5 PMV熱感覺標(biāo)尺
Table 5 PMV thermal sensation ruler

熱感覺熱暖微暖適中微涼涼冷PMV值+3+2+10-1-2-3

圖18 Y=1.1m處A方案PMV云圖Fig. 18 PMV at Y=1.1m plane of case A

圖19 Y=1.1m處A方案PPD云圖Fig. 19 PPD at Y=1.1m plane of case A

圖20 Y=1.1m處B方案PMV云圖Fig. 20 PMV at Y=1.1m plane of case B

圖21 Y=1.1m處B方案PPD云圖Fig. 21 PPD at Y=1.1m plane of case B

圖22 Y=1.1m處兩方案PMV、PPD值Fig. 22 PMV、PPD at Y=1.1m plane of case a and B

將圖18-19、20-21中工作區(qū)域均勻分布的9個點(依次從上到下、從左到右)PMV、PPD匯總于圖22，分析可知，在A方案作用下，由于送風(fēng)平緩均勻，冷空氣在房間上部快速的與室內(nèi)空氣進行熱交換，當(dāng)氣流下降到約Y=1.1m(人體呼吸區(qū))時PMV為-0.45-0.24，人體熱感覺適中，PPD在5.1%～9.0%之間，PPD未超過 ISO7730標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的不超過10%[16]的不滿意率。B方案作用下PMV為-0.04-0.61，人體熱感覺適中，PPD在5%～12.50%之間，PPD超過 ISO7730標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的不超過10%的不滿意率。

3 結(jié)論

針對辦公室的空調(diào)系統(tǒng)，對兩種方案下的速度場、溫度場、空氣齡、PMV、PPD進行數(shù)值模擬及分析，結(jié)果表明：兩種方案工作區(qū)的風(fēng)速均能到達要求，人員無明顯吹風(fēng)感，A方案相比于B方案氣流擾動較小，人員呼吸區(qū)溫度波動較小，房間其他區(qū)域垂直溫差均較小，從空氣齡模擬數(shù)據(jù)中可以很直觀的看出，A方案新鮮空氣能夠及時送達，同時能夠及時排出室內(nèi)污染物，使得室內(nèi)人員工作區(qū)空氣品質(zhì)較好。從PMV數(shù)值中可看出兩種方案人員的熱感覺都很舒適，B方案中局部區(qū)域人員不滿意率已經(jīng)超過10%，需避免長時間停留。由此可知風(fēng)口布置是影響氣流組織分布的主要因素之一，在選用送風(fēng)方式時應(yīng)綜合考慮各種情況。