基于BIM模型的办公建筑室外机风环境模拟

基于BIM模型的办公建筑室外机风环境模拟

洪淑艳

（广东省城乡规划设计研究院有限责任公司 广东 广州 510290)）

摘要：近年来，随着BIM技术在建筑行业的广泛应用，基于BIM模型的室外风环境模拟成为一个研究热点。本文以办公建筑为研究对象，探讨了基于BIM模型的室外机风环境模拟方法。为了建筑外观的完整，室外机大多设置在建筑凹位，不合理的室外机数量设置又易产生热量堆积，导致室外机开启停机保护，本文就空调室外机在办公建筑的摆放位置及数量，通过建立BIM模型获取建筑几何信息以及材料属性等数据。然后，利用CFD仿真软件对建筑外部风场进行模拟，并分析风速、风向、风压等参数。最后选取最优的室外机位置。得出结论：

关键词：BIM技术；室外机；风环境模拟

0．前言

室外机是办公建筑中常见的设备之一，其通风效果对于室内环境的舒适性和能耗情况有着重要影响。在夏季制冷时，室外机作为冷凝器吸入冷空气，带走制冷剂冷凝所释放的热量。有研究表明，冷凝器进风温度每增加1℃，制冷系统的循环性能系数COP(Coefficient of performance, COP，换热量与输入功率之比) 下降约3%[1]。按照经验设计，办公建筑多在每层的同一位置设置室外机，考虑到与建筑外立面的配合，多在建筑凹位布置室外机。在夏季同时运行的情况下，上下位置相互影响，进而影响室外机散热效果。故本项目研究中，选取不同楼层间隔布置室外机位置，以此选取最优布置方式。以广州市某一办公建筑为例，采用BIM技术建立模型，结合性能分析软件对室外机跨层布置与每层均布置进行风环境模拟。

1.研究方法

由于建筑的复杂性和城市环境的多样性，为了研究的精确性，拟采用BIM技术结合CFD仿真模拟软件，对室外机风环境进行模拟。

1.1BIM技术模型分析

BIM模型能较为完整的还原建筑物及室外机的外观及细节，且能及时更新模型，本项目采用BIM技术建立建筑模型后导出CFD仿真软件所需格式后，导入仿真软件，设置参数后进行风环境仿真模拟。

图1.1BIM模型图                          1.2仿真软件模型

1.2数值模拟

1.2.1控制方程选取

室外机模拟分析需要计算温度，考虑空气密度随温度变化，认为空气是可压缩流体，控制方程主要包括连续性方程、动量方程、能量方程和理想气体状态方程。

1.2.2湍流模型选取

由于以现有的技术不能直接求解流体动量方程，需要对动量方程做适当的简化才能进行求解。现有的湍流模型都是针对特定流动状态，做出一定的简化。根据流动状态，选择合适的湍流模型，模拟出流体的流动状态。

选用《建筑通风效果测试与评价标准》JGJ/T 309—2013[2]推荐的标准k–ε湍流模型进行室内流场计算。

2．工程案例

2．1工程概况

本项目为广州市一类高层建筑高层办公建筑，办公楼地上16层、地下1层，其中包括裙房4层，塔楼12层。本项目中央空调形式选用多联式风冷热泵机组，每层分区选取一至多台室外机，详见表2.3.1

2．2气象条件

2.2.1广州市气象参数表

2.3室外机布置

2.3.1室外机选型

根据负荷计算，选取下表室外机

表2.3.1室外机选型表

2.3.2室外机布置

本文从室外机排列方式方面出发，基于BIM及CFD技术对比分析以下三个方案：

1、方案一：塔楼层每层放置，放置在靠近夏季主导风向侧[3]。（由于裙房每层内部分区不同，且外立面完整，不考虑在裙房外立面设置室外机，根据室外机衰减系数，综合考虑，室外机布置在首层或者部分布置于当前方案的塔楼最底层；又因屋面放置设备空间有限，拟采用挂靠外立面方式进行设备放置，其余方案中不在赘述此情况）。详见表2.3.2及图3.1、3.2

2、方案二： 塔楼层每层放置，分单双层放置在建筑的左右两侧，详见表2.3.3及图3.3、3.4

3、方案三： 延续方案二放置位置，增设导流管。详见表2.3.3及图3.5、3.6。

表2.3.2.方案一设备布置情况

表2.3.3方案二设备布置情况

3．模拟结果及分析

图3.1方案一温度场       图3.2方案一速度矢量

从图3.1和图3.2发现，由于各层室外机受热压的相互影响，室外机吸入温度随楼层的增加而升高，共有22台进风温度超过限值，进风温度超限后热量不能很好扩散，会影响机组的制冷效果。

图3.3方案二温度场          图3.4方案二速度矢量

由图3.3和图3.4可发现，单双层错层布置后，室外机上层空间增加，室外风速降低，说明错层布置后，有效削弱热浮升效应，仍有12台进风温度超过限值。

图3.5方案二温度场              图3.6方案二速度矢量

由图3.5和图3.6可发现，增设导流管后，排风排向室外，向外散发热量，避免热气聚集在一处无法及时排出，室外机进风温度均低于45℃，减小了排风对室外机进风温度的影响。

4．结论

基于BIM模型及性能分析技术得出结论：在高层建筑中，室外机垂直一条线布置，楼层越高越易超室外机进风温度限制值，影响制冷效果，且易产生断电保护措施。室外机错层布置，有利于散热，使得进风温度小于限制值。但是由于楼层增高，依旧无法满足较高层室外机进风温度要求，所以，错层布置对于楼层较低的建筑是可行的。增设导流管后，所有楼层均能满足进风温度要求，所以在高层建筑中，室外机布置可选取错层布置，并增设导流管。

参考文献

[1]TONG Lige, ZHANG Zhen WANG Li, et al. Numerical Simulation for Thermal Distribution of Air-conditioner Outdoor Units [J]. Journal of Thermal Science, 2012, 21 (3): 269–275

[2]《建筑通风效果测试与评价标准》JGJ/T 309—2013

[3]高旭聪.基于CFD技术的超高层住宅空调室外机热环境研究[J].建材与装饰,2017(16):108-110.