公共建筑內(nèi)中庭空調(diào)模擬設(shè)計淺析

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摘要：以上海海航總部辦公樓的工程設(shè)計為例，介紹了其中庭設(shè)置情況，分析了中庭對周邊區(qū)域的影響；利用CFD軟件對中庭及其周邊區(qū)域進(jìn)行氣流組織模擬，對中庭設(shè)計提出了合理化建議，指導(dǎo)中庭及周邊區(qū)域的空調(diào)通風(fēng)設(shè)計。

關(guān)鍵詞：中庭空間；辦公建筑；氣流組織；熱環(huán)境

0引言

隨著人們生活水平的不斷提高，健康、舒適的辦公環(huán)境逐漸被人們所重視和追求，而建筑中庭能帶給人們良好的空間感受，提供更多的交流和放松空間，越來越廣泛地被建筑師所采用。但中庭設(shè)計考慮不周全，也會嚴(yán)重影響中庭及其周邊區(qū)域的使用，達(dá)不到舒適、節(jié)能的效果。本文利用CFD軟件對中庭及其周邊區(qū)域的氣流組織進(jìn)行模擬，就中庭的合理化設(shè)計與大家一起探討。

1工程概況

該工程位于上海市浦東新區(qū)黃浦江中心段E18中1－10地塊，主要功能為地上辦公、地下商業(yè)及車庫。地下3層，地上20層，總建筑面積87368．6m2，建筑高度89．325m。建筑分類：一類高層。根據(jù)建設(shè)方對該建筑的空間效果需求，及其建筑的品質(zhì)定位，經(jīng)多方市場調(diào)研和經(jīng)濟(jì)性比較分析，最終建設(shè)方選定空調(diào)冷熱源為冰蓄冷系統(tǒng)，空調(diào)末端采用地板送風(fēng)系統(tǒng)。

2建筑內(nèi)的中庭設(shè)計

該工程除1層辦公大堂外，東西側(cè)與電梯廳各設(shè)中庭。

2．11層辦公大堂

1層辦公大堂位于建筑正立面，為建筑的主出入口。建筑立面采用全玻璃幕墻設(shè)計，其實景圖見圖1。建筑設(shè)計：1層辦公大堂兩層通高，與中庭相連，其1層建筑面積緊張，為減小空調(diào)機(jī)房面積，建筑設(shè)計要求采用風(fēng)機(jī)盤管側(cè)送風(fēng)。存在的問題：辦公大堂面積大、空間高，熱壓作用明顯，風(fēng)機(jī)盤管的冷量是否可以送達(dá)人員活動區(qū)域，滿足設(shè)計舒適度要求?氣流模擬分析：為滿足建筑專業(yè)需求，分別就中庭采用風(fēng)機(jī)盤管側(cè)送風(fēng)和全空氣系統(tǒng)噴口側(cè)送風(fēng)進(jìn)行氣流組織模擬，大堂送風(fēng)溫度場見圖2、3。從圖2可知，中庭讓氣流比較紊亂，建筑內(nèi)冷熱不均現(xiàn)象比較明顯，如1層有隔斷的南側(cè)咖啡廳的平均溫度為24．16℃，表明冷量過剩，而1層敞開的北休息區(qū)溫度達(dá)到26．86℃，冷量又相對不足，無法滿足設(shè)計要求。從圖3可知，采用噴口側(cè)送風(fēng)相比風(fēng)機(jī)盤管側(cè)送風(fēng)，其溫度場明顯低2℃左右，舒適度提高較大，基本可以滿足設(shè)計要求。

2．2西側(cè)中庭

西側(cè)中庭位于電梯廳中庭的西側(cè)。建筑設(shè)計：地下1層功能為餐飲、商業(yè)，為了營造良好的體驗空間，提高地下商業(yè)的購物、娛樂環(huán)境，擬將地下1層與1層中庭貫穿。存在的問題：1）地下商業(yè)區(qū)、辦公區(qū)中庭相連通，地下商業(yè)的噪聲對地上辦公區(qū)的影響很大，無法滿足辦公區(qū)的噪聲指標(biāo)。2）中庭的煙囪效應(yīng)會加劇地下餐廳的串味，且舒適度比較差，對辦公環(huán)境影響較大，很大程度上降低了辦公樓的品質(zhì)。綜合考慮各種因素，地下1層商業(yè)與1層辦公區(qū)域利用樓板完全隔離封閉，將商業(yè)區(qū)域與辦公區(qū)域完全隔開，取消商業(yè)中庭，保留辦公中庭的獨立性。

2．3電梯廳中庭

電梯廳中庭共設(shè)有3處，其實景圖見圖4。建筑設(shè)計：標(biāo)準(zhǔn)層建筑南北方向一個柱網(wǎng)內(nèi)設(shè)置3個中庭，高度均為60多m。存在的問題：1）較小的公共公間內(nèi)中庭設(shè)置達(dá)3處之多，高度為60多m，其中庭附近環(huán)境與中庭之間氣流的交換較頻繁，氣流組織復(fù)雜、冷量逃逸現(xiàn)象顯著。2）電梯廳面積較小，無法設(shè)置全空氣系統(tǒng)，只能采用風(fēng)機(jī)盤管送風(fēng)。3）電梯廳由于有大量的非空調(diào)區(qū)熱氣流通過，傳統(tǒng)的吊頂式風(fēng)機(jī)盤管的送風(fēng)很容易被該氣流帶走，使得冷量不能充分利用，難以實現(xiàn)設(shè)計的溫濕度要求。針對以上問題，對電梯廳空調(diào)作如下模擬。1）未采取任何措施。辦公區(qū)與中庭未采取任何措施，電梯廳采用側(cè)送風(fēng)方式，模擬的溫度場見圖5、6。從圖5、6可以看出：辦公區(qū)與中庭未采用任何措施，電梯廳采用側(cè)送方式，1層北區(qū)由于熱壓作用比較明顯，導(dǎo)致了從中庭返流的氣流較多，而這部分熱氣流引入了大量額外的負(fù)荷，造成了整體熱環(huán)境的惡化；2層電梯廳很多冷量被上升的熱氣流直接帶出該區(qū)域，無法滿足設(shè)計的要求。2）不考慮中庭影響時室內(nèi)熱環(huán)境分析。為了能夠更清楚地了解室內(nèi)熱環(huán)境惡化與中庭氣流反向流動之間的關(guān)系，將辦公區(qū)域完全封閉，從而關(guān)閉了中庭返流的入口，借以考察空調(diào)機(jī)組整體提供的冷量是否足夠，模擬的溫度場見圖7。從圖7可知，空調(diào)的設(shè)計冷量完全可以承擔(dān)室內(nèi)熱負(fù)荷，由此可以判定室內(nèi)熱環(huán)境惡化的主要原因是熱壓引起的中庭氣流返流帶入了額外冷負(fù)荷。3）半高隔斷對氣流組織和熱環(huán)境的改善效果。由于在實際使用中1層北區(qū)根據(jù)功能需要必然會進(jìn)行分隔，為了解在出現(xiàn)半高隔斷的情況下1層熱環(huán)境分布情況，將1層北區(qū)的核心筒體處增加了一道2m高的隔斷，模擬的溫度場見圖8。從圖8可知，增加2m高隔斷可以起到一定阻擋氣流作用，但是作用比較有限。4）辦公區(qū)域與中庭區(qū)域完全隔斷，電梯廳空調(diào)送風(fēng)采用上送風(fēng)。為了達(dá)到良好的舒適環(huán)境，嘗試將中庭與辦公區(qū)直接用防火墻完全隔斷，電梯廳采用上送的方式，模擬的溫度場見圖9、10。從圖9、10可知，中庭與辦公區(qū)直接用防火墻完全隔斷，電梯廳采用上送風(fēng)的方式，辦公區(qū)域和電梯廳的熱環(huán)境情況得到明顯改善，基本上滿足了設(shè)計要求。

3優(yōu)化方案及分析總結(jié)

利用CFD軟件對中庭及其周邊環(huán)境的氣流組織和溫度場進(jìn)行模擬，對中庭設(shè)計提出以下優(yōu)化方案。1）1層辦公大堂的空調(diào)送風(fēng)形式由風(fēng)機(jī)盤管側(cè)送風(fēng)優(yōu)化為全空氣低風(fēng)速噴口側(cè)送風(fēng)方式。2）西側(cè)中庭原方案采用商業(yè)區(qū)域與辦公區(qū)域共享中庭，優(yōu)化為取消商業(yè)中庭，獨立設(shè)置辦公中庭的優(yōu)化方案。3）標(biāo)準(zhǔn)層的辦公區(qū)域，原方案是與電梯中庭相貫通，辦公區(qū)域采用防火卷簾與中庭相連。優(yōu)化方案為辦公區(qū)域完全獨立，采用防火墻與中庭隔離。4）電梯廳空調(diào)采用風(fēng)機(jī)盤管送風(fēng)，原方案為側(cè)送上回形式，優(yōu)化方案改為上送上回。分析總結(jié)：由于受到熱壓作用的影響，具有中庭結(jié)構(gòu)的建筑內(nèi)部氣流組織較一般建筑復(fù)雜得多。在室內(nèi)各項負(fù)荷計算時，并未考慮由于熱壓影響中庭處室內(nèi)空氣冷量逃逸，必然在某些核心筒區(qū)域有熱氣流反流進(jìn)入室內(nèi)熱環(huán)境，致使實際空調(diào)冷負(fù)荷比計算冷負(fù)荷大，導(dǎo)致室內(nèi)溫度偏高。為遏止核心筒反流氣流引起的負(fù)荷偏大問題，不僅僅需要適量增加該區(qū)域的冷量，同時還需考慮綜合隔斷，以防止中庭熱壓過大，致使所增加的冷量并不能解決反流氣流進(jìn)入室內(nèi)所增加的負(fù)荷。

4結(jié)語

中庭在如今的辦公建筑設(shè)計中越來越普遍，已成為提升辦公建筑空間品質(zhì)的重要手段之一。中庭設(shè)計已不再是建筑師單專業(yè)的事情，還需要從全專業(yè)綜合考慮。從空間效果和視覺感受來看，中庭應(yīng)采用全玻璃幕墻，以增加自然采光和通透性；從節(jié)能角度來說，應(yīng)盡量減少中庭玻璃幕墻的面積，降低傳熱系數(shù)，做好遮陽措施，同時應(yīng)盡量避免中庭熱壓對中庭及周邊區(qū)域的影響，以保障一個健康、舒適、節(jié)能的辦公環(huán)境。

作者:王建偉 單位:上海中森建筑與工程設(shè)計顧問有限公司