丁偉翔 劉秀會(huì) 金羽佳

浙江聯(lián)泰建筑節(jié)能科技有限公司

0 引言

氣流組織是空氣調(diào)節(jié)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，關(guān)系著房間人員活動(dòng)區(qū)的溫濕度參數(shù)，精度及區(qū)域溫差。合理的室內(nèi)氣流組織不但可以消除給人體帶來(lái)不適的余熱余濕，創(chuàng)造良好的室內(nèi)環(huán)境，還能在一定程度上降低建筑能耗[1]?？照{(diào)房間內(nèi)不同的氣流組織會(huì)形成不同的速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)，進(jìn)而影響房間空調(diào)系統(tǒng)效果。

通過(guò)計(jì)算流體力學(xué)方法對(duì)室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行仿真模擬，對(duì)于指導(dǎo)空調(diào)設(shè)計(jì)，改進(jìn)設(shè)計(jì)缺陷具有重要作用。本文采用gambit軟件建立物理模型及劃分網(wǎng)格，運(yùn)用Fluent軟件對(duì)超市夏、冬季空調(diào)環(huán)境進(jìn)行了氣流組織模擬，最后通過(guò)tecplot軟件分析了超市典型截面的速度場(chǎng)與溫度場(chǎng)，判斷在本項(xiàng)目超市現(xiàn)有設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上室內(nèi)空調(diào)工況的效果是否能夠達(dá)到舒適要求，為超市室內(nèi)熱環(huán)境研究、空調(diào)通風(fēng)設(shè)計(jì)及運(yùn)行調(diào)節(jié)等提供參考。

1 項(xiàng)目概況

本工程項(xiàng)目位于江蘇省溧陽(yáng)市，屬于夏熱冬冷地區(qū)。超市（如圖1所示）位于某商業(yè)廣場(chǎng)中第二層的南部。超市建筑面積為5300 m2，層高為5.3 m。室內(nèi)設(shè)計(jì)人數(shù)為2104人，設(shè)計(jì)新風(fēng)量為42080 m3/h。超市空調(diào)計(jì)算冷負(fù)荷為825 kW，冷指標(biāo)為150 W/m2；空調(diào)計(jì)算熱負(fù)荷為330 kW，熱 指標(biāo)為60 W/m2。

圖1 超市平面圖及空調(diào)末端風(fēng)口布置平面圖

2 空調(diào)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

2.1 冷熱源

超市冷源系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用2臺(tái)制冷量為430 kW風(fēng)冷熱泵機(jī)組，冷 水溫度7/12 ℃，冷水流量73.8 m3/h。熱源系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用2臺(tái)制熱量為330 KW的風(fēng)冷熱泵機(jī)組，熱 水溫度45/40 ℃，熱水流量56 m3/h。

2.2 輸配系統(tǒng)形式

超市的空調(diào)水系統(tǒng)為一級(jí)泵變水量系統(tǒng)，水泵根據(jù)負(fù)荷變化自動(dòng)變頻變流量運(yùn)行。風(fēng)冷熱泵機(jī)組和空調(diào)水泵采用一對(duì)一的連接方式，設(shè)一臺(tái)備用泵。空調(diào)機(jī)組的送風(fēng)機(jī)均采用變頻控制以節(jié)省運(yùn)行電耗。

2.3 空調(diào)系統(tǒng)末端形式

超市采用單風(fēng)機(jī)全空氣系統(tǒng)，空調(diào)區(qū)域采用上送上回的氣流組織形式。全空氣系統(tǒng)采用組合式空氣處理機(jī)組，安裝于空調(diào)機(jī)房?jī)?nèi)，室內(nèi)回風(fēng)與室外新風(fēng)混合后經(jīng)組合式空氣處理機(jī)組處理后，在風(fēng)機(jī)作用下由均勻布置在室內(nèi)的方形散流器送入空調(diào)區(qū)域，方形散流器送風(fēng)口均自帶手動(dòng)調(diào)節(jié)閥。超市的散流器送風(fēng)后，由集中回風(fēng)與排風(fēng)維持室內(nèi)壓力平衡。所有空調(diào)系統(tǒng)不由吊頂內(nèi)回風(fēng)，空調(diào)機(jī)組統(tǒng)一進(jìn)行回風(fēng)，回風(fēng)口與空調(diào)機(jī)組間設(shè)風(fēng)管連接。

3 室內(nèi)外空調(diào)設(shè)計(jì)參數(shù)

表1為溧陽(yáng)市空調(diào)（采暖）室外計(jì)算氣象參數(shù)，表2為該超市空調(diào)（采暖）室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)。

表1 溧陽(yáng)市空調(diào)（采暖）室外計(jì)算氣象參數(shù)

表2 超市空調(diào)（采暖）室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)

4 分析依據(jù)及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

按照《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》G B/T50378-2014中的室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量對(duì)本項(xiàng)目進(jìn)行評(píng)價(jià)。采用集中供暖空調(diào)系統(tǒng)的建筑，房間內(nèi)的溫度、濕度、新風(fēng)量等設(shè)計(jì)參數(shù)應(yīng)符合現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》G B50736-2012的第3.0.2條，人員長(zhǎng)期逗留區(qū)域空調(diào)室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)應(yīng)符合表3規(guī)定[2]。

表3 舒適性空調(diào)室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)

5 空調(diào)工況室內(nèi)氣流組織模擬

5.1 物理模型

本文根據(jù)建筑平面圖及暖通設(shè)計(jì)建立超市空調(diào)熱環(huán)境三維簡(jiǎn)化模型如圖2所示：房間區(qū)域呈多邊形，其中北、東、西向?yàn)閮?nèi)墻，南向?yàn)橥鈮?，模型中房間及風(fēng)口的幾何尺寸皆按實(shí)際尺寸設(shè)置。從建筑室內(nèi)空調(diào)末端平面布置圖可以看出：本層風(fēng)管管底標(biāo)高為+3.75 m。燈高度為位置為+4 m。超市采用上送上回的氣流組織形式，散流器送風(fēng)口的布置平均間距為4.2 m。

圖2 超市三維房間簡(jiǎn)化模型

5.2 數(shù)學(xué)模型

為了對(duì)該問題進(jìn)行簡(jiǎn)化，本文做出如下假設(shè)：超市室內(nèi)空氣為不可壓縮流體，忽略因流體粘性力做功引起熱量變化且符合Bossinessq假設(shè)?？照{(diào)送風(fēng)為穩(wěn)態(tài)湍流流動(dòng)。忽略固體壁面間的熱輻射。室內(nèi)空氣為輻射透明介質(zhì)。不考慮門、窗漏風(fēng)的影響，認(rèn)為室內(nèi)氣密性良好。

速度與壓力耦合采用SIMPLE算法。模擬中湍流模型選用標(biāo)準(zhǔn)K-ε雙方程求解超市空調(diào)通風(fēng)狀況，該模型已經(jīng)得到了大量工程應(yīng)用的驗(yàn)證，可靠性高[3]。

5.3 邊界條件的設(shè)置

數(shù)值模擬過(guò)程中邊界條件的設(shè)定非常重要，關(guān)系到解的合理性和收斂性，所以在模擬的過(guò)程中應(yīng)盡量接近實(shí)際狀態(tài)。

根據(jù)超市的暖通設(shè)計(jì)進(jìn)行以下參數(shù)設(shè)置：南外墻假設(shè)為穩(wěn)態(tài)等溫邊界，按照夏季室外空調(diào)計(jì)算溫度34.6 ℃給定，冬季為-3.5 ℃。其余內(nèi)墻均為內(nèi)隔墻，由于臨室也為空調(diào)房間，故可忽略由于溫差傳熱而引起的熱量傳遞，均 可假設(shè)為絕熱邊界，地面也為絕熱邊界條件。三面南窗（1200 mm×1200 mm）作為超市的外窗，由于相較于房間空間面積較小，所引起的負(fù)荷小，可忽略不計(jì)。

方形散流器（總個(gè)數(shù)為221）位于房間上部，尺寸均為250 mm×250 mm，設(shè)置為速度入口邊界條件，夏季送風(fēng)溫度為18 ℃，送風(fēng)風(fēng)速為3 m/s。冬季送風(fēng)溫度為30℃，送風(fēng)風(fēng)速為1.5 m/s。排風(fēng)口與回風(fēng)口的尺寸均為1200 mm×1200 mm，設(shè)置為出口邊界。燈光負(fù)荷設(shè)置于房間上部，均勻分布為10 W/m2。人員與設(shè)備負(fù)荷位于房間下部，人體散熱量按 138 W/人計(jì)算為54.78 W/m（2超市設(shè)計(jì)人數(shù)為2104 人，模擬按照最大負(fù)荷工況進(jìn)行），設(shè)備負(fù)荷為10 W/m2，在該模型中假設(shè)兩種熱量均勻地平鋪在超市地板表面，合計(jì)均勻分布為64.78 W/m2。

表4 超市簡(jiǎn)化模型邊界條件的設(shè)置

5.4 網(wǎng)格劃分及相關(guān)參數(shù)設(shè)置

網(wǎng)格的質(zhì)量直接決定了計(jì)算的精度和結(jié)果，對(duì)超市模型采用非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格進(jìn)行了劃分，其中對(duì)送風(fēng)口，回風(fēng)口與排風(fēng)口等溫度，速度梯度較大的地方進(jìn)行了局部網(wǎng)格加密，如圖3所示。模型總體網(wǎng)格數(shù)為814673。

圖3 風(fēng)口處加密網(wǎng)格放大圖（局部）

采用二階迎風(fēng)格式對(duì)控制方程進(jìn)行離散，其中連續(xù)性方程與動(dòng)量方程的殘差小于10-3，能量方程的殘差小于10-6。

在影響人體熱舒適性的環(huán)境因素中，溫度和速度是與氣流組織密切相關(guān)的兩個(gè)重要參數(shù)，室內(nèi)空氣的溫度場(chǎng)與速度場(chǎng)是研究及評(píng)價(jià)空調(diào)房間內(nèi)氣流組織的基礎(chǔ)[4]。室內(nèi)熱環(huán)境模擬選取離地面1.5 m人行高度處為分析面，得出超市室內(nèi)溫度、風(fēng)速的分布圖并進(jìn)行分析。

6 模擬結(jié)果及分析

6.1 溫度場(chǎng)模擬結(jié)果及分析

圖4為夏季超市地面上1.5 m 處的溫度分布，可以看出室內(nèi)人員活動(dòng)區(qū)溫度分布較為均勻，大致處于24.5～27.5℃之間，符合超市夏季空調(diào)設(shè)計(jì)溫度要求。送風(fēng)口正下方受冷氣流的影響溫度相對(duì)較低，超市部分角落處受氣流的影響較小使得溫度較高，靠近外墻處由于受到外界氣溫的影響使得溫度較高，但 影響人群主要活動(dòng)區(qū)域。

圖4 夏季超市室內(nèi)1.5 m處溫度分布云圖

圖5 為冬季超市地面上 1.5 m 處的溫度分布，可以看出室內(nèi)人員活動(dòng)區(qū)溫度分布較為均勻，大致處于17.5 ℃～20.5 ℃之間，符合超市冬季空調(diào)設(shè)計(jì)溫度要求。與夏季不同的是，在冬季時(shí)，燈光、人員及設(shè)備所產(chǎn)生的熱量能夠起到減小熱負(fù)荷的效果?？拷鈮μ幖安糠纸锹涮幱捎谑艿酵饨鐨鉁氐挠绊憸囟容^低，但不影響人群主要活動(dòng)區(qū)域。

圖5 冬季超市室內(nèi)1.5 m處溫度分布云圖

6.2 速度場(chǎng)模擬結(jié)果及分析

圖6為超市夏季地面上1.5 m 處速度分布圖，由圖可以看出在人員活動(dòng)范圍內(nèi)送風(fēng)氣流分布均勻，除了送風(fēng)口正下方的少部分區(qū)域氣流相對(duì)較強(qiáng)且風(fēng)速較高外，其余大部分區(qū)域的風(fēng)速均小于 0.3m/s，超市室內(nèi)人員不會(huì)有強(qiáng)烈的吹風(fēng)感，滿足人體夏季吹風(fēng)感的舒適度要求。

圖6 夏季超市室內(nèi)1.5 m處風(fēng)速分布云圖

圖7 為超市冬季地面上 1.5 m 處速度分布圖中，可以看出在人員活動(dòng)范圍內(nèi)送風(fēng)氣流分布均勻，由于冬季熱風(fēng)的密度小，浮 升力作用明顯，在超市區(qū)域內(nèi)形成的氣流流速較低，滿足冬季室內(nèi)不大于0.2 m/s的風(fēng)速限值要求，不會(huì)使人體產(chǎn)生吹風(fēng)感。在圖中回/排風(fēng)口正下方，由于集中回/排風(fēng)量大的原因使得該處的風(fēng)速相對(duì)較大，但不會(huì)影響人員主要活動(dòng)區(qū)域。

圖7 冬季超市室內(nèi)1.5 m處風(fēng)速分布云圖

6.3 測(cè)點(diǎn)分析

為了更加準(zhǔn)確地了解超市內(nèi)主要位置的熱環(huán)境參數(shù)。如圖8所示，本文在區(qū)域內(nèi)1.5 m平面處均勻地選取10個(gè)測(cè)點(diǎn)，分別得出了這些測(cè)點(diǎn)的模擬溫度與速度值。

圖8 超市室內(nèi)1.5 m平面處的模擬測(cè)點(diǎn)分布

圖9 超市室內(nèi)1.5 m平面處模擬測(cè)點(diǎn)溫度與速度值曲線

從圖 9 可以看出，在夏季工況時(shí)，超市內(nèi)部主要位置的溫度分布大致波動(dòng)于25.2～27.2℃，風(fēng)速范圍在0.12～0.25 m/s，兩者均處于人體舒適范圍內(nèi)；從圖 9可以看出，在冬季工況時(shí)，超市內(nèi)部主要位置的溫度分布大致波動(dòng)于 17.4～19.9 ℃，風(fēng)速范圍在0.02～0.12 m/s，兩者均處于人體舒適范圍內(nèi)。

7 結(jié)論

本文采用計(jì)算流體力學(xué)軟件Fluent，對(duì)超市夏季與冬季的室內(nèi)熱環(huán)境進(jìn)行了模擬計(jì)算，通過(guò)對(duì)室內(nèi)人員主要活動(dòng)區(qū)域的溫度、風(fēng)速進(jìn)行分析，得出了以下結(jié)論：

1）超市室內(nèi)氣流分布均勻，夏季人員活動(dòng)區(qū)域的溫度基本處于 24.5～27.5 ℃之間，風(fēng)速基本處于0.3 m/s以下；冬季溫度基本處于 17.5～20.5 ℃之間，風(fēng)速基本處于 0.2 m/s 以下，滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》 GB50736-2012 第3.0.2 條室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)的要求。因此，項(xiàng)目空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)選型合理，送回風(fēng)口布置合理，從送風(fēng)口吹出的氣流在超市內(nèi)能形成良好的回流，使室內(nèi)人員達(dá)到良好的舒適感，室內(nèi)氣流組織滿足熱環(huán)境參數(shù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求。

2）超市內(nèi)部分角落處由于送風(fēng)氣流循環(huán)較弱的原因，與主要區(qū)域的熱環(huán)境參數(shù)存在差異，然而此處并非室內(nèi)人員主要活動(dòng)區(qū)域。結(jié)合溫度、風(fēng)速分布，可以考慮在這些地方合理布置超市內(nèi)貨架及其他設(shè)備。