廣州某禮堂空調(diào)氣流組織模擬分析

王順林 趙青春

1廣東省建筑設(shè)計研究院

2蘇寧置業(yè)集團有限公司

高大空間采用分層空調(diào)技術(shù)是空調(diào)系統(tǒng)常用節(jié)能技術(shù)措施之一，但由于受土建條件等其它因素的限制，并非所有高大空間都采用了分層空調(diào)技術(shù)，為考察這類房間的溫濕度及熱舒適性情況，本文利用Phoenics軟件，對廣州某禮堂上送下回的氣流組織進行了數(shù)值模擬分析。空調(diào)送風口采用雙層百葉1000mm×300mm側(cè)送風，均勻布置在天花左右兩側(cè)，共10個?；仫L口采用單層百葉 1500mm×2000mm，離地 300mm，均勻布置在主席臺左右對稱兩側(cè)的回風井上。同時為保證新風量平衡，屋面設(shè)有1個單層百葉排風口600mm×600mm。整個氣流組織形式為上送下回。

1 建筑概況

廣州某禮堂為一棟辦公樓的兩層附屬裙樓，建筑面積約為540m2，兩層通高，主要用作容納400人的會議室，建筑平面如圖1所示。由于禮堂主席臺無特殊表演需求，整個觀眾席和舞臺合用一套全空氣系統(tǒng)。

圖1 廣州某禮堂建筑平面圖

2 建立模型與邊界條件

2.1 物理模型

如圖1所示，禮堂西南面為外圍護結(jié)構(gòu)，其它為內(nèi)墻。由于不具備完全對稱條件，且禮堂結(jié)構(gòu)布局不復(fù)雜，選取整個禮堂作為物理模型，其外形尺寸為27m（長）×19m（寬）×11m（高）。為簡化計算，禮堂靜坐的人采用尺寸為0.4m×0.5m×1.1m的長方體代替，每個全熱散熱量為108W，散濕量為68g/h[1]。設(shè)備負荷按5W/m2折算到地面上，燈光負荷按11W/m2[2]折算到屋面上，送、回、排風口直接設(shè)置在外輪廓墻上和屋頂上，其模型圖如圖2所示。

圖2 廣州某禮堂物理模型圖

2.2 數(shù)學模型及邊界條件

經(jīng)計算，房間的空氣雷諾數(shù)約為8×105，確定為湍流流動，采用k-ε雙方程模型進行模擬，模擬過程中作如下假設(shè)：①室內(nèi)氣體低速流動，可視為不可壓縮流體，忽略由流體粘性力做功所引起的耗散熱；②流動為穩(wěn)態(tài)紊流；③滿足Boussinesq假設(shè)，認為流體密度的變化僅對浮升力產(chǎn)生影響；④忽略四周墻壁及室內(nèi)物體的輻射熱，室內(nèi)空氣為輻射透明介質(zhì)；⑤不考慮漏風影響，認為室內(nèi)空氣除出口外都密封完好。

2.3 控制方程

控制方程[3，4]如下：

式中：ρ 為室內(nèi)空氣密度，kg/m3；u 為速度矢量，m/s；k為紊流脈動動能，m2/s2；ε為紊流脈動動能耗散率，%；μ為層流動力黏度，Pa·s；μt為紊流動力粘性系數(shù)；T 為室內(nèi)空氣溫度，K；q為熱流密度，W/m2；P為空氣壓力，Pa；Cp為定壓比熱容，kJ/(kg·K)；Pr為層流普朗特數(shù)；β為流體體積膨脹系數(shù)。c1、c2、cμ、σε、σk、σt均為常數(shù)，采用Launder和Spalding推薦的數(shù)值[5]:c1=1.44，c2=1.92，cμ=0.09，σε=1.3，σt=0.9～1.3。下標：i=1，2，3；j=1，2，3。

2.4 邊界條件

送風口處采用速度入口，風口風速4.9m/s，送風溫度18℃，相對濕度90%，回風口為壓力邊界條件，壓力大小等于環(huán)境壓力。根據(jù)節(jié)能計算結(jié)果，外墻熱流密度為18.6W/m2，外窗熱流密為29W/m2，屋面熱流密度為10W/m2。由于鄰室為空調(diào)房間，內(nèi)墻按絕熱壁面處理。計算區(qū)域按結(jié)構(gòu)化正六面體網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格總數(shù)46萬，為提高計算速度和精度，對風口、人員及氣流易變處進行了網(wǎng)格局部加密。采用SIMPLE算法對微分方程進行離散、求解。收斂條件是各流動方程相對誤差為0.001，能量方程相對誤差為1×10-6。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 速度場分析

圖3為經(jīng)過主席臺側(cè)送風口和回風口的流場平面，由圖可見，左右兩側(cè)頂部形成較大流速的冷氣流，冷氣流不斷往下卷吸周圍空氣，流速衰減，隨著與送風口的距離增加，靠近地面工作區(qū)的空氣流速已經(jīng)衰減到0.3m/s以下，但靠近回風口附近處的風速達到0.5m/s，流速略大，但不處于人員長期停留區(qū)，仍滿足規(guī)范[6]的要求。

圖3 X=2.7m平面速度云圖

圖4 為經(jīng)過觀眾席和屋面排風口的流場平面，由圖可見，側(cè)送風口的大流速氣流經(jīng)過衰減后，到達觀眾席區(qū)域的空氣流速已在0.2m/s以下，人員處在較高的舒適區(qū)。屋頂處的排風口達到0.7m/s以上，由于與側(cè)送風口的距離過近，導致少部分送風氣流直接進入排風口，不利于節(jié)能。

圖4 Y=6.3m平面速度云圖

3.2 溫、濕度場分析

圖5 為主席臺側(cè)空氣溫、濕度場，由圖可見，該區(qū)域工作區(qū)的空氣溫度為 24～26℃，相對濕度 50%～65%，符合規(guī)范[6]的室內(nèi)設(shè)計參數(shù)要求。由于舞臺西面為外墻、外窗，東面為內(nèi)墻，所以圖5（a）左側(cè)靠外墻區(qū)域的溫度要比右側(cè)高1～2℃。同時由于右側(cè)溫度低，右側(cè)送風口射出來的冷空氣溫度衰減慢，導致工作區(qū)的部分氣流溫度低至22～23℃。在空氣含濕量相同的情形下，溫度越高，相對濕度越低，所以圖5（b）左側(cè)相對濕度較右側(cè)低出5%～10%。

圖6 為觀眾席的溫、濕度場，由圖6可見，觀眾席區(qū)的溫度為27℃，相對濕度為50%～60%，符合規(guī)范[6]的室內(nèi)設(shè)計參數(shù)要求。但從圖中發(fā)現(xiàn)，主席臺的溫度比觀眾席區(qū)的溫度低2～3℃，相對濕度高10%～15%。這是由于主席臺區(qū)的人員稀少，人員負荷小，而觀眾席人員密集，人員負荷大，所以觀眾席的溫度較高。同樣，人越多濕負荷越大，但由于人員密集區(qū)的溫度高，降低了該區(qū)域的相對濕度，所以觀眾席比主席臺區(qū)域的相對濕度低。其次，在溫、濕度場豎向由上至下分別形成溫度遞增梯度和濕度遞減梯度，這是因為冷氣流由高處熱衰減后才到工作區(qū)，所以工作區(qū)的溫度偏高，濕度低。說明上送下回的氣流形式，通風效率低而不利于節(jié)能，宜采用分層空調(diào)形式直接將冷氣流送往工作區(qū)。

圖6 Y=6.3m平面溫、濕度云圖

4 結(jié)論

通過對禮堂氣流組織模擬分析，可以發(fā)現(xiàn)采用上送下回的氣流組織形式能滿足規(guī)范的室內(nèi)設(shè)計參數(shù)規(guī)定要求。但是由于受圍護結(jié)構(gòu)和人員負荷分布不均的影響，室內(nèi)出現(xiàn)局部冷熱不均現(xiàn)象。其次，由于是高大空間，氣流由頂棚上送下回，通風效率低，且易與屋頂排風短路，而不利于節(jié)能。因此從側(cè)面說明，高大空間的禮堂宜采用分層空調(diào)的送風方式。

[1]趙榮義.簡明空調(diào)設(shè)計手冊[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2007

[2]中國建筑科學研究院.公共建筑節(jié)能設(shè)計標準(GB50189-2005)[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2005

[3]陶文銓.數(shù)值傳熱學(第2版)[M].西安:西安交通大學出版社,2001

[4]吳俊云.空調(diào)客車室內(nèi)三維紊流流動與傳熱數(shù)值研究[J].上海交通大學學報,1999,33(3):332-334

[5]Lander B D,Spalding D B.The numerical computation of turbule-nt flows[J].Comp.Mech.In Appl.Mech.Engng.,1974,(3):269-289

[6]中國建筑科學研究院.民用建筑供暖通風與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范(GB50736-2012)[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2012