基于CFD模擬的閱覽室空調(diào)方案優(yōu)選*

呂 潔， 王旭斌， 邱 旭， 呂慧潔

(沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院， 沈陽(yáng) 110870)

隨著社會(huì)的發(fā)展和人民生活水平的進(jìn)步，空調(diào)系統(tǒng)作為控制室內(nèi)熱環(huán)境和濕環(huán)境的重要手段，廣泛地應(yīng)用在現(xiàn)代建筑當(dāng)中.空調(diào)方案需要從經(jīng)濟(jì)型指標(biāo)、功能性指標(biāo)、能耗指標(biāo)等方面進(jìn)行考慮[1]，常規(guī)的典型房間一般都有對(duì)應(yīng)適用的空調(diào)系統(tǒng)形式和氣流組織形式可供選擇.例如，高大空間房間常采用全空氣系統(tǒng)和噴口送風(fēng)形式，低層高、小面積房間多采用風(fēng)機(jī)盤(pán)管加新風(fēng)系統(tǒng)和散流器送風(fēng)形式等.由于建筑形式日益呈現(xiàn)多樣化發(fā)展，很多形式迥異的建筑空間如低層高的大空間、中庭設(shè)有與室外相通的景觀區(qū)等，這些房間在選擇空調(diào)方案時(shí)，根據(jù)以上指標(biāo)不容易確定合適的空調(diào)方案，這時(shí)可以通過(guò)CFD數(shù)值模擬空調(diào)方案的實(shí)際應(yīng)用效果進(jìn)行輔助選擇，選出較優(yōu)的空調(diào)方案，實(shí)現(xiàn)與建筑的最優(yōu)搭配.

1 建筑概況與空調(diào)方案選擇

1.1 建筑概況

本文以西安市某大學(xué)新校區(qū)圖書(shū)館閱覽室的空調(diào)系統(tǒng)為研究對(duì)象，閱覽室長(zhǎng)84 m(對(duì)應(yīng)x軸)，最大寬度24 m，最小寬度16 m(對(duì)應(yīng)z軸)，層高4.5 m(對(duì)應(yīng)y軸)，建筑面積1 456 m2，平面圖如圖1所示(單位：mm)，該閱覽室有別于一般閱覽室，具有大空間、低層高的特點(diǎn).

1.2 空調(diào)方案選擇

閱覽室作為高校圖書(shū)館建筑的核心空間，為給讀者創(chuàng)造現(xiàn)代、舒適的學(xué)習(xí)環(huán)境，大空間、開(kāi)放性設(shè)計(jì)是其發(fā)展趨勢(shì)，具有讀者集中、人數(shù)在全年和一天內(nèi)的變化大、人員流動(dòng)性大，人員坐位變化大、人員來(lái)自全國(guó)各地導(dǎo)致對(duì)熱環(huán)境要求不統(tǒng)一、書(shū)架與閱覽桌同在一室和噪聲標(biāo)準(zhǔn)要求高等特點(diǎn)，對(duì)空調(diào)系統(tǒng)要求能夠進(jìn)行個(gè)性化調(diào)節(jié)，能夠按實(shí)際負(fù)荷進(jìn)行運(yùn)行控制，需要考慮書(shū)架對(duì)送風(fēng)氣流的影響，以及對(duì)系統(tǒng)節(jié)能管理等要求.能夠滿足以上部分或全部特點(diǎn)的空調(diào)系統(tǒng)主要有：1)變風(fēng)量(variable air volume，VAV)空調(diào)系統(tǒng)[2-3]；2)定風(fēng)量(constant air volume，CAV)空調(diào)系統(tǒng)；3)誘導(dǎo)式空調(diào)系統(tǒng)；4)風(fēng)機(jī)盤(pán)管加獨(dú)立新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)；5)吊柜式空調(diào)系統(tǒng)，如表1所示.

圖1 圖書(shū)館閱覽室平面圖Fig.1 Plan diagram of library reading room

方案指標(biāo)VAVCAV誘導(dǎo)式風(fēng)盤(pán)加新風(fēng)吊柜式初投資大小中中中噪聲中小大中中運(yùn)行能耗小大中小小空間占用大大小小小靈活調(diào)節(jié)中低中大中

除表1中特點(diǎn)之外，VAV系統(tǒng)控制復(fù)雜，在低負(fù)荷時(shí)會(huì)造成溫度分布不均勻；CAV系統(tǒng)的過(guò)濾、除濕及濕度控制能力較強(qiáng)，新風(fēng)比可調(diào)，維護(hù)管理方便，但是機(jī)房面積大，存在交叉污染[4].

綜合上述各空調(diào)系統(tǒng)在初投資、噪聲污染、空調(diào)能耗、占用空間、靈活調(diào)節(jié)能力等方面的比較，風(fēng)機(jī)盤(pán)管加獨(dú)立新風(fēng)空調(diào)方案和吊柜式空調(diào)系統(tǒng)方案更適合應(yīng)用于閱覽室內(nèi)，孰優(yōu)孰劣需要結(jié)合氣流組織形式進(jìn)行室內(nèi)應(yīng)用效果的模擬研究.前者在大空間應(yīng)用時(shí)需要采用散流器頂送方式，后者可以采用側(cè)送和頂送兩種氣流組織方式，由于研究對(duì)象是低層高建筑，為減少空間占用，采用側(cè)送方式進(jìn)行模擬.

2 模型介紹

2.1 物理模型

根據(jù)房間平面尺寸在閱覽室內(nèi)布置5排桌子和5排書(shū)架，考慮閱覽室平均使用情況設(shè)置5臺(tái)電腦，10名學(xué)生，內(nèi)外墻上均有窗戶，其數(shù)量與尺寸如表2所示.桌子和書(shū)架均按長(zhǎng)方體考慮.

表2 各個(gè)模型的幾何尺寸Tab.2 Geometry size of each model

對(duì)風(fēng)機(jī)盤(pán)管頂棚送風(fēng)(以下簡(jiǎn)稱方案1)和吊柜式空調(diào)器射流送風(fēng)(以下簡(jiǎn)稱方案2)分別進(jìn)行模擬，模擬工況中送回風(fēng)口的布置方式、尺寸和送風(fēng)速度如表3所示.

表3 送風(fēng)方案Tab.3 Air supply scheme

圖2 方案1模型圖Fig.2 Scheme 1 model diagram

圖3 方案2模型圖Fig.3 Scheme 2 model diagram

2.2 數(shù)學(xué)模型的建立

隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，計(jì)算流體力學(xué)(CFD)方法成本低、計(jì)算速度快、周期短、結(jié)果良好等優(yōu)點(diǎn)逐漸受到研究人員的青睞[5].本文選用FLUENT作為研究工具，F(xiàn)LUENT提供了非常靈活的網(wǎng)格特性，具有自動(dòng)的非結(jié)構(gòu)化、結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格生成能力，支持四面體、六面體以及混合網(wǎng)格.

CFD模塊主要包括三個(gè)部分：第一部分是前處理模塊，第二部分是求解模塊，第三部分是后處理模塊[6].這三大模塊各有其獨(dú)特的作用.

空調(diào)房間的送回風(fēng)過(guò)程是湍流流動(dòng)過(guò)程[7]，本文做出以下假設(shè)：1)忽略經(jīng)過(guò)玻璃的太陽(yáng)熱量以及房間內(nèi)部固體壁面與物體間輻射熱的影響[8]；2)閱覽室內(nèi)空氣為低速、不可壓縮狀態(tài)，符合Boussinesq假設(shè)[9]；3)不考慮房間的冷風(fēng)滲透影響，認(rèn)為房間密閉性良好；4)室內(nèi)空氣流動(dòng)為穩(wěn)態(tài)湍流[10].

根據(jù)以上假設(shè)，本文采用FLUENT中常用的標(biāo)準(zhǔn)k-ε兩方程湍流模式，控制方程有連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、能量方程、湍流脈動(dòng)動(dòng)能方程(k方程)和湍流能量耗散率方程(ε方程)，在不考慮閱覽室室內(nèi)自定義源項(xiàng)的情況下，k方程和ε方程分別簡(jiǎn)化為

(1)

(2)

湍流粘性系數(shù)[10]為

(3)

式中：k為湍動(dòng)能；ε為湍流耗散率；μ為動(dòng)力粘度；ρ為流體密度；cε1、cε2為常數(shù)，其值為cε1=1.45，cε2=1.92；σk、σε為湍流數(shù)，其值為σk=1.0，σε=1.3.

根據(jù)該設(shè)備設(shè)計(jì)參數(shù)，一次性堆高2.5 m，每日分2層即上午、下午各1層，每日暴露面可以控制在40 m×10 m×5 m或20 m×20 m×5 m，晚間噴藥除臭的最小頂面面積約400 m2。

2.3 邊界條件的設(shè)置

邊界條件的設(shè)置如下：

1) 室外計(jì)算參數(shù)：夏季空調(diào)室外計(jì)算干球溫度為35.1 ℃，夏季空調(diào)室外計(jì)算濕球溫度為25.8 ℃.

2) 室內(nèi)計(jì)算參數(shù)：夏季室內(nèi)干球溫度為25 ℃，相對(duì)濕度為55%.

3) 外墻：該閱覽室有東、西、南三邊外墻，忽略太陽(yáng)輻射，本文模擬時(shí)，采用35 ℃.

4) 內(nèi)墻：由于相鄰的房間均為空調(diào)房間，所以內(nèi)墻的邊界條件設(shè)置為無(wú)溫差的絕熱邊界條件.

5) 門(mén)窗：為簡(jiǎn)化模擬過(guò)程，在模擬時(shí)窗戶和門(mén)一直處于關(guān)閉狀態(tài).不考慮冷風(fēng)滲透的影響，可把門(mén)窗的邊界條件看成墻體考慮.

6) 頂板和地板：該閱覽室位于圖書(shū)館四樓，樓層上下均設(shè)置有空調(diào)系統(tǒng)，所以頂板和地板的邊界條件設(shè)置為無(wú)溫差的絕熱邊界條件.

7) 書(shū)桌和書(shū)架：書(shū)桌和書(shū)架的邊界條件類型均設(shè)置成WALL，以墻體考慮，不考慮邊界面溫度的衰減，本文認(rèn)為書(shū)桌和書(shū)架的邊界面溫度與室內(nèi)溫度保持一致為25 ℃.

8) 送風(fēng)口：入口邊界條件定義為速度入口(velocity-inlet)，其送風(fēng)口速度如表3所示.

9) 出風(fēng)口：出風(fēng)口的邊界條件設(shè)置為OUTFLOW.

3 模擬結(jié)果和造價(jià)分析

在夏季空調(diào)運(yùn)行的情況下，不考慮室內(nèi)外窗戶和門(mén)的開(kāi)啟情況對(duì)室內(nèi)氣流的影響，從模擬結(jié)果的室內(nèi)溫度云圖和速度云圖分布來(lái)分析兩種不同的空調(diào)方案的應(yīng)用效果.

3.1 模擬結(jié)果分析

3.1.1 溫度場(chǎng)模擬結(jié)果分析

圖4、5為方案1和方案2條件下y=1.5 m截面的溫度分布云圖.

圖4 方案1 y=1.5 m的空氣溫度分布云圖Fig.4 Air temperature distributionin scheme 1 with y=1.5 m

圖5 方案2 y=1.5 m的空氣溫度分布云圖Fig.5 Air temperature distributionin scheme 2 with y=1.5 m

從水平方向來(lái)看，由圖4可以看出，當(dāng)采用方案1時(shí)，人員靜坐(y=1.5 m)區(qū)域溫度分布相對(duì)均勻，溫差約在1～2 ℃之間，無(wú)明顯的溫度差別；在圖4的右部區(qū)域，由于書(shū)櫥對(duì)送風(fēng)氣流的擾流作用導(dǎo)致部分氣流聚集在書(shū)櫥處，致使溫度相比左部區(qū)域要低約2 ℃，但是該區(qū)域人員流動(dòng)量大，逗留時(shí)間較短，對(duì)室內(nèi)人員的舒適性無(wú)明顯的影響.由圖5可以看出，當(dāng)采用方案2時(shí)，人員靜坐(y=1.5 m)區(qū)域出現(xiàn)明顯的空氣分布不均勻現(xiàn)象，閱覽室的中心區(qū)域溫度明顯高于房間的兩端，溫差約在5～6 ℃之間；閱覽室的書(shū)櫥區(qū)域溫度明顯低于書(shū)桌區(qū)域，這是因?yàn)樯淞魉惋L(fēng)風(fēng)口設(shè)于閱覽室的兩側(cè)，由于書(shū)櫥高度的原因，會(huì)阻礙室內(nèi)部分氣流的擴(kuò)散，導(dǎo)致書(shū)櫥區(qū)域氣流聚集，溫度過(guò)低，人員的熱舒適性很差.從圖4、5的比較可以得出，方案1下閱覽室內(nèi)溫度分布更均勻.

圖6～9為方案1條件下：x=3 m截面、x=19 m截面、x=27 m截面、x=35 m截面的溫度分布云圖.圖10～13為方案2條件下：x=3 m截面、x=19 m截面、x=27 m截面、x=35 m截面的溫度分布云圖.

圖6 方案1 x=3 m的空氣溫度分布云圖Fig.6 Air temperature distributionin scheme 1 with x=3 m

圖7 方案1 x=19 m的空氣溫度分布云圖Fig.7 Air temperature distributionin scheme 1 with x=19 m

從垂直方向來(lái)看，當(dāng)采用方案1時(shí)，從圖6～9的溫度云圖中可以看出，隨著房間進(jìn)深的不斷加大，人員周圍雖然有溫度分層現(xiàn)象，但是垂直溫差不超過(guò)2 ℃，根據(jù)美國(guó)ASHRAE55-2013標(biāo)準(zhǔn)，建議地面上方0.1～0.8 m之間垂直溫差不超過(guò)3 ℃，溫差越小越好.當(dāng)采用方案2時(shí)，從圖10～13的溫度云圖可以看出，由于桌子對(duì)部分氣流的擾流作用，導(dǎo)致在桌子附近處空氣溫度要高于桌子以外的空氣溫度，而且隨著房間進(jìn)深的不斷加大，人員周圍有明顯的溫度分層現(xiàn)象.從圖13中可以看出，人員頭部區(qū)域溫度大概在19～20 ℃，腳部區(qū)域溫度大概在24～25 ℃，垂直溫差在5～6 ℃之間，垂直溫差較大，導(dǎo)致人員的熱舒適性很差.由此可知，方案2不適合低層高大空間的房間.

圖8 方案1 x=27 m的空氣溫度分布云圖Fig.8 Air temperature distributionin scheme 1 with x=27 m

圖9 方案1 x=35 m的空氣溫度分布云圖Fig.9 Air temperature distributionin scheme 1 with x=35 m

圖10 方案2 x=3 m的空氣溫度分布云圖Fig.10 Air temperature distributionin scheme 2 with x=3 m

圖11 方案2 x=19 m的空氣溫度分布云圖Fig.11 Air temperature distributionin scheme 2 with x=19 m

圖12 方案2 x=27 m的空氣溫度分布云圖Fig.12 Air temperature distributionin scheme 2 with x=27 m

圖13 方案2 x=35 m的空氣溫度分布云圖Fig.13 Air temperature distributionin scheme 2 with x=35 m

3.1.2 速度場(chǎng)模擬結(jié)果分析

圖14、15為方案1和方案2條件下y=1.5 m截面的速度分布云圖.由圖14可以看出，當(dāng)采用方案1時(shí)，人員靜坐(y=1.5 m)區(qū)域速度分布相對(duì)較穩(wěn)定，送風(fēng)速度最高可達(dá)0.35 m/s，通風(fēng)效果較好，在人員工作區(qū)域，空氣流速維持在0.21～0.28 m/s之間，不會(huì)使閱覽室內(nèi)學(xué)生有吹冷風(fēng)的感覺(jué).由圖15可以看出，當(dāng)采用方案2時(shí)，人員靜坐(y=1.5 m)區(qū)域速度分布有明顯的不均勻現(xiàn)象，在閱覽室房間兩側(cè)室內(nèi)空氣速度為0.17～0.23 m/s之間，在房間中部區(qū)域，速度降為0.016～0.032 m/s之間，部分區(qū)域速度急劇下降趨于零，由此看出該區(qū)域通風(fēng)效果是最不利的.由此可知，方案2不適合低層高大空間的房間.

圖14 方案1 y=1.5 m的空氣速度分布云圖Fig.14 Air velocity distribution inscheme 1 with y=1.5 m

圖15 方案2 y=1.5 m的空氣速度分布云圖Fig.15 Air velocity distribution inscheme 2 with y=1.5 m

3.2 空調(diào)方案造價(jià)分析

從造價(jià)方面分析，已知閱覽室室內(nèi)冷負(fù)荷為59 788.3 W，室內(nèi)新風(fēng)量為8 730 m3/h，根據(jù)室內(nèi)冷負(fù)荷和室內(nèi)新風(fēng)量選取合適的空調(diào)機(jī)組.方案1中共需風(fēng)機(jī)盤(pán)管機(jī)組22臺(tái)，新風(fēng)機(jī)組1臺(tái)，方案2中共需吊柜機(jī)機(jī)組2臺(tái)，新風(fēng)機(jī)組2臺(tái)，其選型與造價(jià)如表4所示.

從表4中可以得出，采用方案1時(shí)總造價(jià)為12 200元.采用方案2時(shí)總造價(jià)為18 400元.由于空調(diào)機(jī)組的型號(hào)、品牌等不同，每臺(tái)機(jī)組的市場(chǎng)價(jià)也不相同，以上對(duì)空調(diào)機(jī)組選型的造價(jià)均為平均價(jià)格.從空調(diào)方案的造價(jià)分析可以得出，方案2的造價(jià)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于方案1的造價(jià)，所以方案1更適合閱覽室內(nèi)應(yīng)用.

表4 風(fēng)機(jī)盤(pán)管和新風(fēng)機(jī)組的選型與造價(jià)Tab.4 Selection and cost of fan coil and fresh air unit

4 結(jié) 論

空調(diào)方案的選擇對(duì)室內(nèi)的熱環(huán)境和熱舒適性有著重要影響，本文在常規(guī)空調(diào)方案選擇的各項(xiàng)指標(biāo)基礎(chǔ)上利用FLUENT軟件通過(guò)對(duì)低層高大空間的閱覽室內(nèi)風(fēng)機(jī)盤(pán)管加獨(dú)立新風(fēng)頂棚送風(fēng)和吊柜式空調(diào)系統(tǒng)射流送風(fēng)進(jìn)行模擬分析，得出了最優(yōu)空調(diào)方案.

1) 吊柜式空調(diào)系統(tǒng)射流送風(fēng)可以創(chuàng)造良好的熱環(huán)境，但是部分送風(fēng)氣流受到桌子和書(shū)櫥的擾流作用，致使房間內(nèi)溫度分布不均勻，人員附近垂直溫差較大.吊柜式空調(diào)系統(tǒng)射流送風(fēng)方式不適合低層高大空間類型房間.

2) 風(fēng)機(jī)盤(pán)管加獨(dú)立新風(fēng)頂棚送風(fēng)方式，室內(nèi)溫度場(chǎng)均勻，人員附近垂直溫差小，能夠給室內(nèi)人員提供良好的舒適性，適用于低層高大空間房間.

3) 通過(guò)CFD模擬輔助選擇空調(diào)方案是可行的.