南海意库3号办公楼前庭空调系统气流组织模拟研究

南海意库3号办公楼前庭空调系统气流组织模拟研究杨海波1a，刘拴强b(a深圳招商地产股份有限公司深圳518067)(b清华大学北京100084)摘要本文就某办公楼的前庭在常规全空气空调系统下和在温湿度独立控制空调系统(THIC)下，室内气流组织的差异进行了模拟分析，并从热舒适性、空气品质和能耗等角度对模拟结果进行了分析讨论。

结果显示，采用THIC空调方式比常规全空气空调系统的室内气流速度场、温度场更加均匀，人员活动区域的热舒适、空气品质更好，而且可以显著降低高大空间的空调区域，相对于常规全空气空调系统，可节约空调能耗45%以上。

本文的研究成果对于类似酒店大堂、中庭、机场候机大厅等高大空间空调系统的热舒适性和节能优化，提供了有益的参考。

关键词高大空间温湿度独立控制气流组织模拟Air Distribution Simulation on Atrium of an Office BuildingYang Haibo, Liu Shuanqiang(China merchants property development Co.,Ltd, Shenzhen 518067)Abstract This paper presents the air distribution simulation on atrium of an office building between conventional all-air air-conditioning system and temperature and humidity independent control(THIC) air-conditioning system. And, the simulation results analysis is given from thermal comfort, indoor air quality and energy consumption angle. The results show that the THIC air-conditioning system has better indoor air velocity field and temperature field than the conventional air-conditioning system, especially in the people moment area. In addition, the air-conditioning area can be significantly decreased, in order to save more than 45% of the air-conditioning energy consumption compared to the conventional all-air air-conditioning system. The conclusion of this paper can provide good reference for the design and optimization of the thermal comfort and energy consumption in high and large space such as the hotel lobby, atrium and airport.Keyword High and large space, temperature and humidity independent control, air distribution, simulation0 引言对于高大空间的空调系统设计，目前主要是采用全空气中央空调系统，通过喷口或者高1杨海波，男，1969年生，工程师518067 深圳市南山区蛇口兴华路6号南海意库3号楼工程管理中心（0755）26825561E-mail: yanghaibo@速送风口进行送风，对空调区域进行温湿度调节。

这种设计方式可以说是比较成熟、简单的方案，但是，有没有在能耗、舒适性、空气品质上相比更优化的空调方式呢？本文以深圳某办公楼项目为例，对其前庭大空间采用不同空调系统方式时的气流组织进行CFD模拟仿真与优化分析，以期对大空间空调系统形式的优化设计提供参考。

关于前庭不同空调方式的能耗对比分析，笔者将另文详述。

1前庭概况介绍某办公楼位于深圳市蛇口工业区，建筑面积共25230.9m2，其中地上5层，地下1层，空调面积共15600m2，使用功能以办公、会议为主。

关于该办公楼的详细资料，可参阅文献[1]。

前庭是该办公楼建筑外观的一个亮点，为改造时加建，整体呈阶梯状，如图1所示。

图1之中红线所标示的结构即为前庭。

前庭位于建筑北侧，从二层贯穿到四层，净高12.2m，高度是以玻璃幕墙为外围护结构的高大空间。

前庭在二层的空调面积约720m2，二层以上采用自然通风的方式，以降低空调系统能耗。

值得注意的是，图1前庭的阶梯部分是绿色的，这是因为该项目采用了垂直绿化技术，在三个阶梯部分种植灌木植物，一方面起到改善建筑周围生态环境的作用，另外一方面还能强化对外围护玻璃幕墙的遮阳效果，起到降低空调负荷的作用。

前庭的平面尺寸如图2所示。

由图2可知，前庭长度为73m、宽约10m。

前庭共有3个对外开的门，4个内门和两部电梯。

图1 前庭位置及外观效果图图2 前庭剖面图（单位:mm）2空调形式及计算条件2.1 常规空调系统及计算条件介绍对于前庭这种高大空间区域，采用常规空调方式的系统示意图如图3所示。

在一层设置1台独立的水冷空调柜机，该水冷柜机处理后的送风，由位于前庭内侧结构墙体中部的送风管送至前庭。

整个区域采用分层空调形式（二层以上自然通风），上侧送下侧回。

其中，送风口为球形喷口，回风口为百叶风口，靠近地面设置。

对该空调系统下的室内热环境进行了模拟计算，设定的计算条件为：1)送风系统：送风温度17℃、相对湿度95％、送风量28000m³/h。

送风口直径0.4m，出口风速4m/s，风口距离地面3.2m，间隔5m一个，共设16个。

2)回风系统：回风口为矩形百叶风口，长0.65m、宽0.25m，回风口风速3m/s，风口距地面0.3米，间隔5m一个，共设16个。

37送送图3 前庭常规全空气空调系统示意图2.2 温湿度独立控制空调系统及计算条件介绍一般来说，对于前庭这样的高大空间采用全空气空调系统而不是风机盘管加新风的空调系统，主要是因为高大空间不做吊顶，风机盘管无处安装，因此不得不采用全空气系统。

近几年，一种采用辐射式显热末端处理显热负荷、干燥新风处理室内潜热负荷的温湿度独立控制空调系统（Temperature and Humidity Independent Control air-conditioning system，以下简称“THIC空调系统”）应用越来越广泛，这种空调系统具有显著的节能效果、更好的舒适性、更好的室内空气品质，并且对于新建项目来说其初投资低于VAV全空气系统，因此具有非常好的经济性和舒适性[2-5]。

前庭采用温湿度独立控制空调系统的具体方案为：采用地板冷辐射方式供冷，承担室内由于太阳辐射、围护结构传热所产生的显热负荷；采用1台溶液调湿新风机组处理的干燥新风，承担室内全部湿负荷、人员的显热负荷。

对该系统下的室内热环境状态进行了模拟计算，设定的计算条件为：1)送风系统：采用分层空调形式，同侧下侧送上侧回，送风口为矩形百叶风口，风口距地面高度0.4m，回风口为百叶风口，距地面3.2m。

送风参数为：温度18℃、含湿量8.0g/kg 、送风量8000m³/h 。

共设8个送风口，间隔10m 。

送风口尺寸：1.0*0.2m ，风速1.4m/s 。

2) 回风系统：回风口为矩形百叶风口，尺寸同送风口，风速2.5m/s ，间隔10m 一个，共设8个。

3) 地板冷辐射参数：地板表面温度20℃，全部地面均敷设。

37送送送送送送送图4 前庭温湿度独立控制空调系统示意图3 模拟结果分析讨论根据前文的确定的两种空调系统，结合建筑结构图纸，使用CFD 软件PHOENIX 建模计算，室外设计参数取广州市空调设计参数。

其中，常规空调系统的模型命名为CASE1，THIC 空调系统的模型命名为CASE2，以便于进行对比分析。

3.1 常规空调模拟结果与分析采用常规空调形式的前庭室内气流组织模拟结果如图5～9所示。

其中，图5～6为速度场模拟结果，图7～9为温度场模拟结果。

图5 CASE1送风截面（y=10m）处垂直速度场图6 CASE1 z=1.5m高度处水平速度场图7 CASE1送风截面（y=10m）处垂直温度场图8 CASE1前庭长度方向（x=0~30m）垂直温度场图9 CASE1 z=1.5m高度处水平温度场从图5和图6可以看到，采用常规全空气空调系统时，由于单个风口的送风风速并不高，且风口布置较多，从前庭内速度场的垂直分布和水平分布情况来看，人员活动区域风速整体较小，基本在舒适性范围之内。

但是，也能看出由于送风的冷风下坠造成的局部风速相对较大的现象，特别是回风口附近以及距离送风侧墙体约2m处，均有比较明显的局部风速较大现象。

从图7～图9可以看到，前庭3.5m以下的区域基本可以保证温度在27℃以内，但是，由于送风温度和速度都比较低，送风气流在距离前庭内侧墙体3m左右的地方掉落，使得该区域附近的空气温度仅有17~18度左右，如果人员经过该区域会感觉到温度过低而不舒适。

这一点从反映水平方向温度分布的图9也可以明显看出。

此外，从图7、图9可以看到，沿着前庭进深方向（即宽度方向），温度场的分布很不均匀，这意味着人员从前庭外侧经由前庭进入内侧房间时，会明显感觉到房间内的空气温度由高到低、再由低到较高的过程，人体热舒适感会受到明显的影响。

同样，从图8、图9可以看到，沿着前庭长度方向温度场的分布也不是非常的均匀，在送风口正对的区域，空气温度明显低于周围的空气温度，这就意味着人员从前庭一侧走向另外一侧（例如进门搭乘中间的电梯）时，同样会感觉到室温的变化。

3.2 THIC空调模拟结果采用THIC空调形式的前庭室内气流组织模拟结果如图10～14所示。

其中，图10～11为速度场模拟结果，图12～14为温度场模拟结果。

图10 CASE2送风截面（y=10m）处垂直速度场图11 CASE2 z=1.5m高度处水平速度场图12 CASE2送风截面（y=10m）处垂直温度场图13 CASE2前庭长度方向（x=0~30m）垂直温度场图14 CASE2 z=1.5m高度处水平温度场从图10可以看到，由于溶液除湿机组送出的低温、低湿新风密度较大，采用下送上回的气流组织形式，干冷新风能够很好的贴附地面到达对面幕墙位置，并贴附幕墙上升，在上升过程中迅速扩散。