中庭大空間分層空調CFD模擬研究

邊爭

同濟大學建筑設計研究院(集團)有限公司

0 引言

高大空間建筑空調熱舒適性與氣流組織設計難度較大，面對此類復雜的設計對象，傳統的模型試驗手段已難以滿足工程實踐的需求。隨著計算機應用技術的發展，利用CFD模擬技術預測高大空間建筑空調系統的氣流組織、熱舒適性及優化設計方案已逐漸成熟[1]。

運用Airpak3．0軟件，在典型夏季設計工況下，對位于天津市的國家電網公司客戶服務中心北方基地工程研發樓二中庭分層空調方案的熱舒適性與氣流組織進行了模擬研究，得到溫度、速度等參數的數值模擬結果，并結合PMV-PPD熱舒適性指標對研發樓二中庭的分層空調方案進行分析和評價。

1 研究對象概況

分層空調是對研究對象空間下部區域進行空氣調節，而對上部區域不進行空氣調節。與全室空調相比，夏季可節省冷量30%左右。分層空調適于高大建筑，當高大建筑物高度大于10m，建筑物體積大于10 000m3，空調區高度與建筑高度之比小于0．5時，才能顯示其經濟合理性。國家電網公司客戶服務中心北方基地工程研發樓二中庭高度32m，中庭體積21 600 m3，采用分層空調較為適宜。

工作區為高大空間建筑必須保證溫濕度參數的區域，該中庭為舒適性空調區域，工作區高度取2m。在滿足使用要求的前提下，分層高度h1越小，空調能耗越低[2]：

y——射流垂直落差，m

ha——安全值，一般舒適性空調可不考慮

中庭建筑平面如圖1所示，采用全空氣送風的空調系統，室內設計溫度為26℃，相對濕度為65%?？照{送風量為50 000m3/h，送風管安裝在中庭兩側，采用噴口側面輸送，噴口中心高度4．0m，即分層高度為4．0m。雙向對噴（多股平行）射流送風構成了一道水平風幕，以此為界，中庭上部為非空調區，下部為空調區。

圖1 研發樓二中庭平面示意

2 物理模型與邊界條件

由于研發樓二中庭建筑形態較為復雜且空間大，在不影響模擬結果前提下，對中庭空間模型作適當的簡化。

中庭空間周圍房間為空調房間，與模擬對象之間沒有熱傳遞，假設中庭四周墻體為絕熱壁面，壁面溫度為環境溫度。中庭頂部為玻璃天窗，中庭內部的氣流組織將受到太陽輻射的影響。目前，氣流組織模擬與太陽輻射耦合求解面臨諸多問題。例如，太陽直射輻射和慢反射的區分等，因此一般將太陽輻射轉化為熱流邊界[3]。人員、設備等其他近地面發熱對象簡化為地面上的熱流邊界。物理模型如圖2所示，模型為長45m（X方向）、寬15m（Z方向）、高32m（Y方向）的長方體。

圖2 研發樓二中庭物理模型

根據設計條件，在兩側墻設定40個球型噴口，噴口間距為2．25m，中心高度為4．0m，送風溫度為16℃，射流速度為4．5m/s。在凹廊吊頂處設定2個回風口，風口尺寸為2．4m×1．2m。計算模型如式（1）所示。

中庭為高大空間，近似為非等溫自由射流，射流與周圍介質密度不同，浮力和重力不平衡，射流發生變形，依據阿基米德數Ar進行判定[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大，但魔芋繁殖系數低，致使很多農民抱怨買不到良種。魔芋有葉斑病、軟腐癥和白絹病等多種病害，其中軟腐病、白絹病是魔芋生長中的“疑難雜癥”，目前并沒有有效的防治措施，每年因軟腐病導致減產達30%。魔芋種源嚴重缺乏，魔芋品種退化，抗逆性降低，再加上農藥、肥料和人工成本，致使魔芋種植成本較高。

Tn——周圍空氣溫度，K

u0——噴口出流的平均速度，m/s

當Ar＞0時為熱射流，Ar＜0時為冷射流，|Ar|＜0．001時，可忽略射流軸的彎曲按等溫射流計算。

3 數學模型與網格劃分

CFD模擬技術在室內熱環境中的應用是基于對室內不可壓縮流體質量、動量、能量守恒微分方程的離散化處理及其數值解析。本文是一個紊流的三維穩定流場流動問題，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]。

標準k-ε二方程模型是湍流動能及其擴散率的傳輸方程的半經驗模型。

Airpak3．0可采用四面體、六面體等多種網格形式，本文網格劃分采用穩定性極佳的六面體結構化網格，網格數量約為600 000個。

4 模擬結果比較與分析

4.1 氣流組織比較分析

氣流組織設計是在空調房間內合理布置送、回風口，將經過凈化和熱濕處理的空氣送入室內，使空調房間內空氣有組織地進行流動，在擴散與混合的過程中，均勻地消除室內余熱和余濕，從而使工作區具有舒適的空氣分布，即均為穩定的溫度、濕度、氣流速度和潔凈度，同時保證較低的空調能耗和良好的室內空氣品質。

垂直方向典型斷面的溫度場、速度場模擬結果如圖3所示。斷面速度場表明射流跡線趨勢，工作區形成空氣流動漩渦，左右基本對稱，中心氣流受到熱浮生力的影響向上運動。

以典型斷面為例，分別在距離地面0．5m、1．0m、1．5m、2．0m 高度處選取監測點，分析監測點處的速度值，如圖4所示。結果表明，工作區內速度絕大部分在0．5m/s以下，符合舒適性空調室內空氣流動速度的要求。在中庭中部區域兩側射流相遇上升，同時帶有工作區散熱量，因此該區域空氣流速超過0．5m/s。此外，由于中庭兩側空調系統對稱設計，速度場模擬結果也反映了這一特點。

圖3 中庭典型斷面溫度場/速度場分布

圖4 中庭典型斷面速度場分析

以典型斷面為例，分別在距離地面0．5m、1．0m、1．5m、2．0m高度處選取監測點，分析監測點處溫度值，如圖5所示。結果表明，工作區內溫度絕大部分處于26℃左右，滿足舒適性空調室內設計溫度的要求。在中庭中部區域，帶有工作區散熱量的兩股射流相遇，此處溫度略高，這也與速度場分析具有一致的結果。

圖5 中庭典型斷面溫度場分析

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，如圖6所示。結果表明，在距離地面3m以下，溫度值均處于25℃～26．5℃的范圍內，該溫度范圍滿足人員工作區內舒適度的要求。隨著距離的增加，溫度值逐漸增加，到屋頂附件溫度值達到最大，接近室外環境溫度。上述分析表明了分層空調垂直高度溫度分布的特點，分層空調在人員工作區的溫度確保滿足設計要求，非工作區溫度高于設計溫度，具有節能的意義。

圖6 中庭垂直高度方向溫度變化曲線

4.2 熱舒適性評價指標分析

1984年，國際標準化組織提出了室內熱環境的評價與測量標準方法（ISO7726），以PMV-PPD指標來描述和評價熱環境[5]。該指標綜合考慮人體活動程度、衣服熱阻、室內空氣溫濕度、平均輻射溫度、空氣流速等。該標準對PMV-PPD指標的推薦值為：PPD＜10%，即PMV值在-0．5～+0．5之間。通過CFD模擬手段對中庭的PMV-PPD指標進行預測，結果如圖7所示。在人員工作區即距離地面2m以內，PPD值低于10%，PMV值處于-0．5～+0．5之間，這表明平均預測評價PMV與預期不滿意百分率PPD處于合理的范圍。

圖7 熱舒適性評價指標比較

4.5 經濟節能分析

在夏季工況下，采用分層空調系統冷負荷僅為全室空調系統冷負荷的50%～85%[2]，冷負荷降低可有效減小空調送風量，減小空調箱風機能耗，減小風管尺寸，節省建筑層高。同時，可降低冷水機組的容量、降低空調系統的初期投資。

5 結論

由前述的CFD模擬和分析可見，在典型夏季工況下，國家電網公司客戶服務中心北方基地工程研發樓二中庭分層空調方案基本滿足設計要求。

（1）采用CFD模擬了研發樓二中庭分層空調系統方案的氣流組織，分析比較了工作區空氣流速、工作區與非工作區垂直溫度、熱舒適性評價PMV-PPD指標和典型斷面溫度場、速度場，結果表明該分層空調方案能夠滿足工作區舒適性要求，氣流組織設計合理。

（2）分層空調應用于高大空間建筑降低了初期投資和運行費用。

（3）應用CFD模擬分析高大空間建筑空調系統方案，對其氣流組織、熱舒適性等進行評價，對相關工程具有指導意義。