王承志，張妍妍，王燕，董敏

（山東華宇工學院，山東 德州 253034）

0 引 言

近年來，隨著我國經(jīng)濟的日益發(fā)展，我們可以明顯地感覺到出行愈發(fā)方便，隨之而來的便是客運服務快速發(fā)展。候車大廳作為車站最重要的功能區(qū)，人們對候車大廳的要求也在不斷提高，尤其是對空調系統(tǒng)提出了更高的要求。因此，在暖通的設計中，不僅要保證建筑物內的人有良好的舒適度，還要盡可能地降低空調能耗，節(jié)約能源。

候車大廳屬于高大空間建筑，與其他小型室內建筑相比，高大空間建筑往往呈現(xiàn)出變化較大的分布特點，尤其是在垂直方向上很容易形成分層現(xiàn)象。目前，高大空間空調系統(tǒng)氣流組織的設計尚無非常成熟的理論和實驗結論，需要借助氣流數(shù)值分析和模型實驗來找到最優(yōu)的氣流組織方案，數(shù)值模擬已經(jīng)成為研究高大空間氣流組織的最常用方式之一。

宣湟等人利用CFD 技術對上海某高大空間的座椅送風結合局部頂送風方式進行數(shù)值模擬分析，結果表明該方案下的熱舒適性得到了顯著的提升；溫新華運用CFD 技術對某酒店宴會廳空調系統(tǒng)進行氣流組織模擬，發(fā)現(xiàn)其中存在的不足，通過改進措施，解決系統(tǒng)中存在的問題。王龍閣對不同熱源形式以及不同用途的高大空間建筑，采用不同的送風口布置方式以及不同的送風口數(shù)量，利用CFD 模擬軟件對室內流場進行模擬分析，得出布置方式及送風口數(shù)量對室內流場的影響。

目前，高大空間建筑常用的送風方式主要有上送下回、側送側回、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、高度在10 m 以上的建筑；置換通風由于系統(tǒng)管道復雜，容易產(chǎn)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。本文采用數(shù)值模擬方法，利用Fluent 軟件模擬側送側回送風方式下候車大廳的氣流組織情況，通過對比分析不同工況下氣流組織的特點，為候車大廳的空調設計提供參考。

1 建立物理模型、網(wǎng)格劃分及設計方案

1.1 建筑模型建立

本建筑物為候車大廳，屬于高大建筑，位于德州市，坐南朝北。建筑長度為20 m，寬度為10 m，高度為7 m，總建筑面積為200 m2。采用側送側回的送風方式，總共設置13 個尺寸為600 mm×600 mm 的回風口，2 個1 500 mm×1 500 mm的送風口。由于候車大廳屬于高大建筑，很多送風形式都不能同時兼顧經(jīng)濟性和舒適性的要求，頂送風在這個模型中就不合適，新風系統(tǒng)因為候車大廳巨大的高度差，很難到達旅客以及工作人員的活動區(qū)域。如果采用大風速、低冷量的送風方式，效果不一定理想，但是能耗和噪音都會增加。具體建筑模型如圖1 所示。

圖1 建筑模型圖

1.2 網(wǎng)格劃分

計算過程的第一步便是網(wǎng)格劃分，F(xiàn)luent 內設強大的自動劃分軟件Mesh，可對模型進行精準的網(wǎng)格劃分。一般情況下，由于網(wǎng)格數(shù)量代表了要計算的區(qū)域范圍，類似于微分方程，網(wǎng)格劃分的越密集數(shù)量越多，最終結論的準確性才會越高。但是網(wǎng)格數(shù)量過多，又會對計算機的運算速度提出較高的要求，需要長時間的運算，大大增加了計算量。房間的出風口與進風口對室內氣流組織有極大的影響，所以為了在較小計算量的同時增加計算精度，采用局部加密的網(wǎng)格劃分方法，最終網(wǎng)格節(jié)點被劃分為854 986 個。

1.3 設計方案

由于候車大廳屬于高大建筑，對風速和溫度有較高的要求。合理風速在10 ～13 m/s 之間，合理送風溫度為15～18℃。因此在本區(qū)間選定4個合理的工況進行對比研究，具體參數(shù)如表1 所示。

表1 模擬工況

2 模擬計算及結果分析

由于在候車大廳，人群年齡差別大、地域分布廣，所以每個工況均截取距地面1.5 m 和2 m 的平面云圖來分析。

對于A1 和A2 工況來說，送風溫度相等，送風風速不同。通過對比分析兩種工況下的溫度場圖和風速場圖，得出不同送風風速對氣流組織的影響，如圖2、圖3 所示。

圖2 顯示了A1 工況下Z=1.5 m 處的溫度場和速度場，圖3 顯示了A1 工況下Z=2 m 處的溫度場和速度場，由溫度云圖可以看出，最高溫度為300 K，最低溫度為289 K，溫度呈現(xiàn)出由四周向中間逐漸降低的走勢，氣溫最低處在兩個送風口附近，溫度最高處在兩個墻的夾角處。根據(jù)分析得出結論，風由風口吹入后涌入出風口。而兩個墻的夾角處，風無法吹到，屬于盲區(qū)，由風場流速圖也可以看出，兩個夾角處風速為零，說明此區(qū)域空氣流動緩慢，換氣效率低下。最高風速在送風口處，速度為3 m/s。在人員密集的中間區(qū)域，云圖情況表現(xiàn)良好，風力強度在1 m/s 以內，屬于人體舒適風速。從溫度圖中可以看出，房屋四周溫度較高，但是隨著風吹入深度的增加，房屋由四周向中心氣溫逐漸下降，且下降速度比較明顯。在人員密集的中心區(qū)域，溫度都在296 K以下，屬于體感舒適的黃金溫度范圍。

圖2 A1 工況下溫度場和速度場（Z=1.5 m）

圖3 A1 工況下溫度場和速度場（Z=2 m）

由圖2 和圖3 的對比分析可知，由于風口設置在3.5 m高度處，隨著高度的上升，空氣溫度下降比較明顯，氣體流速上升較為顯著，由此可知高度也是影響氣流組織的因素之一。根據(jù)A2狀況下的云圖，比較兩種工況下氣流狀態(tài)的差異。A2 工況下氣流溫度與流速的云圖如圖4、圖5 所示。

圖4 A2 工況下溫度場和速度場（Z=1.5 m）

圖5 A2 工況下溫度場和速度場（Z=2 m）

從圖中可以看出，相較于A1 工況，A2 工況的進風速度有所上升，溫度場與速度場有了明顯的變化。由溫度圖可以看出，溫度最高處依然是墻壁四周，溫度為300 K，但是相較于A1 工況，高溫面積擴大。最低溫度為291 K，相較于A1 工況，最低溫度上升兩度，此外，明顯的表現(xiàn)就是，溫度場四周溫度上升，而靠近出口處的溫度下降幅度較大的情況。這樣帶來的后果就是，人員密集的地方氣溫較高，而靠近出口的地方氣溫較低，帶來房屋內氣溫差異過大的問題。舒適氣溫環(huán)境相較于A1 工況，面積較小，人員處于不舒服環(huán)境的概率更大。從速度場來看，房屋四周風速較低，房屋中心區(qū)域風速較高，特別是房屋兩夾角到出風口的一條線，風速超過2.7 m/s，超出了人體的舒適風速?？傮w來說，風速提高后，房屋內部的氣流呈現(xiàn)出分布不均、差值較大的情況，這就極大地降低了人體舒適度。

相較于A1、A2 工況，A3、A4 工況提高了溫度，如圖6、圖7、圖8、圖9 所示。

圖6 A3 工況下溫度場和速度場（Z=1.5 m）

圖7 A3 工況下溫度場和速度場（Z=2 m）

圖8 A4 工況下溫度場和速度場（Z=1.5 m）

圖9 A4 工況下溫度場和速度場（Z=2 m）

在A3 工況下，由溫度圖可以看出，最高溫度依然為300 K，溫度最高處是四周，相較于A1 工況，高溫面積比較大，最低溫度為293 K，上升4 K。與A2 工況相同，此時溫度場出現(xiàn)了四周溫度上升，靠近出口的溫度下降幅度較大的情況，進而造成房屋內氣溫差異過大。人群密集的地方氣溫高，而靠近出口的地方氣溫低，舒適氣溫環(huán)境的面積較小，在此條件下人員多處于不舒服的環(huán)境中。從速度場圖中可以看出，A3 工況下，最高風速為3.4 m/s，相較于A1 和A2 工況，風速較大的區(qū)域降低的較為明顯，除靠近出風口的內部區(qū)域，剩余大部分都處于1 m/s 的風速之下。

由云圖可以看出，在12 m/s 的流速下，A4 工況出現(xiàn)了與A2 工況相同的問題。并且由于A4 工況提高了溫度，所以在A4 工況下，所展現(xiàn)的室內氣流溫度、流速分布不均的問題更加嚴重，舒適區(qū)域的面積進一步減少。在A4工況下，氣溫最高分布在墻壁四周，為300 K，面積相較于A1 來說，擴張明顯。最低溫度292 K，且分布呈現(xiàn)線性趨勢，由溫度最高的進風口夾角處，流向兩個出風口處。除去極端氣溫，處于舒適溫度的區(qū)域面積進一步減少，相對于人流密集的候車大廳來說，這會極大地降低旅客的舒適度。流場圖的變化更為明顯，出現(xiàn)了明顯的風向線，且室內氣流不穩(wěn)，最高流速為3.8 m/s，其他地方流速降低較為明顯。雖然流速在1 m/s 的區(qū)域面積比較大，但是問題在于這種流場分布，對于人體健康影響較大，處于風口處，人體在高風速的環(huán)境中，體感較差，加之該區(qū)域溫度偏低，這就給旅客帶來了更多健康上的風險。綜上所述，A1 工況為最佳工況。

3 結 論

本研究通過Fluent 軟件對某候車大廳側送側回送風方式的四種工況進行了模擬分析，結果發(fā)現(xiàn)在相差不大的送風溫度條件下，候車大廳空間內的溫度和氣流組織不會有顯著的變化，但是，不同的送風速度對于候車大廳內的氣流溫度有著較大的影響，較低的送風速度會導致空氣溫度在大廳空間上部區(qū)域內急速衰減，并且近地面的氣流流動速度也接近停滯，對室內空間舒適度有極大的影響?？傮w來說，當送風溫度為289 K、送風速度為11 m/s 時，候車大廳內大部分區(qū)域都處于1 m/s 之下，溫度處于289 K ～296 K 之間，此時為最優(yōu)工況。