高大空間建筑空調氣流組織模擬分析

劉海燕，周 前，宋艷蘋，靳俊杰，趙鶴源

(河南城建學院 能源與建筑環境工程學院，河南 平頂山 467036)

近年來，隨著我國建筑科技的日益發展，高大空間建筑層出不窮。調查表明，我國高大空間建筑能耗浪費嚴重，屬于建筑能源消耗的高密度領域[1]。與此同時，人們對建筑環境室內的舒適度要求也越來越高。高大空間建筑有別于小型室內空間的相對均勻氣流和溫度分布，大空間往往呈現變化較大的分布特點[2]。高大空間空調系統氣流組織設計目前尚無非常成熟的理論和實驗結論,需借助氣流數值分析和模型實驗,從而發現最優的氣流組織方案[3]，數值模擬已經變成研究高大空間氣流組織的最常用方式之一[4-6]。

目前，高大空間建筑常用的送風方式主要有上送下回、側送下回、分層空調、置換通風等。其中，分層空調往往用于空間容積大于10 000 m3、高度10 m以上的建筑[7]；置換通風由于系統管道復雜，并易產生積塵等問題，應用較少；在10 m以下的高大空間建筑中使用較多的是上送風和側送風方式[8]。本文采用數值模擬方法，利用CFD軟件模擬側送下回送風方式下高大空間建筑內的氣流組織情況，通過對比分析不同條件下室內氣流組織的特點，為高大空間建筑的空調設計提供參考。

1 建立物理模型及方案

1.1 建筑物物理模型

建立長45 m(x方向)、寬30 m(y方向)、高8 m(z方向)的大空間建筑模型，其中以南外墻和東內墻的交界處底部為空間坐標系的原點。用途為大會議室,會議室設置29排座位，每排分為左側、中間及右側三部分，左右側各長6 m，中間長11 m，三部分之間為過道。每把椅子寬度按0.5 m取值，距地面高度0.4 m，則每排46個座位，共計1 334座位。在東西墻中間位置各設置條形送風口，下側各設置兩個回風口，其中條形送風口左右居中，且距地面高度4 m，每面墻的兩個回風口距離墻的左右邊界1 m，距地面高度0.4 m。大空間會議室示意圖如圖1所示。

1.2 仿真設計方案

本建筑位于河南省鄭州市,室內設計溫度為26 ℃,按照夏季該地區設計標準，計算出的夏季冷負荷為269.2 kW。方案四夏季送風溫度選為16 ℃,其他三種方案夏季送風溫度均選為18 ℃。選擇側送下回式送風方式，在大會議廳的東西墻兩側設置條形送風口，兩側風口對稱，風口中心距離地板高4 m，且在兩側墻的中間?；仫L口位置位于送風口下側，且每側各兩個，大小相同，長寬均為5.4×0.5 m，具體相關參數見表1。

2 邊界條件的設定

制冷負荷按照靜坐時考慮，每人散熱量為108 W，大廳總座位數為1 334個，取群集系數為0.85，將人體的散熱量均勻分布在椅子的各個表面上，則椅子的熱流密度為91.2 W/m2。送風口處水平送風，回風口設自由出流。

為了提高計算精度，本文網格一律采用結構網格，方案一和方案二網格數1 003 092，方案三和方案四網格數1 101 604，計算時空氣采用不可壓縮流體，一律采用標準模型來進行數值模擬計算。

會議廳的南墻為外墻，其余的三面墻均為內墻，參照文獻[9]的設置，熱流密度設置見表2。

3 模擬計算及結果分析

3.1 X=22.5 m處溫度場的分布

在X=22.5 m處，即在會議廳的中間位置做切面，其切面溫度場的分布如圖2～圖5所示。

圖2 方案一溫度場分布圖 圖3 方案二溫度場分布圖

圖4 方案三溫度場分布圖 圖5 方案四溫度場分布圖

由圖2可以看出：溫度較低區主要出現在風口下側的低層區域及中間部位的中心空間區域，溫度大都分布在296.3～297.3 K，這是因為冷氣流受重力作用，向下流動，造成下側的溫度較低，當中心部位下側聚集較多的冷空氣時，強迫空氣流向上運動，致使中心部位上部空間的溫度也偏低。會議廳頂部兩側兩個角落溫度最高，在303 K左右，最高可達320 K，原因在于該位置處于死角，氣流達不到該位置，但這并不影響會議室的制冷效果。其他區域溫度分布也基本均勻，基本都在298.3～298.9 K，整個切面的平均溫度為297.9 K，比設計溫度299 K偏低一些。

由圖3可以看出：方案二溫度分布較低的區域依然是兩風口下側區域，溫度在296.5～297.3 K，但面積明顯不如方案一，整個風口以上較大空間大部分在298.4～300.4 K，整個切面的平均溫度為299.3 K，滿足空間設計溫度要求。

由圖4可以看出：方案三空間溫度分布更加均勻，溫度較低區域主要分布在氣流射流路徑小面積區域，溫度在295.1～295.7 K，其次溫度略低的部位位于中間部位，但也只有較低層厚度的范圍，溫度大致在296.2～297.2 K。除了這兩處之外，絕大部分溫度空間分布均勻，溫度在298.7～299.4 K。整個切面平均溫度為299.0 K，同樣滿足室內設計溫度要求。

由圖5可以看出：方案四整體溫度比前三種方案偏高，較低區域依然是氣流射流路徑小面積區域以及底層區域，溫度在295.5～298 K，中心一部分空間區域溫度在299～299.5 K，而空間大部分區域在300.6 K左右，且較為均勻。同前三種方案類似，會議廳東西頂角附近溫度較高(320 K左右)，但不影響制冷效果。整個切面平均溫度300.6 K,原因是氣流流速較低，射流較弱，冷空氣流流到底部時速度已經很弱，沒有經過充足換熱就被出風口排出，造成制冷量浪費。

3.2 Z=1.2 m處溫度場的分布

取Z=1.2 m處為人的活動區域，該區域的溫度場分布如圖6～圖9所示。

圖6 方案一溫度場分布圖 圖7 方案二溫度場分布圖

圖8 方案三溫度場分布圖 圖9 方案四溫度場分布圖

由圖6可以看出：方案一會議廳的高溫區處于南北兩端，南部大部分區域的溫度在300～301 K，較小部分在302.5～303.5 K；北部區域溫度更高，大部分在302.6～305 K，一小部分在307～308.5 K。南北兩端區域的位置處于主席臺附近及座位席的后幾排及以后區域，溫度雖高但只對少數人造成不適影響。絕大部分較低溫度分布在整個活動區域的中間部位，基本都在296.4～297.5 K，一少部分溫度處于298.2～299 K，滿足制冷要求，比設計溫度299 K要偏低一些，整個切面區域的平均溫度為300.3 K，只在南北兩端處的區域不滿足制冷需求。

由圖7可知：方案二絕大部分制冷溫度分布在整個活動區域的中間部位，且向南北側延伸，中部的東西兩側溫度較低，大部分溫度分布在296.6～297.7 K，少部分在295～295.6 K，而中間較大的區域溫度基本在298.5～299.5 K。觀眾絕大部分集中在中部的位置，所以該區域能夠滿足制冷需求。在南北兩端，尤其是北端的較大區域溫度較高，在302～304.7 K，在該南北兩端區域，主要是北端區域溫度偏高，會造成制冷溫度偏高，身體不適，但該部分屬于會議廳的后排，影響不大。整個Z=1.2 m切面區域的平均溫度為299.2 K，滿足制冷要求。

由圖8可以看出：同方案一和方案二相似，方案三絕大部分制冷溫度在整個活動區域的中間部位，溫度基本集中在298.5～299.2 K，滿足設計制冷溫度要求。東西兩側較大區域溫度較低，大部集中在296.8～297.3 K，其中有一部分偏低，集中在290～290.5 K。南北兩端的很大區域溫度偏高，在301～304.5 K。整個切面區域的平均溫度為299.6 K，滿足設計溫度要求。

由圖9可以看出：同方案三比較接近，方案四南北端區域溫度較高，其中的南區域大都集中在300.6～302.8 K，而北端區域溫度集中在302～306 K，中間兩側的區域是整個區域的最低部位，溫度大都在294.5～297 K，而中間的中心大部分區域溫度分布在298.5～301 K。整個平面區域的平均溫度為300.1 K，與第三種方案情況較為接近。因此，南北兩端區域的溫度普遍較高，這也是因為冷氣流到達該區域較少，但因為這兩處區域坐人較少，對制冷的需求不大，對整個觀眾席的舒適度影響不大。

3.3 Z=1.2 m處速度場的分布

方案一至四，空調制冷時，溫度是影響人體舒適度的關鍵，但風速的大小也會對人體的舒適度造成影響，在人的活動區域Z=1.2 m處，速度場的分布如圖10～圖13所示。

圖10 方案一速度場的分布圖 圖11 方案二速度場的分布圖

圖12 方案三速度場的分布圖 圖13 方案四速度場的分布圖

由圖10可以看出：會議廳的南北兩端區域速度較小，幾乎都在0.1～0.3 m/s，這也是造成這兩個區域溫度整體較高的原因，大廳的中部整體速度較高，大部分在0.65～0.9 m/s，尤其中部偏東西兩側位置，有狹長的小部分區域速度分布明顯較高，速度基本在1.2～1.3 m/s，會造成明顯吹風感。會議廳的中間部位，也是坐人比較集中的區域，可以考慮降低送風速度來消除這一種不適。整個Z=1.2 m切面區域的平均速度為0.51 m/s，明顯比0.3 m/s風速偏高。

由圖11可以看出：方案二會議廳的南北兩端區域速度依然較小，基本都在0.1～0.3 m/s，尤其是會議廳的最后方，速度是整個截面最低的區域。同方案一類似，大廳的中部整體速度較高，在0.5～0.7 m/s，中部偏東西兩側位置少部分狹長區域達到0.95 m/s，整個Z=1.2 m切面區域的平均速度為0.47 m/s，比方案一略低。

由圖12可以看出：方案三會議廳的南北側大部分區域速度較低，在0.07～0.3 m/s，在北側距離北墻附近更加明顯。大廳的中部整體速度較高，速度在0.47～0.58 m/s，在東西側風口下面狹長部分速度較低，為0.24～0.32 m/s，而緊鄰的狹長區域，速度在0.68～0.78 m/s，這是由于氣流射流產生渦流形成的明顯速度分布現象。整個Z=1.2 m切面區域的平均速度為0.41 m/s，由此可見，人體活動區速度雖降低但并不明顯。

由圖13可以看出：方案四會議廳的南北側大部區域速度依然較低，在0.06～0.24 m/s，速度比起前三種方案更低，中間區域的速度場效果明顯改善，除了一部分區域的速度在0.42～0.51 m/s外，較大部分區域速度在0.23～0.31 m/s，滿足人體舒適度要求。整個Z=1.2 m切面區域的平均速度為0.33 m/s，明顯優于前三種方案，增加了人體的舒適感。

通過幾種方案的速度場分布可以看出：在會議室的南北兩端，冷氣流到達較少，風速較低，溫度較高，但送風速度越高，越不利于在活動區域將風速控制在0.3 m/s以下。送風口的送風速度越低，效果越明顯，如第四種方案的送風速度與第三種方案相比，只降低了0.33 m/s，致使活動區的舒適感知。

4 結論

(1)射流速度較大，易造成氣流聚集在中間的中心位置，強迫氣流上升，并形成渦流，致使會議廳的上部空間部分區域換熱較好，而另一部分較差，溫度梯度明顯；降低送風速度，有利于換熱均勻，但風速過低易使冷空氣氣流沉積在下部，不利于與上部換熱。

(2)送風速度越大，造成制冷區域的風速越大，換熱效果越好，從而溫度降低越快，但也造成速度場分布不均勻，會給人造成強烈的吹風感而感到不適。

(3)在會議室的南北兩端區域處，冷氣流量到達較少，不能很好地降低該區域的溫度，造成該區域局部溫度較高。

(4)通過方案四與前三種方案相比可知：增大送風溫差效果并不明顯，反而使總的送風量和送風速度減少，換熱效果降低；幾種方案對比來看，增加送風口的截面積效果明顯，這不僅減小了送風速度，減少人體活動區域的吹風感，而且也達到了降溫的目的。因此，在方案三的基礎上進一步加大送風口截面積，送風速度設置為1.33～1.66 m/s，在節省能源的情況下達到最佳舒適度。