大空间室内气流组织的数值模拟与设计应用

大空间室内气流组织的数值模拟与设计应用
摘要：本文根据计算流体动力学（computational fluid mechanics， cfd）理论，利用基于控制体积的数值模拟方法对大空间区域的气流组织进行模拟计算，通过比较分析冬、夏两个季节的设备余压、送风风速以及送风角度等参数，获得优化的空调设计条件：选用机外余压为120pa的vrv空调室内机，风量、风速在一定范围内可调，采用可调式球型喷口作为送风风口，百叶风口作为回风口，侧送上回的气流组织形式。

关键词：vrv空调系统；气流组织；cfd；数值模拟；射流
1 引言
随着现代人们生活水平的提高，高大空间在建筑物内应用越来越广泛，人们对大空间的室内环境也提出了更高的要求。

建筑空间内的气流组织形式决定了空调区人员的舒适性以及空调能耗的多少，因此各种气流组织形式在高大空间中的应用引起了广泛讨论。

李琳等对分层空调、置换通风、地板送风以及碰撞射流等四种形式作了相应分析和比较[1～6]。

为了评价空气入流条件对空气流动情况的影响，赵彬等提出应用于空气流动数值模拟的风口模型新思路[7]；罗卓英等应用n点风口模型模拟百叶风口在空调房间内的影响[8]；任荣等比较了喷口风口和喷口加二次气流送风形式对冬季分层空
调的影响[9]。

本文以江苏淮安玖珑湾商务中心销售大厅作为研究对象（图1），借助cfd软件进行数值模拟计算，得出最优的空调设计条件。

2 项目概况
江苏省淮安市玖珑湾项目商务中心，总建筑面积5979.22平方米，建筑高度18.4米，共3层高，属于一类公共建筑。

主要功能包括销售大厅、餐饮、恒温游泳池、运动健身区、展厅等。

根据建筑使用功能、使用时间以及业态管理方式的不同，结合当地不同季节的冷、热需求特点，以及空调系统布置位置的局限，选用变制冷剂流量（variable refrigerant volume，vrv）空调系统，进行夏季供冷，冬季供暖。

由于业主装修的方案，限制该空间只能使用侧送上回的气流组织形式，故采用数值模拟的方法来进行辅助分析，帮助解决暖通设计中设备机外余压、风口选型、风口出流速度及出流角度等参数问题。

3 模型描述
研究对象为商务中心销售大厅，建筑面积约为920平方米，建筑总高度为11.5米，销售大厅的建筑尺寸为24m（长）×20m（宽）×11.5m（高）。

在南、北两侧墙（x=-12、x=12）分别设置8个直径为300mm的喷口，中心高度为7m，水平送风距离为10m。

回风口设在上部，靠近南北两侧幕墙。

图2为该建筑简化的模型。

3.1 室外、室内空调设计参数
根据暖通设计手册[10]选取设计参数，见表1，其中室外参数参考淮阴市气象数据。

淮安冬、夏两季室外干球温度均在vrv空调设备运行的许可工作温度范围内，即该系统可以在冬夏两季正常运行，满足室内舒适度的要求。

3.2边界条件
由于空调房间的传热涉及外界、室内空气对外围护结构的对流传热、外围护结构的热传导以及辐射传热等复杂的传热问题，故本模型对边界条件作了进一步简化：外墙、外窗和地面按常壁温设定，与其它空调房间相邻的墙面按绝热设定，其壁温为环境温度。

具体数值见下表2。

送风口设定为质量流量进口型边界，回风口设定为出口边界。

3.3 模型求解
本模型中空气流场包括了边界层流动、剪切流动、有回流的流动等压力梯度较小的流动，利用fluent2.3软件，选用k-ε模型进行求解。

4 数值模拟结果与讨论
4.1 风压的影响
由于vrv空调室内机的设备机外余压不超过200pa，在相同风速，机外余压分别为90pa、120pa和200pa的情况下作比较。

图3为空调工作区2m高度的温度分布。

由图可见，夏季工况下，风压越大，温度越低，但三种风压下温度的差异很小；而在冬季工况下，风压越大，温度越高，且120pa时的温度明显高于90pa的状态。

另外，两个季节中120pa工况与200pa工况的温度较接近。

4.2 风速的影响
喷口射流送风的风速通常取4～8m/s，若风速太小不能满足射程的要求，风速过大在喷口处会产生较大的噪声[10]。

在冬季工况、
相同机外余压的情况下分别对风速v=3m/s～6m/s作比较。

由图4可见，风速越大，空调工作区2m高度的平均温度越高；当风速大于5.5m/s时，射流出现碰撞，空气流态呈现不对称状态。

由此可见，风速过小不足以让热风集中送至工作区，满足空调区的需要。

而风速过大使局部区域温度不均匀。

综合考虑噪音等因素，选择机外余压p=120pa，风速=4.5m/s的设备，保证冬季热空气也能到达空调区域，并使空调区域获得较均匀的温度场和速度场。

4.3 送风射流角度的影响
夏季由于冷气流容易下沉，垂直方向的送风角度对工作区没有大的影响。

但在冬季，由于风口喷出的是热空气上浮，故送风角度直接影响工作区的气流效果。

下图5为不同送风角度的气流组织。

在水平出流以及向下10°出流的情况下（图a、b），热空气表现为贴附射流，在浮升力的作用下，沿屋顶向上攀爬一定程度就向下弯曲，以建筑物中心为分界线，气流向两边对称回流至回风口。

喷口向下倾斜的角度越大，射出的气流越容易到达工作区。

当喷口向下倾斜的角度增至20°时（图c），热气流以水平角度射出，并在喷口上空形成微小的气流漩涡，热气流到达工作区的风速较为适宜。

当喷口增至30°时（图d），一部分气流由于初始动量很快到达地面，与地面换热，气流再回流至回风口；另一部分气流因浮升力的作用，一直上升到屋顶，与屋顶冷壁面换热，再向四周扩散并沿屋面下降。

上下两部分气流形成横向热风幕，能够阻隔下部分
的热空气上浮，向下的气流成为供暖的主导力量，使工作区温度升高。

当喷口继续增大到一定程度时，上下两部分气流最初形成横向热风幕被破坏，向下的气流仍然是供暖的主要力量，喷出的气流使其能到达的工作区域温度升高，而另一部分气流由于浮升力上升，与屋面冷壁面换热再向四周扩散。

这使地面温度分布不均匀，靠近中心的位置温度低，两边温度高。

由此可见，冬季喷口向下倾斜15°～20°能保证气流较快到达地面，人员处于气流的回流区，2m以下工作区有较均匀的温度和风速分布。

5结论
由于功能使用、装修条件以及空调设备摆放位置的限制，商务中心选用了vrv空调系统进行空气调节。

然而vrv空调室内机机外余压较小，对高大的销售大厅空间的空调设计提出了问题。

本研究利用cfd技术对商务中心销售大厅的气流组织进行数值模拟，通过比较分析得出以下结论：
（1）由于冷气流下沉、热气流上升，夏季即使风口出流风速很小、角度水平，冷空气都能自然沉降到工作区；而冬季风口出流要在特定的条件下才能把热气流送入工作区。

所以风口出流条件如果满足冬季工况的要求，基本就能满足夏季的需求。

（2）当送风口采用球型喷口时，vrv室内机机外余压选择在120pa以上才能达到较好的送风效果。

（3）风口出流的平均风速为4.5m/s，空调工作区才能达到较
满意的温度要求。

（4）选择可调式球形喷口作为送风风口，夏季可采用0°水平射流，冬季调整为向下15°～20°角度射流。

（5）综合考虑各种因素，选择机外余压为在120pa以上的空调末端送风设备，并根据不同的季节调整送风风量、风速以及风向，能满足使用要求。

商务中心销售大厅最终选用机外余压为120pa的vrv室内机，采用可调式球型喷口作为送风口，百叶风口作为回风口，风量、风速在小范围内可调。

该项目已于2011年10月投入使用，运营一年多时间内，室内实际温湿度与设计相符，能较好满足室内人员的舒适性要求。

参考文献
[1] 李琳，杨洪海.高大空间四种气流组织的比较[j]. 建筑热能通风空调，2012，（3）：60-62.
[2] 邹月琴，王师白，彭荣，等.分层空调气流组织计算方法的研究[j].暖通空调，1983，（3）：1-6.
[3] 余院生，张国伟. 地板辐射供冷与置换通风空调房间热环境模拟与分析[j]. 制冷空调与电力机械，2008，（1）：11-16.
[4] 肖玮，蔡亮.地板送风房间的气流组织与热舒适性[j].工业建筑，2008，38：41-43.
[5] fred s bauman.underfloor air distribution design guide[m].北京：中国建筑工业出版社，2006.
[6] 李晓冬，董磊.碰撞射流通风方式的研究[a]：全国暖通空调制冷2006年学术年会论文集[c].2006：68-70.
[7]赵彬，李先庭，彦启森.室内空气流动数值模拟的风口模型综述[j].暖通空调，2000（5）：33-37.
[8]旷金玉，罗卓英，周猛等.百叶风口空调房间室内热环境的数值模拟研究[j].科学技术与工程，2012（2）：353-357.
[9]任荣，黄晨，蔡宁等.冬季单侧喷口加二次气流下热环境的节能性和舒适性讨论[j].流体机械，2011（1）：78-82.
[10]陆耀庆.实用供热空调设计手册（第二版）[m].北京：中国建筑工业出版社，2008.。