石雯宇 呂潔 楊萍

沈陽工業(yè)大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，幼兒教育越來越受重視，幼兒教育成為社會的熱點(diǎn)問題，幼兒園建筑趨向于大型化。幼兒活動室作為幼兒園建筑的主要功能房間，具有大面積、低層高、多功能的建筑特點(diǎn)，集教學(xué)、活動、休息等功能于一體，集幼兒、成人于一室，對房間的安全性，舒適性和美觀等均有較高要求。因此，幼兒園建筑的空調(diào)送風(fēng)設(shè)計不能簡單套用一般公共建筑的空調(diào)設(shè)計方案，需要綜合考慮使用需求、結(jié)構(gòu)、裝修等各方面的影響因素[1]。

幼兒活動室雖然劃分為休息與活動兩個區(qū)域，但休息區(qū)采用可收納設(shè)計，在非休息時段也作為活動區(qū)使用，因此幼兒活動室對空調(diào)設(shè)計還有分區(qū)、分時段調(diào)控的需求，要求空調(diào)設(shè)備及其系統(tǒng)有較高的靈活性。同時，考慮到幼兒的抵抗能力較弱及幼兒與教師存在較大的身高差異，室內(nèi)垂直溫度梯度及豎向速度梯度不宜過大[2]。

由以上分析結(jié)果可知，幼兒活動室的空調(diào)設(shè)計考慮因素較多，因此，有必要利用數(shù)值模擬技術(shù)輔助空調(diào)設(shè)計，并對空調(diào)的運(yùn)行效果進(jìn)行模擬檢驗(yàn)，從而確定最佳的空調(diào)送風(fēng)設(shè)計方案[3]。

由于大型幼兒園的消防等級要求高，需設(shè)置自動噴淋系統(tǒng)，本文以某實(shí)際幼兒園項(xiàng)目的幼兒活動室為研究對象，利用 revit 模擬軟件的管線綜合、多專業(yè)協(xié)同設(shè)計的功能，在保證層高的前提條件下提出三種空調(diào)設(shè)計方案，再采用 Fluent 模擬軟件對該三種方案分別進(jìn)行模擬運(yùn)行，通過分析和比較確定最優(yōu)方案[4]。

1 備選設(shè)計方案

幼兒活動室的建筑面積為 91.2 m2，進(jìn)深 12 m，開間8.4 m，層高3.6 m。房間朝南，南北分區(qū)，其中休息區(qū)位于北側(cè)，活動區(qū)位于南側(cè)。主次梁相交，尺寸分別為 500 mm×3 00 mm×1 2000 mm 和 500 mm×5 00 mm×8400 mm。空調(diào)設(shè)計參數(shù)取值見表1[5]。

表1 托兒所、幼兒園活動室、寢室夏季空調(diào)設(shè)計參數(shù)

考慮到該幼兒園為獨(dú)立建筑，未設(shè)置機(jī)房，層高低，且周圍建筑均非空調(diào)建筑，故采用多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)，將室外機(jī)設(shè)于屋頂。室內(nèi)機(jī)通過revit 軟件進(jìn)行管線綜合來確定其送風(fēng)方式和位置，依據(jù)空間占用少、凈高大、經(jīng)濟(jì)的設(shè)計原則確定了三種備選方案，分別為頂送四面出風(fēng)、西側(cè)送和北側(cè)送，依次對應(yīng)為方案一、方案二、方案三，方案比較見表2[6]。

表2 三種方案的初投資比較

方案一的送風(fēng)設(shè)備為兩臺四面出風(fēng)嵌入機(jī)兩臺，型號為 RFT(D)22MX(N),方案二、三的則是兩臺低靜壓側(cè)送風(fēng)管機(jī)兩臺，型號為 RFUT(D)22MX-C(N)。分析表2 可知三種方案的初投資差別不大，主要涉及設(shè)備的選型，其中方案三由于單臺設(shè)備承擔(dān)兩區(qū)負(fù)荷，的靈活性較差，不能分區(qū)調(diào)控，不宜采用，而方案一和方案二需進(jìn)一步通過 Fluent 模擬檢驗(yàn)其送風(fēng)效果來確定最佳方案[7]。

2 比選最佳方案

2.1 模型建立

考慮空調(diào)與噴淋管道均影響空間布置和層高，故先采用 revit 軟件的管線綜合功能確定三種方案的設(shè)備和管線位置。再利用 GAMBIT 軟件建模，通過ICEM 進(jìn)行網(wǎng)格劃分，整合實(shí)際情況以及模型精度，最終完成的模型如圖1[8]。

圖1 三種方案revit 管道綜合模擬圖

2.2 邊界條件設(shè)置

由于幼兒活動室為空調(diào)房間，為簡化計算，將熱邊界條件包含墻、梁、地、窗以及室內(nèi)的床等設(shè)為絕熱邊界條件，具體設(shè)置見表3。

表3 邊界條件設(shè)置表

3 模擬結(jié)果分析及比較

模擬云圖可知由于幼兒活動室的多功能性，對模擬云圖分別截取x=1 m、y=3 m、y=11 m、z=0.4 m、z=1.2 m 等幾個典型位置進(jìn)行分析。其中x=1 m 處代表更衣處，y=3 m 處代表幼兒活動區(qū)域，y=11 m 處代表幼兒休息區(qū)，z=0.4 m 處代表幼兒，z=1.2 m 處代表成人[9]。

模擬結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)方案三的可調(diào)控能力差且效果不佳，方案一與方案二的溫度比較結(jié)果見表 4，速度比較結(jié)果見表5。

表4 溫度云圖模擬分析

表5 速度云圖模擬分析

分析可知，溫度方面：方案一中僅有z=1.2 m 處的截面溫度范圍超出設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)26 ℃，但該位置為成人的舒適范圍，故而部分位置高出設(shè)計標(biāo)準(zhǔn) 1 ℃對于成人的舒適度影響不大。方案二中五處截面的溫度皆不符合設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，y=3 m、z=0.4 m、z=1.2 m 處的溫度偏離尤其多，對于幼兒偏冷容易引發(fā)幼兒感冒。速度方面：兩種方案五處截面均符合設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，處于幼兒及成人的舒適范圍內(nèi)。綜上所述可以清楚的比較出方案一為最佳方案[10]。

4 結(jié)論

通過revit 管線綜合和Fluent 模擬，對幼兒活動室提出的三種送風(fēng)方案從空間占用，凈高，初投資，水平和豎向溫度分布等方面進(jìn)行了分析，得出以下結(jié)論：

1）雖然側(cè)送和頂送都能形成貼附射流，但北側(cè)側(cè)送不能滿足分區(qū)調(diào)控的要求，不采用風(fēng)管送風(fēng)的空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)分區(qū)設(shè)置室內(nèi)機(jī)。

2）西側(cè)側(cè)送和頂送均能夠滿足設(shè)計要求，但頂送四面出風(fēng)方案在豎向和水平方向的均勻性更好。

3）revit 管線綜合功能可以協(xié)助空調(diào)設(shè)計方案的制定和從空間占用、凈高、初投資等方面進(jìn)行比選，F(xiàn)luent 模擬適于檢驗(yàn)空調(diào)送風(fēng)效果。