關(guān)于大空間水世界空調(diào)氣流組織模擬研究與優(yōu)化

陳欣 崔娜 趙巖

摘 要：針對目前國內(nèi)蓬勃發(fā)展的室內(nèi)水樂園特點，通過CFD氣流模擬，對全空氣空調(diào)系統(tǒng)不同氣流組織下室內(nèi)冬夏季溫度分布情況進行了分析，為今后室內(nèi)水樂園空調(diào)形勢的選擇及空調(diào)系統(tǒng)的排布設(shè)計提供參考。

關(guān)鍵詞：室內(nèi)水樂園;CFD氣流模擬;氣流組織

中圖分類號：TU831? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：2096-6903（2022）09-0094-03

0引言

近年來，隨著國內(nèi)文旅產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，各類室內(nèi)水樂園類項目在全國各大城市不斷投入建設(shè)和運營。室內(nèi)水樂園項目不同于傳統(tǒng)泳池項目。首先，室內(nèi)水樂園一般屬于高大空間，常規(guī)水樂園凈高在30～35 m之間，且一般為鋼結(jié)構(gòu)屋面;其次，室內(nèi)水樂園的涉水面積遠大于游泳池的水面面積;再次，水樂園的冬季室內(nèi)設(shè)計溫度一般比游泳池高2℃～3℃;最后，室內(nèi)水樂園業(yè)態(tài)復(fù)雜，多包括餐飲、休息、商業(yè)等多種形式，與傳統(tǒng)泳池單一的泳池區(qū)有所區(qū)別。

從空調(diào)專業(yè)角度考慮，針對室內(nèi)水樂園以上幾個特點，空調(diào)系統(tǒng)的氣流組織在空調(diào)設(shè)計中尤為重要，對于高大空間，一般采用分層空調(diào)的形式，送風(fēng)口的位置和形式需要同時考慮室內(nèi)溫度場的分布和節(jié)能兩個方面的因素，鋼結(jié)構(gòu)屋面結(jié)露問題更為突出。室內(nèi)涉水面積大，意味著室內(nèi)空調(diào)濕負荷相當(dāng)可觀，室內(nèi)熱濕比遠小于常規(guī)建筑。如果將空調(diào)系統(tǒng)和除濕系統(tǒng)相結(jié)合，空調(diào)的氣流組織對改善室內(nèi)熱濕環(huán)境尤為重要，避免干區(qū)和濕區(qū)互相干擾的情況出現(xiàn)。

通過對不同送風(fēng)形式對室內(nèi)溫度場的模擬，探討氣流組織對于大空間水世界空調(diào)系統(tǒng)效果的影響，從而優(yōu)化氣流組織，達到舒適和節(jié)能的目的。

1 幾何模型的建立

因為研究對象體型較為復(fù)雜，為了更容易確定建筑和風(fēng)口的相對位置，每小時幾何模型簡化為立方體：230.0 m×108.0 m×29.8 m。

CFD計算軟件充分考慮影響網(wǎng)格劃分和網(wǎng)格質(zhì)量的因素，對于建筑空間先進行網(wǎng)格粗分，然后對空間中速度梯度較大的建筑壁面、門窗洞口和風(fēng)口位置進行網(wǎng)格加密，HY-CFD通過設(shè)置最小細分級數(shù)和最大細分級數(shù)對建筑表面進行網(wǎng)格加密，通過遠場和近場區(qū)域?qū)ㄖ浇M行網(wǎng)格加密，通過門窗位置加密和風(fēng)口位置加密對門窗和風(fēng)口位置進行加密。

2 邊界條件

空調(diào)送風(fēng)的主要邊界有送風(fēng)口邊界、回風(fēng)口邊界和建筑表面邊界。在室內(nèi)設(shè)計溫度為30℃，相對濕度為70%的設(shè)計條件下計算總送風(fēng)量為860 000 m3/h。送風(fēng)口設(shè)置為速度進口，風(fēng)口大小為φ630 mm，送風(fēng)口設(shè)計風(fēng)速8 m/s，冬季工況送風(fēng)溫度為38.5℃，夏季工況送風(fēng)溫度為23.5℃，頂送風(fēng)口高度為25 m，側(cè)送風(fēng)口中心高度為10 m，共100個?；仫L(fēng)口邊界設(shè)置為壓力邊界，大小為1 4000 mm×2 000 mm，底標(biāo)高1.000 m，共4個。建筑外墻的熱邊界設(shè)置為由室外溫度和傳熱系數(shù)組成的第三類邊界;地板或者樓板如果有熱源設(shè)置為恒定熱流的第二類邊界，如果沒有熱源設(shè)置為絕熱邊界[1]。

建筑物表面湍動能和湍流耗散率采用壁面函數(shù)法進行處理。

湍流動能壁面函數(shù)：? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

湍動能耗散率壁面函數(shù)：? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

其中，εp為邊界位置湍流耗散率。

3控制方程及計算方法

空調(diào)送風(fēng)模擬分析需要計算溫度，考慮空氣密度隨溫度變化，認為空氣是可壓縮流體，主要控制方程主要包括連續(xù)性方程、動量方程、能量方程和理想氣體狀態(tài)方程。

連續(xù)性方程：

（3）

動量方程：

（4）

能量方程：

（5）

其中h為流體比焓，K為流體動能。

氣體狀態(tài)方程：

（6）

其中，M為空氣分子量，R為理想氣體狀態(tài)方程常數(shù)。

選用standard k-ε湍流模型，控制方程中對流項采用一階迎風(fēng)格式，擴散項采用二階中心差分格式，梯度項采用一階迎風(fēng)格式，壓力速度耦合算法采用SIMPLE算法。

4 模擬結(jié)果分析

4.1 夏季模擬結(jié)果分析

圖1為夏季工況下風(fēng)口位置的剖面圖，由側(cè)送下回和頂送下回在Z=1.5 m 處的溫度場可以看出，人員活動區(qū)域截面溫度的均勻性頂送方式比側(cè)送方式更好，在相同點處頂送的溫度比側(cè)送低些，更加接近設(shè)計溫度 30℃，部分區(qū)域的溫度在 29℃左右;側(cè)送方式空間中央人員活動區(qū)域溫度較高，在31℃左右。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因為頂送時，由于回風(fēng)口位于下側(cè)，加速了冷空氣向下運動，使得冷量能夠得到充分利用，而側(cè)送有部分冷空氣受熱上浮，未能到達人員活動區(qū)域，冷空氣量部分未得到利用，使得室內(nèi)溫度偏高。為解決這個問題可以在空間中部位置設(shè)置送風(fēng)島，以使整個區(qū)域溫度更均勻。溫度在高度方向出現(xiàn)分層現(xiàn)象，下面溫度低，上面溫度高。側(cè)送在高度方向上的溫度差在2℃左右，頂送在3℃左右。

由圖2夏季工況的速度場可以看出，人員活動區(qū)域的速度場頂送下回比側(cè)送下回更均勻，頂送方式在Z=1.5 m處風(fēng)速在0.09～0.25 m/s之間，側(cè)送下回在Z=1.5 m處風(fēng)速在0.09～0.32 m/s之間;側(cè)送在回風(fēng)口區(qū)域周圍出現(xiàn)了渦流，且渦流的速度較其它區(qū)域的大，應(yīng)避免休息區(qū)設(shè)置在此處。

4.2 冬季模擬結(jié)果分析

圖3為冬季工況下風(fēng)口位置的剖面圖，由側(cè)送下回和頂送下回在 Z=1.5 m 處的溫度場可以看出，人員活動區(qū)域截面溫度的均勻性頂送方式比側(cè)送方式更好，但總體上側(cè)送的溫度比頂送高些，這是因為冬季送風(fēng)溫度高于室內(nèi)溫度，熱空氣上浮形成了渦流，這必然使得部分熱空氣不能夠到達人員區(qū)域，頂送方式的熱空氣損失更大一些。雖然側(cè)送也存在部分熱空氣上升現(xiàn)象，由于回風(fēng)口位于下側(cè)，加速了熱空氣向下運動，使得側(cè)送方式人員活動區(qū)域溫度更高些。溫度在高度方向均出現(xiàn)分層現(xiàn)象，但是溫度差不大。

由圖4冬季工況的速度場可以看出，人員活動區(qū)域的速度場頂送下回比側(cè)送下回更均勻，頂送方式在Z=1.5 m處風(fēng)速在0.07～0.29 m/s之間，側(cè)送下回在Z=1.5 m處風(fēng)速在0.09～0.34 m/s之間;側(cè)送方式在送風(fēng)口上部出現(xiàn)了渦流區(qū)域。

5 結(jié)語

空調(diào)全空氣系統(tǒng)采用上供下回的送風(fēng)方式夏季溫度場分布更為均勻，側(cè)送下回的送風(fēng)方式冬季溫度場分布更為均勻。但是就室內(nèi)水樂園的運營特點和人員熱舒適度感覺角度而言，冬季對于室內(nèi)溫度更為敏感，因此大空間室內(nèi)水樂園采用側(cè)送下回的方式對室內(nèi)溫度場的分布更為有利。

參考文獻

[1] 陸耀慶.《實用供熱空調(diào)設(shè)計手冊》[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社（第二版），2008.