某調(diào)度大廳氣流組織及熱環(huán)境模擬分析

摘要：針對目前鐵路調(diào)度樓調(diào)度大廳室內(nèi)熱環(huán)境要求較高，對調(diào)度大廳室內(nèi)氣流組織采用CFD軟件進(jìn)行模擬，通過對兩種方案比較，得出最佳送回風(fēng)形式，從而為類似工程提供參考。

關(guān)鍵詞：CFD；氣流組織；熱環(huán)境

1.項(xiàng)目簡介：

某調(diào)度樓共有11層，其中十一層為調(diào)度大廳。大廳面積約890㎡，送風(fēng)口高度確定為5.5m，送風(fēng)口配合裝修要求，采用雙層百葉風(fēng)口送風(fēng)。

此次研究以國內(nèi)主流CFD軟件[1]PHOENICS作為分析工具，該軟件開發(fā)的FLAIR模塊是針對暖通空調(diào)系統(tǒng)（HVAC）專門開發(fā)的CFD計算模塊。用來預(yù)測建筑物或封閉空間中的空氣流動、溫度分布、熱舒適評價等具有較好的準(zhǔn)確度。

2.設(shè)計要求及邊界條件

2.1 設(shè)計要求

調(diào)度大廳要求24小時辦公，對室內(nèi)熱舒適度要求較高。

溫濕度滿足我國規(guī)范[2]要求：溫度為24～26（℃）、風(fēng)速≤0.25（m/s）、相對濕度40～60（%）。

熱舒適度等級滿足我國規(guī)范[3]要求：-0.5≤PMV≤0.5、PPD≤10%。

2.2 初始邊界條件

（1）送風(fēng)參數(shù)及送回風(fēng)形式

送風(fēng)口尺寸：風(fēng)口采用雙層百葉，800×600mm；送回風(fēng)形式為上送側(cè)回。

（2）熱源設(shè)定

人員散濕量96g/h，散熱量134W，人員68人，室內(nèi)總負(fù)荷202.6kW，濕負(fù)荷0.0018kg/s，圍護(hù)結(jié)構(gòu)冷指標(biāo)見表2.2-1。

表2.2-1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)冷指標(biāo)

熱源位置顯熱量冷負(fù)荷指標(biāo)

東北外墻4.684kW5.00W/m2

西南外墻1.476kW1.58W/m2

東南外墻8.936kW9.54W/m2

屋頂7.292kW7.78W/m2

（3）CO2濃度的設(shè)定

設(shè)定大氣環(huán)境中CO2背景濃度為385ppm，人員呼吸產(chǎn)生的CO2為0.01g/（人·s），整個調(diào)度大廳共計68人，新風(fēng)量為6800m3/h。

（4）模型尺寸

調(diào)度大廳模型尺寸：L×W×H=43m×21.8m×5.5m；CFD模型如圖2.2-1所示。

圖2.2-1 調(diào)度大廳CFD模型

2.3 研究流程

此次對室內(nèi)熱環(huán)境的研究思路如圖2.3-1所示：

圖2.3-1 研究流程圖

2.4 各方案邊界條件簡介

各方案邊界條件調(diào)整如下。

初始方案：根據(jù)以上邊界條件進(jìn)行模擬分析，采用上送側(cè)回形式，其中室內(nèi)風(fēng)口布置如下圖3.1-1，風(fēng)口的送風(fēng)溫度為16℃，風(fēng)速為0.63m/s，模擬結(jié)果如下圖3.1-2所示。

上送側(cè)回的改進(jìn)方案：根據(jù)初始方案的計算結(jié)果，此次方案中將內(nèi)墻側(cè)風(fēng)口數(shù)量減少，風(fēng)口總量變?yōu)?7個，風(fēng)口的送風(fēng)溫度為16℃，風(fēng)口尺寸為800x600mm；室內(nèi)最初設(shè)計溫度為24～26℃，根據(jù)熱平衡進(jìn)行計算，將送風(fēng)速度設(shè)為1.1m/s；

上送上回方案的對比分析：由于初設(shè)方案已經(jīng)基本能夠滿足設(shè)計要求，此次計算以初始方案的風(fēng)口布置為基礎(chǔ)，將回風(fēng)口置于房間頂部與初始方案進(jìn)行對比計算，送風(fēng)口布置及數(shù)量保持不變，風(fēng)口的送風(fēng)溫度為16℃。

3.室內(nèi)溫度及風(fēng)速分析

3.1 初始方案

根據(jù)以上邊界條件進(jìn)行模擬分析，其中室內(nèi)風(fēng)口布置如下圖3.1-1所示，風(fēng)口的送風(fēng)溫度為16℃，風(fēng)速為0.63m/s，模擬結(jié)果如下圖3.1-2所示。

圖3.1-1 初始方案空調(diào)送風(fēng)口布置 圖3.1-2 1.0m高度溫度分布

從圖3.2-1模擬結(jié)果可以看出，此方案室內(nèi)溫度場均勻性基本能夠滿足要求，但中間區(qū)域溫度仍偏高，約在29℃左右。

3.2 上送側(cè)回的改進(jìn)方案

根據(jù)初始方案的計算結(jié)果，此次方案中將內(nèi)墻側(cè)風(fēng)口數(shù)量減少，風(fēng)口總量變?yōu)?7個，風(fēng)口的送風(fēng)溫度為16℃，風(fēng)口尺寸為800x600mm，如下圖3.2-1所示；室內(nèi)最初設(shè)計溫度為24～26℃，根據(jù)熱平衡進(jìn)行計算，將送風(fēng)速度設(shè)為1.1m/s；

改進(jìn)方案計算結(jié)果如下圖3.2-2～3.2-4所示：

圖3.2-1 風(fēng)口布置 圖3.2-2 1.0m高度溫度分布

圖3.2-3 調(diào)度大廳豎直溫度分布一 圖3.2-4 調(diào)度大廳豎直溫度分布二

溫度計算結(jié)果表明，對送風(fēng)口數(shù)量及送風(fēng)速度進(jìn)行調(diào)整后，調(diào)度大廳的溫度場已經(jīng)能夠滿足設(shè)計要求，調(diào)度人員座位附近溫度基本維持在24～25℃之間。

室內(nèi)風(fēng)速分布如下圖3.2-5所示：

圖3.2-5 1.0m高度風(fēng)速分布

人員活動區(qū)大部位區(qū)域風(fēng)速在0.2～0.46m/s左右，略高于設(shè)計要求中關(guān)于風(fēng)速的要求。

3.3 上送上回方案的對比分析

由于改進(jìn)方案已經(jīng)基本能夠滿足設(shè)計要求，此次計算改進(jìn)方案的風(fēng)口布置為基礎(chǔ)，將回風(fēng)口置于房間頂部與改進(jìn)方案進(jìn)行對比計算，送風(fēng)口布置及數(shù)量保持不變，風(fēng)口的送風(fēng)溫度為16℃，風(fēng)口布置如下圖3.3-1所示。

圖3.3-1 上送上回方案風(fēng)口布置 圖3.3-2 1.0m高度溫度分布

圖3.3-3 豎直溫度分布一 圖3.3-4 豎直溫度分布二

由圖3.3-2～3.3-4所示，改變回風(fēng)口位置后，調(diào)度大廳的溫度場分布更加均勻，區(qū)域溫差有所減小，人員座位區(qū)域基本維持在24℃；過道及靠近內(nèi)墻區(qū)域溫度偏低，約為22℃。

室內(nèi)風(fēng)速分布如下圖3.3-5所示：

圖3.3-5 1.0m高度風(fēng)速分布

人員活動區(qū)大部位區(qū)域風(fēng)速在0.03～0.25m/s左右，基本滿足設(shè)計要求中關(guān)于風(fēng)速的要求。

由此可見，上送上回方案要優(yōu)于上送側(cè)回方案。

4.室內(nèi)熱舒適評價

丹麥學(xué)者Fanger提出用PMV-PPD指標(biāo)以及美國ASHRAE采用的有效溫度ET*指標(biāo)來衡量室內(nèi)的熱舒適狀況[4]。

PMV指標(biāo)預(yù)計了大多數(shù)人群在同樣環(huán)境下的平均熱感覺。但是由于個體的差異，不可能存在某中任何人都感覺舒適的熱環(huán)境。為了確定不舒適的人數(shù)，F(xiàn)anger用PPD（預(yù)計不滿意百分比）來描述。

4.1 初始方案

室內(nèi)人員采用坐姿時，活動高度處PMV、PPD分布如下圖4.1-1、圖4.1-2所示：

圖4.1-1 1.0m高度PMV分布 圖4.1-2 1.0m高度PPD分布

從以上模擬結(jié)果可以看出，室內(nèi)溫度場均勻性基本滿足要求，但PMV值仍有部分區(qū)域超過了0.5，故該方案仍需進(jìn)一步改進(jìn)。

4.2 上送側(cè)回的改進(jìn)方案

活動高度處PMV、PPD分布如下圖4.2-1、圖4.2-2所示：

圖4.2-1 1.0m高度PMV分布 圖4.2-2 1.0m高度PPD分布

從以上模擬結(jié)果可知，人員主要活動區(qū)域PMV值基本能夠滿足-0.5≤PMV≤0.5的要求，風(fēng)口正下方PPD不滿意率高于其他區(qū)域，但由于風(fēng)口布置錯開了人員座位，故主要人員活動區(qū)域PPD≤10%。基本滿足設(shè)計要求中的規(guī)定，但仍有少量人員活動區(qū)域PPD達(dá)到了15%。此時，該區(qū)域CO2濃度如下圖4.2-3所示。

圖4.2-3 1.0m高度CO2分布

各區(qū)域CO2濃度變化不大，基本保持在640ppm～700ppm之間，滿足室內(nèi)人員衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)要求。

可見，改進(jìn)方案較初始方案有了提高，人員主要逗留區(qū)域風(fēng)速略高于設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)要求，部分區(qū)域PPD大于10%，但已經(jīng)基本能夠滿足設(shè)計要求。

4.3 上送上回方案的對比分析

活動高度處PMV、PPD分布如下圖4.3-1、圖4.3-2所示：

圖4.3-1 1.0m高度PMV分布 圖4.3-2 1.0m高度PPD分布

從以上模擬結(jié)構(gòu)可知，人員主要活動區(qū)域PMV值在0.17～-0.37之間，基本能夠滿-0.5≤PMV≤0.5的要求，風(fēng)口正下方PPD不滿意率高于其他區(qū)域，但主要人員活動區(qū)域PPD≤10%。滿足設(shè)計要求中的有關(guān)規(guī)定。此時，該區(qū)域CO2濃度如下圖4.2-3所示。

圖4.2-3 人員活動區(qū)高度CO2分布

各區(qū)域CO2濃度變化不大，基本保持在520ppm～720ppm之間，滿足室內(nèi)人員衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)要求。

綜合PMV-PPD和CO2濃度場的結(jié)果，上送上回方案要優(yōu)于上送側(cè)回方案。

5.研究結(jié)論

調(diào)度所調(diào)度大廳屬于對空氣環(huán)境要求高且24h 工作的場所，通過對不同風(fēng)口布置及不同風(fēng)口數(shù)量情況下的室內(nèi)溫度場、速度場、PMV-PPD和CO2濃度場進(jìn)行模擬分析，得出以下結(jié)論：

1.設(shè)計中充分考慮了人員所需新風(fēng)量，設(shè)計值100m3/h·人能較好的改善室內(nèi)空氣質(zhì)量，室內(nèi)穩(wěn)定狀態(tài)時CO2人員活動區(qū)最高濃度在720ppm以下，滿足設(shè)計規(guī)范[5]中CO2濃度小于1000ppm中規(guī)定的的標(biāo)準(zhǔn)。

2.計算中對風(fēng)口的尺寸、布置及數(shù)量進(jìn)行了對比分析，結(jié)果表明，采用百葉風(fēng)口時，宜采用較多風(fēng)口數(shù)量，風(fēng)口尺寸應(yīng)較大以降低風(fēng)速（降低氣流噪聲），滿足人員活動區(qū)風(fēng)速要求。最優(yōu)方案中，確定送風(fēng)口尺寸為800mm x 600mm，送風(fēng)風(fēng)速為1.1m/s，負(fù)荷較大的外側(cè)區(qū)域送風(fēng)口宜保證每個座位一個送風(fēng)口，內(nèi)側(cè)區(qū)域負(fù)荷較小，可適當(dāng)減少風(fēng)口數(shù)量以保證溫度場的均勻性。

3.從溫度場的均勻性、室內(nèi)風(fēng)速、PMV-PPD和CO2濃度場等指標(biāo)來看，通過采用上送上回與上送側(cè)回方案對比分析可知，采用上送上回方案時，十一層調(diào)度大廳室內(nèi)環(huán)境均能滿足要求，故確定上送上回方案為最終空調(diào)方案。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王福軍.計算流體動力學(xué)分析—CFD軟件原理與應(yīng)用.北京：清華大學(xué)出版社，2005

[2] 《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》GB50736-2012

[3] 《中等熱環(huán)境 PMV 和PPD 指數(shù)的測定及熱舒適條件的規(guī)定》GB/T 18049

[4] 朱穎心.建筑環(huán)境學(xué).北京：中國建筑工業(yè)出版社，2005

[5] 《室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 18883-2002