水世界CFD模拟报告.doc

铁岭星悦南岸水世界戏水大厅空调设计计算流体动态模拟（CFD）分析报告 辽宁铁岭星悦南岸综合商业区（一期）水世界项目计算流体动态模拟（CFD）分析报告2014年08月目录1 项目概述12 模型的建立22.1建筑三维模型22.2建筑模型的简化22.3戏水大厅的空调系统33 模拟基准参数设置依据53.1围护结构传热系数53.2空调工况设计参数53.3送回风风口参数设置64 模拟与分析94.1冬季工况94.1.1人员活动区域空调舒适性模拟分析94.1.2屋面围护结构结露模拟分析134.1.3侧壁面围护结构结露模拟分析164.2夏季工况194.2.1人员活动区域空调舒适性模拟分析195 模拟结果分析及优化建议245.1戏水大厅的气流组织245.2戏水大厅的温度分布245.3戏水大厅围护结构结露分析255.4屋面防结露送风系统方案优化265.5结论和建议311 项目概述星悦南岸综合商业区水世界项目位于铁岭市铁岭新城东南部，总建筑面积29000余平方米，如图2.1所示，水世界游乐场西南部为发电机房，西北设有更衣区及餐饮，东北部设有滑水塔，东南部设置有漂流池。图2.1 水世界建筑三维模型图滑水塔，更衣区和漂流池都设置了单独的空调通风系统，发电机房为独立空间，与中间的戏水大厅的空调系统干扰很小。目前能够较为准确预测评价暖通空调设计效果的手段有两个：模型实验和CFD(Computational Fluid Dynamics)，即计算流体动力学数值模拟。模型实验是通过应用相似比法则，建立与水世界模型一模一样的等比缩放模型，然后在相同的气候环境下，设置相似的边界条件，进行各个参数的测试。优点是与实际工况接近，数值推算准确，但费时费力，不能在短时间得出数值。相比之下，CFD软件模拟运用计算机的超快运算速度，建立虚拟三维模型，应用有限元方程进行单元化的集成运算，具有模拟设备简单、投资低、计算速度快、计算空间不受限制、资料获取完整的优点，对于水上乐园这种大空间建筑，运用CFD软件可以有限的解决实际问题。水世界戏水大厅模拟分析有两类问题：1、 戏水大厅人员活动区域的舒适性，指02m空间内的温度，风速是否在设计值范围内。2、 戏水大厅外围护结构的内部结露状况，校验设计能否满足大部分区域不结露。将模拟结果与原设计值进行比较，提出优化建议和改进措施。2 模型的建立2.1建筑三维模型本报告针对水世界戏水大厅，进行相关工况的有限元模拟分析，所参考模型为建筑设计方与2014年3月24日提供的水世界三维模型以及二维CAD图纸，该水上乐园的戏水大厅建筑地上高度为23.8米，面积为8300余平方米，泳池面积4315平方米，其余大部分区域为平地，局部假山植被覆盖。如图2.1所示，顶部锥形天窗在后期设计中取消，屋面由14块透明玻璃幕墙（长27m*宽10m）和非透明幕墙组成，其中透明部分面积为3906，非透明部分的面积为4958。2.2建筑模型的简化图2.2 水世界建筑立面图模型简化原则：有限元分析模拟的关键是要注重“去次留主”原则，通过对模拟的对象进行合理的简化处理，将次要因素忽略，从而大大降低网格数量和划分难度，提高计算效率。水世界的戏水大厅为本次建模分析的主体，分析的关键要素为人员活动区域的舒适度和建筑内壁面的结露。故本次模型简化主要有下述几点：1、将建筑的外轮廓进行一定的简化，删除常闭外门，门窗的渗透量相对于整个大环境而言可忽略不计，密闭模型结构。删减不必要的支架，窗框，支撑结构，保留影响传热的外框架，透明与非透明幕墙等。2、删除漂流河，滑塔区，更衣区，柴发机房等对戏水大厅的气流工况影响甚微的结构，将原与之连接的墙面设为绝热表面无热量传递。3、水世界内部的小景观（包括假山，游乐设施，大屏幕等）不计入模型分析，主要是由于小景观对于整个戏水大厅的气流流向和分布左右不显著，特别是环境空间流速低于1m/s的工况下可以忽略不计。4、水世界内人流量的影响相对来说是个较为复杂的因素，而本模拟主要研究的两点与此因素相关性很小，予以忽略，但在夏季工况下，需要验证设计空调负荷下是否可以满足设计温度的要求，需要添加人体热流边界进行模拟计算。根据上述原则，模型简化为图2.2所示。2.3戏水大厅的空调系统戏水大厅的空调系统为全空气系统，处理设备为泳池除湿热泵机组，夏天辅以冷却水散热，冬天利用70/55热水供热，夏季和过渡季开启电动窗通风散热，冬季开启顶棚的热风系统保证室内温度高于露点温度，以防结露；沿幕墙周边设地板送风口，夏季作空调送风，冬季送热风防立面结露。戏水大厅人员活动区域设垂直送风柱和回风柱，与室内景观植物或装饰岩石结合，约2.5米高度送风，约0.6米低位回风，具体做法或装饰需后期协调，详见图2.3、2.4所示。图2.3 戏水大厅送回风系统原理图1图2.4 戏水大厅送回风系统原理图23 模拟基准参数设置依据模拟设置参数参考文献：民用建筑供暖通风与空气调节设计规范GB50736-2012公共建筑节能设计标准GB50189-2005公共建筑节能设计标准DB 21/T1899-2011民用建筑热工设计规范GB 50176-93空调设计文件建筑节能设计报告3.1围护结构传热系数依据建筑设计及建筑节能报告，本项目围护结构传热系数选择如表3.1所示。表3.1 主要围护结构传热系数围护结构传热系数（W/ m2 K）外墙0.38屋面（双层真空玻璃）1.2（仅玻璃部分）屋面（非透明）0.33侧墙面（单层真空玻璃）1.6（仅玻璃部分）侧墙面（非透明）0.33围护结构参数说明：围护结构的传热系数是结露与否的关键因素，参考本项目的建筑节能设计报告可知，外墙和屋面非透明部分的传热系数较低，而屋面透明部分的综合传热系数较高，其为窗框和双层真空玻璃按比例换算所得，不过本报告进行模拟时，仅对于玻璃部分进行设置计算，侧墙的单层真空玻璃导热系数为1.6 W/ K，屋面的双层真空玻璃导热系数为1.2 W/ K，而对于导热系数较大的金属框架结构，由于导热系数难以确定，在后文有详细的针对金属框架防结露建议措施。3.2空调工况设计参数表3.2 冬季设计参数表 空调室外计算温度-23.5空调室内设计温度29顶棚送风温度51.8人行区域风柱送风温度34地板送风温度34回风温度29表3.3 夏季设计参数表空调室外计算（干球）温度31.1空调室外计算（湿球）温度25人行区域送风柱送风温度23.5地板送风温度23.5回风温度29表3.2和表3.3为冬夏季设计参数表，其中室外工况参数根据铁岭当地气象参数确定，冬季空调室外计算温度是按历年平均不保证1天时间的原则对日平均温度进行筛选计算所得，该值可以基本保证设计符合要求。国际游泳池设计标准水温为2628，最高不超过 33。为满足环境对人体出水面时的舒适度要求，故室内空气设计温度应高于池水温度 12。根据确定的泳池设计工况绘制ID图，确定泳池送回风点和新风比，计算得冬夏季送风温度分别为34和23.5。3.3送回风风口参数设置图3.1所示的戏水大厅人员活动区域风口布置图，按照施工设计图纸进行风口编号，设置对应面的风量，出风口位于2.4米以上的高位，回风口位于0.6米的低位。图3.1 泳池大厅低位风口布置图图3.2所示戏水大厅顶部的四根高温送风柱，设置对应的风口，其中风口向上倾斜15，风口风量风速设计参数详见风口参数表。图3.2 泳池大厅高位风口布置图表3.4的戏水大厅风口参数表，所有的风口流速均满足设计的送风量要求，如图3.1的风口布置图，设计时尽可能的让送风和回风可以均匀覆盖整个戏水大厅的大部分区域，但局部由于建筑设计所限，送风口和回风口存在聚集可能导致局部进出口附近区域流速过高，有待模拟结果进一步确认。表3.4 风口参数表风口编号数量风口迎风面积（）风口风量（m/h）风口流速（m/s）送风口1220.425001.74 送风口213.2400003.47 送风口314500003.47 送风口414500003.47 送风口512.8300002.98 送风口614500003.47 送风口714500003.47 送风口814500003.47 送风口911.3160003.42 送风口1011.6200003.47 回风口117500001.98 回风口217500001.98 回风口317500001.98 回风口417500001.98 回风口517500001.98 回风口61211500001.98 送风口11280.12621504.74 送风口12400.07810003.56 4 模拟与分析根据上述工况参数确定后，划分模型网格并计算，分别得出冬季和夏季两个气候工况下的人员区域温度速度云图以及与结露关系密切的边界层温度云图。4.1冬季工况4.1.1人员活动区域空调舒适性模拟分析对于人员区域的模拟，考虑因素有02m高度空间的温度场及气流场是否符合人员舒适性要求。1）人员活动区域各断面温度分布分别选择0.6m和1.5m高度处温度分布图进行分析模拟。图4.1 水平高度0.6米处的温度分布云图图4.2 水平高度1.5米处的温度分布云图图4.1,4.2为水平高度为0.6米和1.5米的温度分布云图，从图上可以看出，送回风口附近区域温度较高，但没有显著的温度梯度突变和聚集，整个区域内温度分布较为均匀，范围在2832之间。图4.3 戏水大厅模型等高线示意在人员活动区内任意选取模型空间0.6m和1.5m的两个不同高度上的直线，如图4.3所示。将该线段上的温度数值导出后，绘制温度分布表（见附表1）和图4.4的温度数值曲线图。 图4.4 温度数值曲线图（红色为0.6米高，蓝色为1.5米高）从导出的温度分布表和图4.4的数值曲线图上可以清晰看到，线段各个点上的温度数值分布在3031.5之间，波动较小，只有在X=20m处开始有变化，温度升高至32，此处送风柱比较密集（出风柱底标高2.4m）。2） 人员活动区域各断面气流流速分布图4.5，4.6为水平高度为0.6米和1.5米的气流流速分布云图，从图上可以看出，流场在两个不同高度上的大部分区域都较为均匀，基本没有流速梯度的突变和聚集，速度基本维持在01m之间。图4.5 水平高度0.6米处的气流流速分布云图图4.6 水平高度1.5米处的气流流速分布云图将图4.3的任意选取的两根直线段的数值导出后，绘制流速分布表（见附表2）和图4.8的流速数值曲线图。图4.7 气流流速数值曲线图（红色为0.6米高，蓝色为1.5米高）从导出的流速分布表和图4.7的流速数值曲线图上可以清晰看到，线段各个点上的流速数值分布基本在0.3m/s0.5m/s之间波动，只有在X=20m处开始有变化，0.6m的红线升高至0.6m/s，而1.5m处的蓝色线升高至1.1m/s，此处位于密集的出风柱区域（出风柱底标高2.4m）。4.1.2屋面围护结构结露模拟分析根据上文可知，结露分析的工况是在外界环境温度取冬季空调室外计算温度-23.5，室内干球温度29，相对湿度60%的情况下，围护结构内表面温度是否低于露点温度20.4，进行的模拟分析。相对于人员活动区域空调舒适性模拟分析的模型，这部分考虑了顶部8根水平送风管用于屋顶内表面防结露。图4.8 整体外表面温度分布云图图4.9 纵截面温度分布云图图4.8,4.9分别从上视面，剖面的温度分布云图（051区间）观察整个内壁面温度状况，从图上可以看出，屋面透明部分围护结构的温度分布不均，部分区域温度较低（蓝色区域1420左右），部分区域温度较高（绿色区域2025），非透明部分围护结构温度较高，顶部的四对热风柱，风口喷出位置的屋面温度较高，存在温度聚集和不均匀。将屋面透明部分的所有节点的温度数值导出（见附表5），整理后可得到表4.1所示的屋面透明玻璃幕墙温度节点值，对于12766个节点来分析可知，温度均值为16.1，低于露点温度的20.4，而高于露点温度的节点数量为2040，即16%的节点温度低于露点温度；低于露点温度的节点数量为10726，即84%的节点低于露点温度，则可以推断出屋面大部分玻璃幕墙内表面存在结露的可能性。表4.1 屋面透明玻璃幕墙温度节点值图4.10显示的是纵向截面的速度矢量分布图，可以看出顶部四对送风柱的风口朝向和送出的热风走向，基本覆盖了大部分的非透明围护结构，而对于两侧的透明幕墙部分，送出的热风不能很好的覆盖。图4.10 纵截面速度矢量分布图4.1.3侧壁面围护结构结露模拟分析图4.11 侧壁面温度分布云图图4.11显示的是侧壁面温度分布云图，从图上可以看到，由于戏水大厅底部有热风送风口，下部玻璃幕墙的温度要显著的高于上端玻璃幕墙的温度，故建立图4.12所示的侧壁面直线，高7m。图4.12 纵向轴线示意图表4.2 侧壁面直线温度数值表Y m 0.00 0.78 1.56 2.33 3.11 3.89 4.67 5.44 6.22 7.00 T C 26.4 22.0 21.6 20.2 19.1 21.2 11.9 11.6 12.3 16.2 将绘制的直线的温度数值导出后，得出表4.2纵向轴线温度数值表和图4.13的纵向温度数值曲线，可以得出侧壁面的玻璃幕墙，随着高度的增加，温度降低，3m以下的侧壁面产生结露的可能性很小。图4.13 纵向温度数值曲线图小结：1、通过4.1.1章节可知，0.6m和1.5m的两个高度上，大部分区域的温度在3031.5范围内，风速维持在较低风速下，是人体较为舒适的环境工况，与设计值相符。而风速温度较高区域在出风与回风口附近区域。2、通过4.1.2章节可知，屋面的非透明部分结露可能性很小，而透明部分的大部分区域都存在结露的可能性。从导出的数据看，84%玻璃幕墙内表面会发生结露，而从顶部防结露热风的流速矢量图可得出由于风口布置不合理，造成热气流不能够覆盖玻璃幕墙的大部分区域。3、通过4.1.3章节可知，由于侧壁面内侧有地板送风，所以可以保证3m以下区域的玻璃幕墙内表面温度高于露点温度，不会产生结露。4.2夏季工况4.2.1人员活动区域空调舒适性模拟分析对于人员区域的模拟，考虑因素有02m高度空间的温度场及气流场是否符合人员舒适性要求，与冬季工况不同的是，由于夏季室外温度普遍较高，导致外围护结构内表面温度一般都高于室内露点温度，结露影响很小，但夏季的人员散热量是一个较为重要的考虑因素，影响空调负荷是否满足人员的舒适性要求，故在夏季工况模拟中，加入人体散热的边界条件。由于人员流动和数量的复杂性，按中等劳动强度的散热量和3/人的密度值添加在戏水大厅的非泳池部分区域地面。1）人员活动区域水平面流场温度分布分别选择0.6m和1.5m高度处温度分布图进行分析模拟。图4.14 水平高度0.6米处的温度分布云图图4.15 水平高度1.5米处的温度分布云图如图4.14和图4.15所示，整个温度分布较为均匀，在2528范围之间，从送风口处到远端空间存在温度渐变。图4.16 戏水大厅模型等高线示意在人员活动区内任意选取模型空间0.6m和1.5m的两个不同高度上的直线，如图4.16所示。将该线段上的温度数值导出后，绘制温度分布表（见附表3）和图4.17的温度数值曲线图。 图4.17 温度数值曲线图（红色为0.6米高，蓝色为1.5米高）从导出的温度分布表和图4.17的数值曲线图上可以清晰看到，线段各个点上的温度数值分布基本在2528之间，在X=30m处出现了个极大值32.4，经过对于模拟数据进行筛选验证该点位模拟误差点，予以忽略。3） 人员活动区域水平面流场速度分布图4.18 水平高度0.6米处的气流流速分布云图图4.19 水平高度1.5米处的气流流速分布云图图4.18，4.19为水平高度为0.6米和1.5米的气流流速分布云图，从图上可以看出，流场在两个不同高度上的大部分区域都较为均匀，基本没有流速梯度的突变和聚集，速度基本维持在01m之间。将4.16的两根直线段的数值。将该线段上的温度数值导出后，绘制流速分布表（见附表4）和图4.19的流速数值曲线图。图4.20 气流流速数值曲线图（红色为0.6米高，蓝色为1.5米高）从导出的流速分布表和图4.20的流速数值曲线图上可以清晰看到，线段各个点上的流速数值分布基本在0.2m/s0.5m/s之间，只有在X=22m处有一处节点速度较大，此节点已被证实为模拟误差点，不影响整个区域的流畅均匀性。小结：夏季人员活动区域空调舒适性模拟分析可以得出，0.6m和1.5m的两个高度上，大部分区域的温度在2528之间，风速维持在较低风速下，是人体较为舒适的环境工况。5 模拟结果分析及优化建议5.1戏水大厅的气流组织通过对戏水大厅人员主要活动区域气流速度场模拟结果的知道，戏水大厅中人员主要活动区域的气流流速均匀，流速从送风口和回风口递减，梯度变化合理，气流速度主要分布在0.20.5m/s范围内，送风口附近存在局部气流流速较高现象，主要因为受限于戏水大厅的景观以及整体设置要求，送回风口布置不均匀，为确保距离送风口较远区域的气流组织和温度场满足使用要求，需要提高局部送风速度，实际送风速度较高区域高于人员活动范围，对人员活动影响较小。靠近壁面设置有送风口区域的风速较高，主要是为了提高幕墙内壁面温度，保证送风形成沿内壁面的良好的贴附射流。对于高于人员主要活动区高度区域的气流速度，对人员活动区的舒适性影响较小，因此可以忽略。5.2戏水大厅的温度分布通过对戏水大厅人员主要活动区域温度场模拟结果的可知，在冬季模拟工况下，人员主要活动区域温度介于2832之间，略高于戏水大厅设计温度；在夏季模拟工况下，人员主要活动区域温度介于2528之间，稍低于游泳池设计温度。分析冬夏季温度场模拟结果和设计计算温度之间的差异原因如下：1. 由于建立模型过程中对实际物理模型进行简化处理，冬季忽略了冷风渗透等因素的影响，导致模拟工况下的供热量大于室内热负荷，因此人员主要活动区内温度略高于设计温度。2. 设计时屋顶非透明部分中间有锥形玻璃天窗，而在模拟工况时该锥形天窗已经取消，降低了室内冷负荷，因此模拟工况下的供冷量也大于室内冷负荷，导致模拟结果中人员主要活动区内温度稍低于设计温度。基于以上分析，原设计中不论冬季还是夏季工况，供冷量和供热量均能满足使用需求，建议实际运行时可以通过调节送风温度等方法，达到理想的设计温度。5.3戏水大厅围护结构结露分析由于戏水大厅为高温高湿环境，且常年温湿度稳定，因此，当室外温度低于某一数值时，导致围护结构内表面温度低于室内空气露点温度时，围护结构内壁面将会有结露现象发生。经理论计算得出，在理想的室内设计状态下，即室内温度29，相对湿度60%时，露点温度为20.4，因此，在工程设计过程中，采取了以下措施避免围护结构内壁面温度过低，结露现象发生。1. 选择传热系数较低的围护结构材料。提高围护结构热工性能，降低室外环境温度对室内温度的影响。由于侧面围护结构和屋顶透明部分有大量玻璃幕墙应用，因此选用的双层Low-E中空玻璃作为玻璃幕墙材料，屋顶非透明部分为保温屋面，目前设计中采用的围护结构参数详见表3.1。2. 沿外围护结构周边敷设送风口，在冬季时沿围护结构内壁面送热风，强化内壁面对流换热系数，提高内壁面温度，减少在内壁面发生结露的可能性。3. 在屋顶结构桁架中敷设四组共八支送风管，送风管两侧设置送风口，在室外温度较低时，通过送风管送高温热风，提高屋顶内壁面温度，防止屋顶结露现象的发生。根据以上基本措施建立模型，进行模拟计算，通过对模拟结果的分析有以下结论可知。1. 在周边敷设有送风口的玻璃幕墙处地面至地面上方3m高度范围内，由于有送风口提供34的热风，热风沿幕墙内壁面形成贴附射流，内壁面温度普遍高于或接近20.4，结露现象不易发生。2. 屋面非透明部分内壁面温度高于20.4，不易发生结露，屋面透明部分内壁面温度低于室内露点温度20. 4，有发生结露的可能性。究其原因，其一是透明部分玻璃的导热系数高，对内壁面温度影响较大。其二是送风口沿长度设置不均匀，送风方向不够贴附屋面，不能形成稳定的贴附射流。从而导致热气流不能均匀覆盖屋面透明部位，无法使高温送风射流在屋面处有效的提高屋顶非透明部分的内壁面温度。基于以上设计基础和模拟结果，需要优化屋面下方防结露送风系统的气流组织，降低屋面结露的可能性。5.4屋面防结露送风系统方案优化由于实际施工中，屋顶非透明部分中间的锥形天窗已经取消，不需要在屋顶中间区域敷设送风管。因此根据以上模拟分析结果，调整屋面下方防结露送风系统，使中间位置的送风管移至屋顶透明部分，更加有效地提高内壁面温度。如下图5.1所示。图5.1 屋顶防结露送风系统位置调整示意图为进一步研究戏水大厅的结露状况，查询中国建筑热环境专用气象数据集中沈阳地区的气象数据（如图5.2）可知，在全年的常规运行时段内（8：00-22：00），低于-20.0的时段仅13个小时，不到工作时段的1%，发生的概率小，而且超过-20.0可能的极端温度一般出现在凌晨0:003:00的时段，而该时段壁面结露对实际运行的影响较小，因此，选择-20.0作为模拟计算的室外温度。图5.2 全年运营时段逐时干球温度统计根据调整后的屋顶防结露送风系统和室外计算参数重新建模并进行模拟计算。该次调整中室内计算温度和其他边界条件不变。通过模拟计算得到戏水大厅外表面的温度分布图5.3和戏水大厅纵剖面的温度分布图5.4。从图5.3可知，屋面透明部分中被高温热风吹拂到的区域，壁面温度高于露点温度，不易发生结露，其余透明区域部分壁面温度较低，可能发生结露。非透明部分内壁面温度呈现均匀的黄色，温度均在30以上，不易发生结露。图5.3 整体外表面温度分布云图从图5.4可以观察到，从地面到屋顶高位，有明显的温度梯度，大量高温空气在顶部集聚，中间非透明区域空气温度超过35。图5.4 纵截面温度分布云图从图中可以看到，调整风管布置后的模拟结果在透明区域的温度场有明显改善。非透明区域温度场因为空气扰动较小，温度分布更均匀，屋顶透明区域内壁面温度有所提高。图5.5 屋面非透明区域内壁面温度分布上图5.5为导出的屋顶非透明区域的温度分布统计数据图。根据统计图和统计数据（见附表6）可以看到，屋面非透明部分内壁面共19674个节点温度范围为2040，平均温度为30.8，高于露点温度20.4，基本保证屋面非透明部分区域均不发生结露。图5.6 屋面透明区域内壁面温度分布上图5.6为导出的屋顶透明区域的温度分布数据图，根据统计图和统计数据（见附表7）可以知道，屋面透明部分的计算节点的内壁面温度在1236范围内，平均温度为22.4，高于露点温度20.4。其中高于露点温度的节点数为7912个，低于露点温度的为4853个。统计整个屋面内壁面节点温度