中庭大空間分層空調(diào)CFD模擬研究

邊爭(zhēng)

同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院(集團(tuán))有限公司

0 引言

高大空間建筑空調(diào)熱舒適性與氣流組織設(shè)計(jì)難度較大，面對(duì)此類(lèi)復(fù)雜的設(shè)計(jì)對(duì)象，傳統(tǒng)的模型試驗(yàn)手段已難以滿(mǎn)足工程實(shí)踐的需求。隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，利用CFD模擬技術(shù)預(yù)測(cè)高大空間建筑空調(diào)系統(tǒng)的氣流組織、熱舒適性及優(yōu)化設(shè)計(jì)方案已逐漸成熟[1]。

運(yùn)用Airpak3．0軟件，在典型夏季設(shè)計(jì)工況下，對(duì)位于天津市的國(guó)家電網(wǎng)公司客戶(hù)服務(wù)中心北方基地工程研發(fā)樓二中庭分層空調(diào)方案的熱舒適性與氣流組織進(jìn)行了模擬研究，得到溫度、速度等參數(shù)的數(shù)值模擬結(jié)果，并結(jié)合PMV-PPD熱舒適性指標(biāo)對(duì)研發(fā)樓二中庭的分層空調(diào)方案進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)。

1 研究對(duì)象概況

分層空調(diào)是對(duì)研究對(duì)象空間下部區(qū)域進(jìn)行空氣調(diào)節(jié)，而對(duì)上部區(qū)域不進(jìn)行空氣調(diào)節(jié)。與全室空調(diào)相比，夏季可節(jié)省冷量30%左右。分層空調(diào)適于高大建筑，當(dāng)高大建筑物高度大于10m，建筑物體積大于10 000m3，空調(diào)區(qū)高度與建筑高度之比小于0．5時(shí)，才能顯示其經(jīng)濟(jì)合理性。國(guó)家電網(wǎng)公司客戶(hù)服務(wù)中心北方基地工程研發(fā)樓二中庭高度32m，中庭體積21 600 m3，采用分層空調(diào)較為適宜。

工作區(qū)為高大空間建筑必須保證溫濕度參數(shù)的區(qū)域，該中庭為舒適性空調(diào)區(qū)域，工作區(qū)高度取2m。在滿(mǎn)足使用要求的前提下，分層高度h1越小，空調(diào)能耗越低[2]：

y——射流垂直落差，m

ha——安全值，一般舒適性空調(diào)可不考慮

中庭建筑平面如圖1所示，采用全空氣送風(fēng)的空調(diào)系統(tǒng)，室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度為26℃，相對(duì)濕度為65%?？照{(diào)送風(fēng)量為50 000m3/h，送風(fēng)管安裝在中庭兩側(cè)，采用噴口側(cè)面輸送，噴口中心高度4．0m，即分層高度為4．0m。雙向?qū)姡ǘ喙善叫校┥淞魉惋L(fēng)構(gòu)成了一道水平風(fēng)幕，以此為界，中庭上部為非空調(diào)區(qū)，下部為空調(diào)區(qū)。

圖1 研發(fā)樓二中庭平面示意

2 物理模型與邊界條件

由于研發(fā)樓二中庭建筑形態(tài)較為復(fù)雜且空間大，在不影響模擬結(jié)果前提下，對(duì)中庭空間模型作適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化。

中庭空間周?chē)块g為空調(diào)房間，與模擬對(duì)象之間沒(méi)有熱傳遞，假設(shè)中庭四周墻體為絕熱壁面，壁面溫度為環(huán)境溫度。中庭頂部為玻璃天窗，中庭內(nèi)部的氣流組織將受到太陽(yáng)輻射的影響。目前，氣流組織模擬與太陽(yáng)輻射耦合求解面臨諸多問(wèn)題。例如，太陽(yáng)直射輻射和慢反射的區(qū)分等，因此一般將太陽(yáng)輻射轉(zhuǎn)化為熱流邊界[3]。人員、設(shè)備等其他近地面發(fā)熱對(duì)象簡(jiǎn)化為地面上的熱流邊界。物理模型如圖2所示，模型為長(zhǎng)45m（X方向）、寬15m（Z方向）、高32m（Y方向）的長(zhǎng)方體。

圖2 研發(fā)樓二中庭物理模型

根據(jù)設(shè)計(jì)條件，在兩側(cè)墻設(shè)定40個(gè)球型噴口，噴口間距為2．25m，中心高度為4．0m，送風(fēng)溫度為16℃，射流速度為4．5m/s。在凹廊吊頂處設(shè)定2個(gè)回風(fēng)口，風(fēng)口尺寸為2．4m×1．2m。計(jì)算模型如式（1）所示。

中庭為高大空間，近似為非等溫自由射流，射流與周?chē)橘|(zhì)密度不同，浮力和重力不平衡，射流發(fā)生變形，依據(jù)阿基米德數(shù)Ar進(jìn)行判定[3]：

式中d0——噴口直徑，m

T0——射流出口溫度，K

近幾年魔芋種植面積大幅度擴(kuò)大，但魔芋繁殖系數(shù)低，致使很多農(nóng)民抱怨買(mǎi)不到良種。魔芋有葉斑病、軟腐癥和白絹病等多種病害，其中軟腐病、白絹病是魔芋生長(zhǎng)中的“疑難雜癥”，目前并沒(méi)有有效的防治措施，每年因軟腐病導(dǎo)致減產(chǎn)達(dá)30%。魔芋種源嚴(yán)重缺乏，魔芋品種退化，抗逆性降低，再加上農(nóng)藥、肥料和人工成本，致使魔芋種植成本較高。

Tn——周?chē)諝鉁囟?，K

u0——噴口出流的平均速度，m/s

當(dāng)Ar＞0時(shí)為熱射流，Ar＜0時(shí)為冷射流，|Ar|＜0．001時(shí)，可忽略射流軸的彎曲按等溫射流計(jì)算。

3 數(shù)學(xué)模型與網(wǎng)格劃分

CFD模擬技術(shù)在室內(nèi)熱環(huán)境中的應(yīng)用是基于對(duì)室內(nèi)不可壓縮流體質(zhì)量、動(dòng)量、能量守恒微分方程的離散化處理及其數(shù)值解析。本文是一個(gè)紊流的三維穩(wěn)定流場(chǎng)流動(dòng)問(wèn)題，基于空氣紊流特性的微觀解析，采用Launder和Spalding等提出的一種平均湍流能量模型，即k-ε二方程湍流模型求解方程組[4]。

標(biāo)準(zhǔn)k-ε二方程模型是湍流動(dòng)能及其擴(kuò)散率的傳輸方程的半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?/p>

Airpak3．0可采用四面體、六面體等多種網(wǎng)格形式，本文網(wǎng)格劃分采用穩(wěn)定性極佳的六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)量約為600 000個(gè)。

4 模擬結(jié)果比較與分析

4.1 氣流組織比較分析

氣流組織設(shè)計(jì)是在空調(diào)房間內(nèi)合理布置送、回風(fēng)口，將經(jīng)過(guò)凈化和熱濕處理的空氣送入室內(nèi)，使空調(diào)房間內(nèi)空氣有組織地進(jìn)行流動(dòng)，在擴(kuò)散與混合的過(guò)程中，均勻地消除室內(nèi)余熱和余濕，從而使工作區(qū)具有舒適的空氣分布，即均為穩(wěn)定的溫度、濕度、氣流速度和潔凈度，同時(shí)保證較低的空調(diào)能耗和良好的室內(nèi)空氣品質(zhì)。

垂直方向典型斷面的溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)模擬結(jié)果如圖3所示。斷面速度場(chǎng)表明射流跡線趨勢(shì)，工作區(qū)形成空氣流動(dòng)漩渦，左右基本對(duì)稱(chēng)，中心氣流受到熱浮生力的影響向上運(yùn)動(dòng)。

以典型斷面為例，分別在距離地面0．5m、1．0m、1．5m、2．0m 高度處選取監(jiān)測(cè)點(diǎn)，分析監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的速度值，如圖4所示。結(jié)果表明，工作區(qū)內(nèi)速度絕大部分在0．5m/s以下，符合舒適性空調(diào)室內(nèi)空氣流動(dòng)速度的要求。在中庭中部區(qū)域兩側(cè)射流相遇上升，同時(shí)帶有工作區(qū)散熱量，因此該區(qū)域空氣流速超過(guò)0．5m/s。此外，由于中庭兩側(cè)空調(diào)系統(tǒng)對(duì)稱(chēng)設(shè)計(jì)，速度場(chǎng)模擬結(jié)果也反映了這一特點(diǎn)。

圖3 中庭典型斷面溫度場(chǎng)/速度場(chǎng)分布

圖4 中庭典型斷面速度場(chǎng)分析

以典型斷面為例，分別在距離地面0．5m、1．0m、1．5m、2．0m高度處選取監(jiān)測(cè)點(diǎn)，分析監(jiān)測(cè)點(diǎn)處溫度值，如圖5所示。結(jié)果表明，工作區(qū)內(nèi)溫度絕大部分處于26℃左右，滿(mǎn)足舒適性空調(diào)室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度的要求。在中庭中部區(qū)域，帶有工作區(qū)散熱量的兩股射流相遇，此處溫度略高，這也與速度場(chǎng)分析具有一致的結(jié)果。

圖5 中庭典型斷面溫度場(chǎng)分析

在與噴口距離分別為2m、4m、6m、8m處分析沿垂直方向溫度的變化趨勢(shì)，如圖6所示。結(jié)果表明，在距離地面3m以下，溫度值均處于25℃～26．5℃的范圍內(nèi)，該溫度范圍滿(mǎn)足人員工作區(qū)內(nèi)舒適度的要求。隨著距離的增加，溫度值逐漸增加，到屋頂附件溫度值達(dá)到最大，接近室外環(huán)境溫度。上述分析表明了分層空調(diào)垂直高度溫度分布的特點(diǎn)，分層空調(diào)在人員工作區(qū)的溫度確保滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，非工作區(qū)溫度高于設(shè)計(jì)溫度，具有節(jié)能的意義。

圖6 中庭垂直高度方向溫度變化曲線

4.2 熱舒適性評(píng)價(jià)指標(biāo)分析

1984年，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織提出了室內(nèi)熱環(huán)境的評(píng)價(jià)與測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)方法（ISO7726），以PMV-PPD指標(biāo)來(lái)描述和評(píng)價(jià)熱環(huán)境[5]。該指標(biāo)綜合考慮人體活動(dòng)程度、衣服熱阻、室內(nèi)空氣溫濕度、平均輻射溫度、空氣流速等。該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)PMV-PPD指標(biāo)的推薦值為：PPD＜10%，即PMV值在-0．5～+0．5之間。通過(guò)CFD模擬手段對(duì)中庭的PMV-PPD指標(biāo)進(jìn)行預(yù)測(cè)，結(jié)果如圖7所示。在人員工作區(qū)即距離地面2m以?xún)?nèi)，PPD值低于10%，PMV值處于-0．5～+0．5之間，這表明平均預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)PMV與預(yù)期不滿(mǎn)意百分率PPD處于合理的范圍。

圖7 熱舒適性評(píng)價(jià)指標(biāo)比較

4.5 經(jīng)濟(jì)節(jié)能分析

在夏季工況下，采用分層空調(diào)系統(tǒng)冷負(fù)荷僅為全室空調(diào)系統(tǒng)冷負(fù)荷的50%～85%[2]，冷負(fù)荷降低可有效減小空調(diào)送風(fēng)量，減小空調(diào)箱風(fēng)機(jī)能耗，減小風(fēng)管尺寸，節(jié)省建筑層高。同時(shí)，可降低冷水機(jī)組的容量、降低空調(diào)系統(tǒng)的初期投資。

5 結(jié)論

由前述的CFD模擬和分析可見(jiàn)，在典型夏季工況下，國(guó)家電網(wǎng)公司客戶(hù)服務(wù)中心北方基地工程研發(fā)樓二中庭分層空調(diào)方案基本滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

（1）采用CFD模擬了研發(fā)樓二中庭分層空調(diào)系統(tǒng)方案的氣流組織，分析比較了工作區(qū)空氣流速、工作區(qū)與非工作區(qū)垂直溫度、熱舒適性評(píng)價(jià)PMV-PPD指標(biāo)和典型斷面溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)，結(jié)果表明該分層空調(diào)方案能夠滿(mǎn)足工作區(qū)舒適性要求，氣流組織設(shè)計(jì)合理。

（2）分層空調(diào)應(yīng)用于高大空間建筑降低了初期投資和運(yùn)行費(fèi)用。

（3）應(yīng)用CFD模擬分析高大空間建筑空調(diào)系統(tǒng)方案，對(duì)其氣流組織、熱舒適性等進(jìn)行評(píng)價(jià)，對(duì)相關(guān)工程具有指導(dǎo)意義。