公共建筑內中庭空調模擬設計淺析

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摘要：以上海海航總部辦公樓的工程設計為例，介紹了其中庭設置情況，分析了中庭對周邊區域的影響；利用CFD軟件對中庭及其周邊區域進行氣流組織模擬，對中庭設計提出了合理化建議，指導中庭及周邊區域的空調通風設計。

關鍵詞：中庭空間；辦公建筑；氣流組織；熱環境

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。但中庭設計考慮不周全，也會嚴重影響中庭及其周邊區域的使用，達不到舒適、節能的效果。本文利用CFD軟件對中庭及其周邊區域的氣流組織進行模擬，就中庭的合理化設計與大家一起探討。

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。根據建設方對該建筑的空間效果需求，及其建筑的品質定位，經多方市場調研和經濟性比較分析，最終建設方選定空調冷熱源為冰蓄冷系統，空調末端采用地板送風系統。

2建筑內的中庭設計

該工程除1層辦公大堂外，東西側與電梯廳各設中庭。

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計，其實景圖見圖1。建筑設計：1層辦公大堂兩層通高，與中庭相連，其1層建筑面積緊張，為減小空調機房面積，建筑設計要求采用風機盤管側送風。存在的問題：辦公大堂面積大、空間高，熱壓作用明顯，風機盤管的冷量是否可以送達人員活動區域，滿足設計舒適度要求?氣流模擬分析：為滿足建筑專業需求，分別就中庭采用風機盤管側送風和全空氣系統噴口側送風進行氣流組織模擬，大堂送風溫度場見圖2、3。從圖2可知，中庭讓氣流比較紊亂，建筑內冷熱不均現象比較明顯，如1層有隔斷的南側咖啡廳的平均溫度為24．16℃，表明冷量過剩，而1層敞開的北休息區溫度達到26．86℃，冷量又相對不足，無法滿足設計要求。從圖3可知，采用噴口側送風相比風機盤管側送風，其溫度場明顯低2℃左右，舒適度提高較大，基本可以滿足設計要求。

2．2西側中庭

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

2．3電梯廳中庭

電梯廳中庭共設有3處，其實景圖見圖4。建筑設計：標準層建筑南北方向一個柱網內設置3個中庭，高度均為60多m。存在的問題：1）較小的公共公間內中庭設置達3處之多，高度為60多m，其中庭附近環境與中庭之間氣流的交換較頻繁，氣流組織復雜、冷量逃逸現象顯著。2）電梯廳面積較小，無法設置全空氣系統，只能采用風機盤管送風。3）電梯廳由于有大量的非空調區熱氣流通過，傳統的吊頂式風機盤管的送風很容易被該氣流帶走，使得冷量不能充分利用，難以實現設計的溫濕度要求。針對以上問題，對電梯廳空調作如下模擬。1）未采取任何措施。辦公區與中庭未采取任何措施，電梯廳采用側送風方式，模擬的溫度場見圖5、6。從圖5、6可以看出：辦公區與中庭未采用任何措施，電梯廳采用側送方式，1層北區由于熱壓作用比較明顯，導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荷，造成了整體熱環境的惡化；2層電梯廳很多冷量被上升的熱氣流直接帶出該區域，無法滿足設計的要求。2）不考慮中庭影響時室內熱環境分析。為了能夠更清楚地了解室內熱環境惡化與中庭氣流反向流動之間的關系，將辦公區域完全封閉，從而關閉了中庭返流的入口，借以考察空調機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，空調的設計冷量完全可以承擔室內熱負荷，由此可以判定室內熱環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荷。3）半高隔斷對氣流組織和熱環境的改善效果。由于在實際使用中1層北區根據功能需要必然會進行分隔，為了解在出現半高隔斷的情況下1層熱環境分布情況，將1層北區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）辦公區域與中庭區域完全隔斷，電梯廳空調送風采用上送風。為了達到良好的舒適環境，嘗試將中庭與辦公區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，中庭與辦公區直接用防火墻完全隔斷，電梯廳采用上送風的方式，辦公區域和電梯廳的熱環境情況得到明顯改善，基本上滿足了設計要求。

3優化方案及分析總結

利用CFD軟件對中庭及其周邊環境的氣流組織和溫度場進行模擬，對中庭設計提出以下優化方案。1）1層辦公大堂的空調送風形式由風機盤管側送風優化為全空氣低風速噴口側送風方式。2）西側中庭原方案采用商業區域與辦公區域共享中庭，優化為取消商業中庭，獨立設置辦公中庭的優化方案。3）標準層的辦公區域，原方案是與電梯中庭相貫通，辦公區域采用防火卷簾與中庭相連。優化方案為辦公區域完全獨立，采用防火墻與中庭隔離。4）電梯廳空調采用風機盤管送風，原方案為側送上回形式，優化方案改為上送上回。分析總結：由于受到熱壓作用的影響，具有中庭結構的建筑內部氣流組織較一般建筑復雜得多。在室內各項負荷計算時，并未考慮由于熱壓影響中庭處室內空氣冷量逃逸，必然在某些核心筒區域有熱氣流反流進入室內熱環境，致使實際空調冷負荷比計算冷負荷大，導致室內溫度偏高。為遏止核心筒反流氣流引起的負荷偏大問題，不僅僅需要適量增加該區域的冷量，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入室內所增加的負荷。

4結語

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

作者:王建偉 單位:上海中森建筑與工程設計顧問有限公司