第10卷 第1期制冷与空调2010年2月REFRIGERA TION AND A IR CONDITIONIN G74279收稿日期:2009208228通信作者:孙国勋,Email :sun _guoxun @某办公楼中庭空调系统末端形式的对比分析孙国勋1) 张婷1) 刘拴强2)1)(北京华创瑞风空调科技有限公司) 2)(清华大学)摘 要 在某办公楼中庭采用常规全空气空调系统和温湿度独立控制空调系统(T HIC )2种方案时,对室内的空调冷负荷及对应的送、回风参数进行计算和对比,进而对室内气流组织的差异进行模拟分析,并从热舒适性、空气品质等角度对模拟结果进行讨论。
结果显示,采用T HIC 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,可降低空调冷负荷25%左右。
关键词 高大空间;温湿度独立控制;气流组织;模拟;空调;空气品质T erminal forms analysis of the HVAC system on atrium ofone off ice buildingSun Guoxun 1) Zhang Ting 1) Liu Shuanqiang 2)1)(Beijing Sinorefine Air 2Conditioning Technology Co.,Lt d.) 2)(Tsinghua U niversity )ABSTRACT Present s t he comparison of t he cooling load and t he parameters of t he supply and ret urn air on an office building between conventional all 2air air 2conditioning system and temperat ure and humidity independent cont rol (T HIC )air 2conditioning system.Then ,carries out the simulation of air distribution.G ives the simulation results analysis from thermal comfort and indoor air quality angle.The results show that the THIC air 2conditioning system has better indoor air velocity field and temperature field than the conventional air 2conditioning sys 2tem ,especially in the people moment area.In addition ,the air 2conditioning area can be significant 2ly decreased ,in order to save more than 25%of the air 2conditioning energy consumption com 2pared to the conventional all 2air air 2conditioning system.KE Y WOR DS high and large space ;temperat ure and humidity independent cont rol ;air dist ribution ;simulation ;air 2conditioning ;air quality 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?笔者以深圳市某办公楼项目为例,对其中庭的高大空间采用不同空调系统方式时的能耗及送风参数进行计算,并就不同空调系统形式下的气流组织进行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。
1 中庭概况某办公楼位于深圳市蛇口工业区,建筑面积共25230m 2,其中地上5层,地下1层,空调面积共15600m 2,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]。
中庭整体呈阶梯状,图1中虚线所标示的结构即为中庭。
该中庭位于建筑北侧,从2层贯穿到4层,净高12.2m ,高度是以玻璃幕墙为外围护结构的高大空间。
第1期孙国勋等:某办公楼中庭空调系统末端形式的对比分析・75 ・ 中庭在二层的空调面积约720m 2,二层以上采用自然通风的方式,以降低空调系统能耗。
中庭的平面尺寸如图2所示。
由图可知,中庭长度为73m ,宽约10m 。
中庭共有3个对外开的门,4个内门和2部电梯。
图1 中庭位置及外观效果图图2 中庭剖面图(单位:mm )2 空调形式及负荷对比2.1 常规空调系统负荷及送风参数对于中庭这种高大空间区域,常规空调方式一般采用全空气系统,如图3所示。
即在一层设置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中庭内侧结构墙体中部的送风管送至中庭。
整个区域采用上侧送下侧回的送风方式,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负荷进行计算,室内空气干球温度26℃,相对湿度60%,则空调季逐时冷负荷计算结果如图4所示。
中庭供冷季最大冷负荷为126kW ,空调季累计负荷为152.9MW ・h ,单位面积负荷指标为173W/m 2。
根据负荷计算结果,确定系统送风、回风的参数及风口布置形式为:1)送风系统:送风温度17℃,相对湿度90%,送风量28000m 3/h 。
球形送风口直径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0.3m ,间隔5m 一个,共设16个。
图3 中庭常规全空气空调系统示意图图4 中庭常规空调方式下的逐时冷负荷 ・76 ・制 冷 与 空 调第10卷 2.2 温湿度独立控制空调系统及计算条件介绍一般来说,对于中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(temperat ure and humidity independent cont rol air 2conditioning system ,以下简称“T H IC 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[225]。
中庭采用温湿度独立控制空调系统的具体形式如图5所示。
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。
由于这种空调方式的温度分层效果非常显著,实际处理的负荷为3m 以下的人员活动区域,因此空调冷负荷也会显著降低,对采用T H IC 空调系统下的中庭负荷进行计算,计算结果如图6所示。
采用该系统分层空调时的中庭最大冷负荷为93kW ,空调季累计负荷为105.8MW ・h ,单位面积负荷指标为129W/m 2。
对比常规空调方式的负荷数据可知,采用温湿度独立控制空调系统,由于室内设计参数提高和空调区域高度降低,空调季最大负荷和累计负荷分别降低了24.7%和30.8%。
根据上述负荷计算结果,确定T H IC 空调系统送风、回风的参数,风口布置形式,以及地板冷辐射系统的参数为: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8000m 3/h 。
共设8个送风口,间隔10m 。
送风口尺寸:1.0m ×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:地板冷辐射系统的供回水温度为17℃/20℃,地板表面的辐射温度20℃,全部地面均敷设。
图5 中庭温湿度独立控制空调系统示意图图6 中庭温湿度独立控制空调方式下的逐时冷负荷3 气流组织模拟分析与讨论为了进一步分析上述2种空调系统方式应用在中庭大空间时的情况,在气流组织,特别是热舒适性和空气品质方面的差异,根据前文确定的2种空调系统的送、回风参数,使用CFD 软件P HO E 2N IX 建立计算模型,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CASE 1,T H IC 空调系统的模型命名为CASE 2,以 第1期孙国勋等:某办公楼中庭空调系统末端形式的对比分析・77 ・ 便于进行对比分析。
3.1 常规空调模拟计算结果与分析采用常规空调形式的中庭室内气流组织模拟计算结果如图7～10所示。
其中,图7～8为速度场模拟计算结果,图9和图10为温度场模拟计算结果。
图7 CASE1送风截面(y =10m)处垂直速度场图8 CASE1z =1.5m高度处水平速度场图9 CASE1送风截面(y =10m)处垂直温度场图10 CASE1z =1.5m 高度处水平温度场 从图7和图8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,从中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9和图10可以看到,中庭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,送风气流在距离中庭内侧墙体3m 左右的地方掉落,使得该区域附近的空气温度仅有17～18℃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10也可以明显看出。
此外,从图9和图10可以看到,沿着中庭进深方向(即宽度方向),温度场的分布很不均匀,这意味着人员从中庭外侧经由中庭进入内侧房间时,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。