注册建筑师考试备考辅导大空间建筑室内空调流场数值模拟与分析

大空间建筑室内空调流场数值模拟与分析1 引言 大空间建筑由于空间高大，影响因素多且复杂，一般空调负荷较大1。大空间空调设计成功与否的主要参考指标为负荷较小与热舒适良好，因此研究大空间建筑室内空调流场就非常重要。相对于实验和现场实测，利用CFD 技术进行全场的模拟是一种即可靠又最为经济的手段。本文将从CFD模拟入手，分析几种大空间空调方式下的室内速度场和温度场，以此研究送风方式对大空间建筑空调负荷和舒适度的影响。 2 大空间空调方式 典型的大空间空调方式包括顶送全室空调、侧送分层空调和下送置换空调三种。顶送全室空调采用顶棚喷设置喷口或旋流风口和空间下部布置回风口实现；侧送分层空调以在侧墙中部以下设置喷口、同侧墙下部近地面处设置回风口并辅以上部空间的通风（机械通风或自然通风）实现；下送置换空调则以地面或近地面侧墙处设置风口（一般为置换送风口）和空间上部设置回风（排风）口实现。从送风气流特性看，前两者都是高速送风，送风温差大，且诱导大量周围空气，能达到较远的区域；而置换空调一般以不大于0.3m/s 的速度送风，送风温差小，不需要卷吸周围空气，送出空气先在地面上蔓延形成“冷空气湖”，当遇到热源便会沿热源攀升，温度逐渐升高。（a）、1（b）、1（c）分别为一含热源大空间对称单元在三种空调方式下的风口布置情况，也是模拟计算的几何模型。 3 数值模拟与分析 3.1 数学模型 计算对象，本文采用的大空间建筑单元高度为m，半宽度8m，长度4m。地面上均匀放置四个相同的尺寸为1m0.5m0.5m 的热源。模拟采用的数学模型通用表达式如下： 上述通用控制方程包含了连续性方程、三个方向动量方程和能量方程。其中， 为通用变量，S 为广义源项， 为广义扩散系数。本文采用的紊流模型为Q. chen 等人研究的室内流动零方程模型，其紊流粘度采用下式定义3： 其中，u t 为紊流粘度， 为局部空气密度， v 为局部空气流速。L 为距离最近壁面的距离，0.874 为经验系数。本文采用通用CFD 软件进行模拟，用控制容积法离散偏微分方程组；采用SIMPLE 算法求解速度压力耦合方程；采用Boussinesq 假设，即除动量方程中的浮力项外密度按常数处理；考虑表面间辐射换热，用半球面模型计算计算辐射角系数，当遇见遮挡时用Monte Carlo法。 边界条件除了送回风条件以外，其余取用相同的值。为了使三种空调方式下工作区都达到平均25 oC 左右的设计条件，本文进行了大量的试算确定了送回风边界条件。各边界条件列表如下： 3.2 结果与分析 取送风口中心所处的纵断面来考察不同空调方式的速度和温度分布特点，其中全室空调为对称单元长向中心处，分层空调和置换空调都为距离长向一侧对称面1m 处。将数值模拟结果给出如下（按宽向对称面镜像）： 从上述结果看，全室空调方式下，整个大空间室内温度分布较为均匀；上下垂直温度梯度小；需要很大的送风量及送风速度才能保证工作区良好的温度条件。分层空调方式下，工作区温度相对均匀；垂直温度明显；送风速度大；工作区大部分在回流区；适当提高排风比可以减少上下热转移和降低工作区温度。置换空调方式下，下部热源高度范围内温度垂直梯度较大，中部温度变化变缓，上部梯度又增大；全排风运行较为经济；送风在下部形成了“冷空气湖”，遇热源上升，并使得热源上方形成明显羽流。 从回风利用性来看，全室空调回风温度较低，提高回风比是经济的；分层空调在减少上下区域热转移量基础下，提高回风比也较经济；置换空调的上部空气温度很高且污浊，利用回风是不合适的。反过来，一般而言置换空调新风比，分层空调次之，全室空调最小。 从舒适度和室内空气品质来分析，置换空调新风比大或多为全新风，且未经混合室内空气直接供给下部人员，新风利用情况，但容易造成脚部过凉；分层空调能创造较好的回流区，避免脑后风，但新风利用不如置换空调；全室空调的新风到达工作区时已经历较远距离，由于完全参混了室内空气，其新风利用情况最差。 从模拟的结果中，我们可以得到三种空调各自的送风量、送风排热量以及处理回风的冷量。这几个量是分析大空间建筑空调节能性的重要指标。给出了三种空调方式的质量和体积送风量；给出了三种空调方式的送风排热量和处理回风冷量（分层空调回风比按85，置换空调全新风、全室空调全回风）。横坐标“一”代表全室空调方式，“二”代表分层空调方式，“三”代表置换空调方式。数值为镜像后的值，是实际计算值2 倍为了达到工作区相同的温度条件（平均约25 oC），三种空调方式的送风量差别很大，其中置换空调和分层空调两者相差不多，按体积风量分别只为全室空调的30和40。同时送风温度也是置换空调，为22 oC；分层空调为.5 oC，全室空调为.0 oC。可见，置换空调需要的空气处理设备容量最小，分层空调略大些，而全室空调。如图6 所示，全室空调由于送风量绝对，因此送风排热量是的，但其结果是全室降温，无效排热占很大比例。如果都以相同回风比，那么可以看出置换空调和分层空调相对于全室空调，其冷负荷节约率将分别达到51.7和49.2。此外，置换空调虽然送风量小于分层空调，但其排热量反而稍大于分层空调。全室空调取用全部回风，则其处理回风的冷量恰好等于送风排热总量，可见能耗巨大。 4 结语通过本文的研究，我们可以得出以下结论： 大空间建筑中，置换空调能保证的舒适度和室内空气品质；分层空调能保证良好的室内条件；而全室空调不易达到前两者的室内条件。 达到相同的工作区温度，全室空调需要很大的送风量和送风速度；分层空调需要较小的送风量和较大送风速度；置换空调则只要很小送风量和极低的送风速度。 相同条件下，置换空调的设备容量最小，分层空调的略大，全室空调。 按照本文计算条件，即使都按相同回