大空間室內(nèi)氣流組織的數(shù)值模擬與設(shè)計(jì)應(yīng)用

呂琪銘 沈小萍

摘要：本文根據(jù)計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（computational fluid mechanics， CFD）理論，利用基于控制體積的數(shù)值模擬方法對(duì)大空間區(qū)域的氣流組織進(jìn)行模擬計(jì)算，通過比較分析冬、夏兩個(gè)季節(jié)的設(shè)備余壓、送風(fēng)風(fēng)速以及送風(fēng)角度等參數(shù)，獲得優(yōu)化的空調(diào)設(shè)計(jì)條件：選用機(jī)外余壓為120Pa的VRV空調(diào)室內(nèi)機(jī)，風(fēng)量、風(fēng)速在一定范圍內(nèi)可調(diào)，采用可調(diào)式球型噴口作為送風(fēng)風(fēng)口，百葉風(fēng)口作為回風(fēng)口，側(cè)送上回的氣流組織形式。

關(guān)鍵詞：VRV空調(diào)系統(tǒng)；氣流組織；CFD；數(shù)值模擬；射流

1 引言

隨著現(xiàn)代人們生活水平的提高，高大空間在建筑物內(nèi)應(yīng)用越來越廣泛，人們對(duì)大空間的室內(nèi)環(huán)境也提出了更高的要求。建筑空間內(nèi)的氣流組織形式?jīng)Q定了空調(diào)區(qū)人員的舒適性以及空調(diào)能耗的多少，因此各種氣流組織形式在高大空間中的應(yīng)用引起了廣泛討論。李琳等對(duì)分層空調(diào)、置換通風(fēng)、地板送風(fēng)以及碰撞射流等四種形式作了相應(yīng)分析和比較[1～6]。為了評(píng)價(jià)空氣入流條件對(duì)空氣流動(dòng)情況的影響，趙彬等提出應(yīng)用于空氣流動(dòng)數(shù)值模擬的風(fēng)口模型新思路[7]；羅卓英等應(yīng)用N點(diǎn)風(fēng)口模型模擬百葉風(fēng)口在空調(diào)房間內(nèi)的影響[8]；任榮等比較了噴口風(fēng)口和噴口加二次氣流送風(fēng)形式對(duì)冬季分層空調(diào)的影響[9]。

本文以江蘇淮安玖瓏灣商務(wù)中心銷售大廳作為研究對(duì)象（圖1），借助CFD軟件進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，得出最優(yōu)的空調(diào)設(shè)計(jì)條件。

2 項(xiàng)目概況

江蘇省淮安市玖瓏灣項(xiàng)目商務(wù)中心，總建筑面積5979.22平方米，建筑高度18.4米，共3層高，屬于一類公共建筑。主要功能包括銷售大廳、餐飲、恒溫游泳池、運(yùn)動(dòng)健身區(qū)、展廳等。根據(jù)建筑使用功能、使用時(shí)間以及業(yè)態(tài)管理方式的不同，結(jié)合當(dāng)?shù)夭煌竟?jié)的冷、熱需求特點(diǎn)，以及空調(diào)系統(tǒng)布置位置的局限，選用變制冷劑流量（Variable refrigerant volume，VRV）空調(diào)系統(tǒng)，進(jìn)行夏季供冷，冬季供暖。

由于業(yè)主裝修的方案，限制該空間只能使用側(cè)送上回的氣流組織形式，故采用數(shù)值模擬的方法來進(jìn)行輔助分析，幫助解決暖通設(shè)計(jì)中設(shè)備機(jī)外余壓、風(fēng)口選型、風(fēng)口出流速度及出流角度等參數(shù)問題。

3 模型描述

研究對(duì)象為商務(wù)中心銷售大廳，建筑面積約為920平方米，建筑總高度為11.5米，銷售大廳的建筑尺寸為24m（長）×20m（寬）×11.5m（高）。在南、北兩側(cè)墻（X=-12、X=12）分別設(shè)置8個(gè)直徑為300mm的噴口，中心高度為7m，水平送風(fēng)距離為10m?；仫L(fēng)口設(shè)在上部，靠近南北兩側(cè)幕墻。圖2為該建筑簡化的模型。

3.1 室外、室內(nèi)空調(diào)設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)暖通設(shè)計(jì)手冊(cè)[10]選取設(shè)計(jì)參數(shù)，見表1，其中室外參數(shù)參考淮陰市氣象數(shù)據(jù)?；窗捕?、夏兩季室外干球溫度均在VRV空調(diào)設(shè)備運(yùn)行的許可工作溫度范圍內(nèi)，即該系統(tǒng)可以在冬夏兩季正常運(yùn)行，滿足室內(nèi)舒適度的要求。

3.2邊界條件

由于空調(diào)房間的傳熱涉及外界、室內(nèi)空氣對(duì)外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的對(duì)流傳熱、外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱傳導(dǎo)以及輻射傳熱等復(fù)雜的傳熱問題，故本模型對(duì)邊界條件作了進(jìn)一步簡化：外墻、外窗和地面按常壁溫設(shè)定，與其它空調(diào)房間相鄰的墻面按絕熱設(shè)定，其壁溫為環(huán)境溫度。具體數(shù)值見下表2。

送風(fēng)口設(shè)定為質(zhì)量流量進(jìn)口型邊界，回風(fēng)口設(shè)定為出口邊界。

3.3 模型求解

本模型中空氣流場(chǎng)包括了邊界層流動(dòng)、剪切流動(dòng)、有回流的流動(dòng)等壓力梯度較小的流動(dòng)，利用FLUENT2.3軟件，選用k-ε模型進(jìn)行求解。

4 數(shù)值模擬結(jié)果與討論

4.1 風(fēng)壓的影響

由于VRV空調(diào)室內(nèi)機(jī)的設(shè)備機(jī)外余壓不超過200Pa，在相同風(fēng)速，機(jī)外余壓分別為90Pa、120Pa和200Pa的情況下作比較。

圖3為空調(diào)工作區(qū)2m高度的溫度分布。由圖可見，夏季工況下，風(fēng)壓越大，溫度越低，但三種風(fēng)壓下溫度的差異很?。欢诙竟r下，風(fēng)壓越大，溫度越高，且120Pa時(shí)的溫度明顯高于90Pa的狀態(tài)。另外，兩個(gè)季節(jié)中120Pa工況與200Pa工況的溫度較接近。

4.2 風(fēng)速的影響

噴口射流送風(fēng)的風(fēng)速通常取4～8m/s，若風(fēng)速太小不能滿足射程的要求，風(fēng)速過大在噴口處會(huì)產(chǎn)生較大的噪聲[10]。在冬季工況、相同機(jī)外余壓的情況下分別對(duì)風(fēng)速v=3m/s～6m/s作比較。由圖4可見，風(fēng)速越大，空調(diào)工作區(qū)2m高度的平均溫度越高；當(dāng)風(fēng)速大于5.5m/s時(shí)，射流出現(xiàn)碰撞，空氣流態(tài)呈現(xiàn)不對(duì)稱狀態(tài)。

由此可見，風(fēng)速過小不足以讓熱風(fēng)集中送至工作區(qū)，滿足空調(diào)區(qū)的需要。而風(fēng)速過大使局部區(qū)域溫度不均勻。

綜合考慮噪音等因素，選擇機(jī)外余壓P=120Pa，風(fēng)速=4.5m/s的設(shè)備，保證冬季熱空氣也能到達(dá)空調(diào)區(qū)域，并使空調(diào)區(qū)域獲得較均勻的溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)。

4.3 送風(fēng)射流角度的影響

夏季由于冷氣流容易下沉，垂直方向的送風(fēng)角度對(duì)工作區(qū)沒有大的影響。但在冬季，由于風(fēng)口噴出的是熱空氣上浮，故送風(fēng)角度直接影響工作區(qū)的氣流效果。下圖5為不同送風(fēng)角度的氣流組織。

在水平出流以及向下10°出流的情況下（圖a、b），熱空氣表現(xiàn)為貼附射流，在浮升力的作用下，沿屋頂向上攀爬一定程度就向下彎曲，以建筑物中心為分界線，氣流向兩邊對(duì)稱回流至回風(fēng)口。

噴口向下傾斜的角度越大，射出的氣流越容易到達(dá)工作區(qū)。當(dāng)噴口向下傾斜的角度增至20°時(shí)（圖c），熱氣流以水平角度射出，并在噴口上空形成微小的氣流漩渦，熱氣流到達(dá)工作區(qū)的風(fēng)速較為適宜。當(dāng)噴口增至30°時(shí)（圖d），一部分氣流由于初始動(dòng)量很快到達(dá)地面，與地面換熱，氣流再回流至回風(fēng)口；另一部分氣流因浮升力的作用，一直上升到屋頂，與屋頂冷壁面換熱，再向四周擴(kuò)散并沿屋面下降。上下兩部分氣流形成橫向熱風(fēng)幕，能夠阻隔下部分的熱空氣上浮，向下的氣流成為供暖的主導(dǎo)力量，使工作區(qū)溫度升高。當(dāng)噴口繼續(xù)增大到一定程度時(shí)，上下兩部分氣流最初形成橫向熱風(fēng)幕被破壞，向下的氣流仍然是供暖的主要力量，噴出的氣流使其能到達(dá)的工作區(qū)域溫度升高，而另一部分氣流由于浮升力上升，與屋面冷壁面換熱再向四周擴(kuò)散。這使地面溫度分布不均勻，靠近中心的位置溫度低，兩邊溫度高。

由此可見，冬季噴口向下傾斜15°～20°能保證氣流較快到達(dá)地面，人員處于氣流的回流區(qū)，2m以下工作區(qū)有較均勻的溫度和風(fēng)速分布。

5結(jié)論

由于功能使用、裝修條件以及空調(diào)設(shè)備擺放位置的限制，商務(wù)中心選用了VRV空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行空氣調(diào)節(jié)。然而VRV空調(diào)室內(nèi)機(jī)機(jī)外余壓較小，對(duì)高大的銷售大廳空間的空調(diào)設(shè)計(jì)提出了問題。本研究利用CFD技術(shù)對(duì)商務(wù)中心銷售大廳的氣流組織進(jìn)行數(shù)值模擬，通過比較分析得出以下結(jié)論：

（1） 由于冷氣流下沉、熱氣流上升，夏季即使風(fēng)口出流風(fēng)速很小、角度水平，冷空氣都能自然沉降到工作區(qū)；而冬季風(fēng)口出流要在特定的條件下才能把熱氣流送入工作區(qū)。所以風(fēng)口出流條件如果滿足冬季工況的要求，基本就能滿足夏季的需求。

（2） 當(dāng)送風(fēng)口采用球型噴口時(shí)，VRV室內(nèi)機(jī)機(jī)外余壓選擇在120Pa以上才能達(dá)到較好的送風(fēng)效果。

（3） 風(fēng)口出流的平均風(fēng)速為4.5m/s，空調(diào)工作區(qū)才能達(dá)到較滿意的溫度要求。

（4） 選擇可調(diào)式球形噴口作為送風(fēng)風(fēng)口，夏季可采用0°水平射流，冬季調(diào)整為向下15°～20°角度射流。

（5） 綜合考慮各種因素，選擇機(jī)外余壓為在120Pa以上的空調(diào)末端送風(fēng)設(shè)備，并根據(jù)不同的季節(jié)調(diào)整送風(fēng)風(fēng)量、風(fēng)速以及風(fēng)向，能滿足使用要求。

商務(wù)中心銷售大廳最終選用機(jī)外余壓為120Pa的VRV室內(nèi)機(jī)，采用可調(diào)式球型噴口作為送風(fēng)口，百葉風(fēng)口作為回風(fēng)口，風(fēng)量、風(fēng)速在小范圍內(nèi)可調(diào)。該項(xiàng)目已于2011年10月投入使用，運(yùn)營一年多時(shí)間內(nèi)，室內(nèi)實(shí)際溫濕度與設(shè)計(jì)相符，能較好滿足室內(nèi)人員的舒適性要求。

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