摘要:文章依托实际工程项目,基于FEM(有限元方法)技术对高层建筑通风场景进行CFD(计算流体力学)数值仿真,在风向、室外温度、楼层高度等约束变量下,通过风速调整计算仿真进出风口温度,并将进出风温度调控至设定范围,在满足健康舒适的办公环境条件下,保障暖通空调设施正常运行。
1、引言
近年来,为了增加城市的土地利用率,加快城市现代化进程,一座座的百米高楼拔地而起,而这些高层建筑的通风问题、热环境、健康问题、能耗问题等也越来越受到人们的关注[1]。尤其在武汉、上海、深圳等南方大城市,夏季温度高、湿度大,热岛效应使城中心高层室外温度快速升高,空调能源消耗大幅增加,相关研究[2]显示热岛效应每升高1℃会使得办公和住宅建筑夏季空调能耗分别提高17.5%和10.2%。加之由于多联机室外机进出风气流短路等原因,可能导致高层建筑通风系统进风温度过高(按行业标准一般设置为42℃),引起多联机制冷效率下降从而引发高温报警、宕机等问题,更有甚者可能会直接引起火灾,带来无法挽回的后果,这是高层建筑建造设计和运营过程中不可忽视的重要问题[3]。
2、项目背景
本案例大楼位于湖北武汉,用地面积约1.8万㎡,总建筑面积约7万㎡,地上面积5万㎡,建筑高度为92.1m,地上21层,地下2层,以建设“近零碳、近零能耗、健康、智慧、绿建三星”建筑为目标,致力提供绿色低碳行业发展样板。该地区属北亚热带季风性气候,冬冷夏热,四季分明,日照强度大,夏季空调制冷时长约150天,冬季供暖时长约95天,所以空调系统的能耗巨大,合理的通风设计对节能减排有重大意义。
本文以此项目为研究基础,利用FEM技术对大楼通风进行CFD数值仿真与分析,为大楼的设计、建造和运营提供决策支持。
3、仿真建模与条件设定
3.1 仿真建模
按大楼设计文件数据,采用CFD数字仿真技术对总部大楼室外机布置方案进行热环境模拟分析,重点确定进风口、出风口位置、朝向、规格等参数,参照“形体生成(form generation)—性能评估(perfor‐mance evaluation)—优化设计(optimization)”框架[4],按FEM技术原理进行建模、空间网格划分,在设计早期进行环境性能优化,效果图如图1所示。
3.2 工况及边界条件设置
通过查询湖北省气象数据,武汉市夏季室外最多风向为C(静风v<0.2m/s),出现频率为28%,风向ENE(东北偏东)出现频率为8%,夏季室外最多风向的平均风速为2.3m/s,夏季室外通风计算温度为32℃,极端高温39.3℃,工况设置参数如表1所示。
图1 FEM仿真建模效果图
表1 工况设置
边界条件设置如表2所示。
表2 边界条件设置
4、模拟仿真及问题分析
4.1 夏季典型工况(静风)
在夏季静风条件下,通过CFD模拟,结果如图2所示,进、排风气流几乎无干扰,在进风口内部局部气温可达45℃,但各楼层进风平均温度均低于42℃,整体能够保证空调系统健康运行。
图2 典型静风工况各楼层进风口温度趋势图
4.2 夏季典型工况(主导风向)
在夏季主导风向条件下,通过CFD模拟,结果如图3所示,进、排风气流存在短路,且楼层越高短路现象越严重,14楼以上进风平均温度已经接近42℃,多联机制冷效率可能下降。
图3 典型主导风工况各楼层进风口温度趋势图
4.3 夏季极端工况(静风)
在夏季极端高温静风条件下,进、排风气流存在部分短路现象,短路现象主要集中在高层,14楼以上进风平均温度已经超过42℃,在进风口内部局部气温可达52.3℃,多联机有高温报警并宕机风险,如图4所示。
图4 极端静风工况各楼层进风口温度趋势图
4.4 夏季极端工况(主导风)
在夏季极端高温主导风向条件下,进、排风气流短路,7楼以上进风平均温度已经超过42℃,多联机有宕机风险,在进风口内部局部气温可达52℃左右,19楼进风平均温度已高达46.7℃,如图5所示。
图6 极端工况下排风速度和进风口平均温度的关系
图5 极端主导风工况各楼层进风口温度趋势图
5、解决方案
在夏季极端高温条件下,通过加大排风速度减少进风口平均温度,在室外温度、进风口平均温度、排风速度之间通过仿真计算,将进风口平均温度保持在安全范围之内。通过图6的仿真可见,增大排风速度可以有效的降低进风温度,当排风速度为7m/s时,在最不利工况下各楼层入口温度也均已低于42℃,可有效规避室外机高温报警风险。
基于此仿真数据,可以在进出风口安置物联网传感器,实时感知排风速度、温度等环境参数,并通过连接大楼的智能空调冷暖系统进行远程调控,及时做出控制策略调整,在保证舒适度的同时,让空调系统正常安全运行。
6、结语
针对大城市高层建筑,在夏季极高温情况下,进风温度过高一直是空调系统面临的重大挑战之一[5]。我们从实际项目出发,结合本地气象数据,分析在静风、主导风风向下空调系统面临热环境问题,并根据设定的进风温度范围模拟计算出风速,通过风速调节排除因进风温度过高导致空调系统宕机风险,在满足健康舒适的办公环境条件下保障空调系统正常运行,也极大程度减少了不必要的能源消耗和碳排放,为实现绿色低碳节能建筑目标打下基础,通过数值模拟的形式为智慧建筑实现提供参考方案。
参考文献:
[1]徐俊,穆正勇,殷子文,等.基于CFD的某高层建筑室内自然通风的数值模拟[J].黑龙江科技学院学报,2022,32(4):459-463.
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[3]侯恩哲.战“疫”胜利时与大家共议建筑节能新思路[J].建筑节能,2020,48(2):1-4.
[5]张晓杰.夏热冬冷地区办公建筑混合通风冷却运行策略研究[D].长沙:湖南大学,2015.
文章来源:曾宪坤,李宗蔚,卢柯.数值仿真技术在高层建筑热环境的研究与应用[J].智能建筑与智慧城市,2023(11):72-74.
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