纤维风管应用于小型超市的数值模拟研究

周小蓓 符永正

武汉科技大学城市建设学院

纤维风管应用于小型超市的数值模拟研究

周小蓓 符永正

武汉科技大学城市建设学院

针对某大型建筑内的小型超市，进行了纤维风管送风和散流器送风两种情况下气流组织的数值模拟。结果表明采用纤维风管垂直于货架布置的送风方式能有效避免货架对气流的阻挡，使气流顺利到达工作区，增强了超市空间温度和风速的均匀性。

纤维风管小型超市速度分布温度分布数值模拟

0 引言

纤维风管（也称布袋风管）送风是一种新型的送风方式。这种送风方式通过整个管壁的纤维缝隙或经过设计的多排条缝或小孔出风，具有较大的出风面积，且构成立体送风，因而，与传统的送风方式比较，能够使工作区获得更为均匀的风速分布和温度分布。对于采用中央空调的大型建筑内的小型超市，若采用传统的散流器送风往往使气流受到超市货架的阻挡，射流难以达到指定的送风区域，而纤维风管则因具有以上优势成为较为理想的送风方式。本文以一个大型建筑内的小型超市为对象，采用数值模拟的方法，分析纤维风管的送风特性，以及室内风速分布和温度分布，并与散流器送风方式进行比较。

1 物理模型

1.1 建筑概况

该小型超市的尺寸为10m×7m×3.6m（长×宽×高），双排货架尺寸为4.35m×0.8m×2m（长×宽×高）。具体位置如图1所示。

1.2 冷负荷、湿负荷及送风量

模拟空间的冷负荷指标选取210W/m2[1,2]，估算该区域夏季空调冷负荷为14.7kW。超市人员密度假设为3m2/人，据此得到房间总人数为24人，人员散湿量为184g/(h·人)。根据舒适度的要求，夏季室内设计温度为26±1℃，送风温差为8℃，相对湿度为60%，设计风速小于0.3m/s，计算得到系统的送风量为2800m3/h。

2 数值模拟的数学模型

2.1 气流组织方案

针对三种不同气流组织方案进行计算对比分析：

方案A：如图2所示，在货架上部两根纤维风管与货架垂直布置。除了纤维风管管壁的渗透送风外，在风管的下侧有两排条缝送风，两排条缝的出风方向与指向地心的垂直方向成30°角。风管直径为457mm，风管底部距离地面的高度为3m，风管间距3.5m，风管中心线距离Y轴1.75m。在侧墙X=0m上布置两个回风口，尺寸为550mm×370mm（宽×高），回风口下缘距离地面0.15m，风口间距为4m，风口边缘距Y轴3m。

方案B：如图3所示，在货架上部两根纤维风管与货架平行布置。风管尺寸、出风方式、安装标高以及回风口布置与方案A相同。风管间距4m，风管中心线距Y轴3m。

方案C：如图4所示，在货架上部布置4个散流器，散流器尺寸为250mm×250mm，X向间距3.5m，Z向间距5m，风口下缘距地板高度为3m。回风口的布置与方案A、B相同。

2.2 湍流模型及边界条件

湍流模型采用标准K-ε双方程模型。室内负荷均匀分布于墙壁及地面上，地面的热流量取30W/m2，墙壁热流量取19W/m2[1，4，5]；近壁处采用标准壁面函数法来消除标准湍流模型的局限性；各模型送风温度相同，均为18℃。

3 数值模拟结果及分析

3.1 速度场及温度场模拟效果图分析

图5为方案A截面X=1.75m的速度分布。可以看出，截面风速在0.1～0.3m/s之间，风速比较均匀，符合室内舒适性要求。这是由于纤维风管既有渗透送风，又有条缝送风，有较大的送风面积；同时，纤维风管与货架垂直布置，送风经风管上开设的条缝沿程送出，一定程度上减弱了货架对送风的阻挡作用，使冷风可以顺利到达工作区。

图6 为截面X=1.75m的温度分布，可以看出纤维风管由于其材质具有渗透性，管壁周围因冷风渗透作用而出现低温层，风管下方温度分布在25～26℃。由于墙壁产生定热流量的负荷，临近墙壁的室内空间温度比其他区域稍高，为27℃以上。总体来看，截面温度分布比较均匀，垂直方向上温度梯度较小。可见采用方案A送风时，室内气流组织较好。

图7 为方案B截面X=1.75m的速度分布。可以看出，速度场在截面内存在两个风速较大的区域，同图5相比，纤维风管正下方区域内风速较高，由于纤维风管与货架平行布置，货架对射流产生一定的阻挡，受遮挡区域内风速则较低。图8为该截面温度分布图，可以看出该送风方式下温度分布特性和方案A相似，截面内温度比较均匀，变化平缓，温度梯度较小。

图9 为方案C截面X=1.75m的速度分布图。可以看出，截面整体风速偏低，室内部分区域风速明显过大，风速过大点位于散流器下部区域。在该区域内，人体会有明显的吹风感。由于货架对送风的阻挡作用，中间区域风速基本为零，在该区间内人员无风感。同图5相比，截面风速场均匀性降低。图10为该截面温度分布图，可以看出，截面内存在几个温度稍低的区域，同图6纤维风管送风相比，该截面整体温度较高，最高温度和最低温度的差值较大。由此可见，对于超市场所，在相同送风量条件下，采用纤维风管送风方式可以获得更好的气流组织效果。

3.2 流场不均匀系数的比较

为了更直观地比较三种方案下室内流场的均匀性，采用不均匀系数法[6]评价空调房间的气流组织状况。提取多个点的温度和风速，求其算术平均值为

均方根偏差为

温度不均匀系数kt和速度不均匀系数ku分别为

式（1）～（3）中：t、u为温度、速度的算术平均值；n为测点个数；σt、σu为温度、速度均方根偏差。

由于工作区域属于对称区域，同时纤维风管、散流器也对称布置。因此只需提取如下区域（0≤X≤7m，0≤Z≤5m，0≤Y≤2m）的模拟值，即可反映整个活动区的气流组织状况。在Y=0.5m，Y=1.0m，Y=1.5m三个不同截面内均布多个测点。图11为测点布置平面图：

得出各方案不均匀系数为：方案A（kt=0.001，ku= 0.14）；方案B（kt=0.001，ku=0.27）；方案C（kt=0.002，ku= 0.60）。

分析三种送风方式的计算结果可得：方案A、方案B送风温度不均匀系数、速度不均匀系数均大于方案C。可见采用散流器送风时室内风速的变化较大，气流混合不够充分，导致温度分布不均匀，局部温度过高。方案A温度不均匀系数、速度不均匀系数最小，室内风速分布均匀，气流混合充分，热交换充足，因而温度分布较为均匀，气流组织效果最好；方案B送风受货架一定的阻挡，效果次之；方案C则较差。

4 结论

对于大型建筑内的小型超市，采用传统的散流器送风，送风气流容易受到货架的阻挡，造成超市各区域风速分布不均匀，影响舒适度。采用纤维风管垂直于货架布置送风则可以有效避免货架对气流的阻挡，使气流顺利到达工作区，避免送风死角，从而改善人员活动区温度和风速分布不均的现象，在相同送风量前提下，有更好的气流组织效果。

[1]陆耀庆.实用供热空调设计手册[M].北京:中国建筑工业出版社,2004

[2]采暖通风与空气调节设计规范(GB50019-2003)[S].2003

[3]龙从勇.布袋送风特性研究及其在大空间建筑中的应用[D].上海:上海理工大学,2008

[4]王福军.计算流体动力学分析-CFD软件原理与应用[M].北京:清华大学出版社,2004

[5]李伟光.纤维空气分布系统送风特性研究[D].武汉:华中科技大学,2006

[6]黄翔.空调工程[M].北京:机械工业出版社,2006

Resea rc h on Num e ric a l Sim u la tion o f Fab ric Du c ts Ap p lied in a Sm a ll Supe rm a rke t

ZHOU Xiao-bei,FU Yong-zheng Schoolof Urban Construction,Wuhan University of Scienceand Technology

Take a small supermarket in a large building for example,simulated the indoor air distribution situation which employs two kinds of air supplyingmodes:fabric ducts and air diffuser respectively.The results show that it can effectively avoid the shelves on airflow of the blocks in themode that the fabric ducts are perpendicular to the blocks, making airflow arrive theworkspace smoothly,and enhancing the uniform ity of temperature and velocity in supermarket area.

fabric ducts,smallsupermarket,velocity distribution,temperature distribution,numericalsimulation

1003-0344（2014）03-070-4

2013-5-3

周小蓓（1989～），女，硕士研究生；武汉市洪山区雄楚大道199号武汉科技大学（430070）；E-mail:zhouxiaobeiei@163.com