碰撞射流在航站楼的应用及与分层空调的比较

张剑英 李琳 刘梦 杨洪海*

1东华大学环境科学与工程学院2中国海诚科技股份有限公司

碰撞射流在航站楼的应用及与分层空调的比较

张剑英1李琳2刘梦1杨洪海1*

1东华大学环境科学与工程学院2中国海诚科技股份有限公司

碰撞射流通风是近年提出的一种新通风方式，有较好的应用前景。本文将其应用于航站楼类高大空间建筑，模拟分析室内气流组织及舒适性，并与分层空调通风方式进行对比。结果表明，两种通风方式均能满足工作区的设计温度；若采用碰撞射流通风方式，可以缓解工作区的吹冷风感，使得气流在同一水平面的分布更均匀，同时提高室内的热通风效率，更好地消除热负荷。

碰撞射流通风 分层空调 航站楼 气流组织 数值模拟

航站楼是一种特殊的建筑类型，要在送风的同时控制温度、速度等的稳定性和舒适性，有一定难度，航站楼类高大空间建筑的空调负荷也与送风方式密切相关。因此，室内空调的能耗大小以及均匀理想的温度场、速度场都取决于合适的送风方式。

目前我国舒适性空调通常采用混合送风方式，该方式通风效率和能源利用率低，空气品质差[1]。置换通风在垂直方向上利用了热力分层，使室内空气质量得到改善[2]。置换通风的送风速度一般小于0.5m/s，气流无法到达房间较远的区域，限制了在大跨度房间中的使用。分层空调与全室空调系统相比，节省能耗和初投资[3～4]。李琳[5]等利用FLUENT软件，对虹桥机场新航站楼采用分层空调系统的气流组织及热舒适性进行了模拟分析，得到温度、速度及热舒适性指标值随着空间位置的变化规律。碰撞射流通风是近年来提出的一种新通风方式，结合了混合通风和置换通风的优点，被誉为“The Air Queen”，有较好的应用前景，值得深入研究[6～8]。

在文献[5]的基础上，针对航站楼建筑，将碰撞射流通风方式应用于高大空间，通过FLUENT模拟研究室内气流组织及舒适性，并与分层空调方式对比。

1 物理模型与设计参数

选取虹桥机场2号航站楼一层迎客厅及行李提取大厅为研究对象，该建筑南北向长约280m，东西向宽约为75m，层高约为12m，面积约为16640m2。不仅具有跨度大、高度大的特点，而且人员密集，对室内空调舒适性要求较高。由于建筑结构具有南北对称性，故计算区域选取主楼一层大厅北边一半，包括行李提取大厅和迎客厅。建模时，对外形非常复杂的局部区域适当的规整成矩形，如图1。

图1 研究对像结构示意图

模型按非结构网格划分，对送风口等局部区域进行加密。采用FLUENT软件，选取RNG k-ε两方程紊流模型，近壁面区域则选用标准壁面函数法，速度-压力耦合采用SIMPLE算法。设计参数及边界条件如表1和表2。

表1 设计参数

表2 边界条件汇总

2 结果分析

2.1 垂直速度的比较

图2为碰撞射流与分层空调两种通风方式在工作区（0～2m）内平均速度沿高度方向的变化趋势，从图中可以看出：

两种送风方式在工作区的送风速度均随着高度的升高而下降。分层空调较为缓慢，碰撞射流下降较快。

2）分层空调方式下，工作区的平均风速在0.4～0.6m/s，大于推荐值0.3m/s[10]，人在房间中会全身有吹冷风感。

3）碰撞射流通风方式下，底部工作区（0～0.8m）平均风速在0.3～0.75m/s，大于推荐值0.3m/s，会有吹冷风感；在上部工作区（0.8～2m）平均风速在0.15～0.3m/s，小于推荐值，吹风感不明显。

因此，从工作区风速分布来看，相比于分层空调方式，在碰撞射流通风方式下，人体吹冷风感得到改善。

图2 垂直速度的比较

2.2 垂直温度的比较

图3为两种通风方式在工作区（0～2m）平均温度沿高度方向的变化趋势，可以看出：

1）分层空调方式下，随着垂直高度的增加，平均温度略有下降；碰撞射流通风方式下，随着垂直高度的增加，平均温度缓慢上升。

2）碰撞射流通风方式下，最低平均温度出现在地面附近，在人体脚裸处会有稍凉的感觉。

就温度分布来说，分层空调通风方式垂直温差小、平均温度更满足人体热舒适要求，优于碰撞射流通风方式。

图3 垂直温度的比较

2.3 同一水平面温度及风速不均匀性的比较

在室内各点，温度、风速等均有不同程度的差异，这种差异可以用“不均匀系数”指标来评价，如式（1）所示[9]：

其中：

式中：ku为不均匀系数；u为多个测点的平均温度（或速度）值；ui为某个测点的温度（或速度）；n为所测点数。

ku的值越小，表示气流分布的均匀性越好。在离地面1.7m高度处（人员采取站立姿势高度）选择9个测点，分别计算碰撞射流通风与分层空调方式下温度及风速的不均匀系数，结果如表3所示。

表3 1.7m高度处温度及风速不均匀系数

从表3可以看出，在分层空调方式下，同一水平面上的风速和温度不均匀系数较大；在碰撞射流通风方式下，同一水平面上的风速和温度不均匀系数较小，尤其是速度不均匀系数。说明在碰撞射流通风方式下，房间中气流分布的均匀性较好。

2.4 热通风效率的比较

通风效率是指通风系统排除通风空间内部产生的污染物或热量的能力，它一方面与室内污染物含量分布相关，另一方面与室内温度分布相关[10]。从温度分布角度定义热通风效率可表示为：

为便于比较，两种送风方式取相同的送风温度（参见表1），通过FLUENT模拟计算得到平均排风温度te及整个室内空气平均温度，代入式（3）得到两种送风方式下的热通风效率，结果如表4所示。

表4 各温度值及热通风效率

从表4可以看出，送风温度相同（均为289K）时，碰撞射流方式下的热通风效率为289%，分层空调方式下的热通风效率为235%。说明碰撞射流通风消除热负荷的效果更好，能更有效利用新风。

3 结论

通过数值模拟，将碰撞射流通风应用于上海虹桥机场新航站楼，并与分层空调方式的热环境进行了对比。结果表明：

1）分层空调在整个工作区的平均风速高于推荐指标，全身有吹冷风感；碰撞射流通风只在地板附近风速略高，其他区域吹冷风感得到改善。

2）两种空调方式均能满足工作区的设计温度，但分层空调的垂直温差比碰撞射流通风的小，温度分布更好。

3）与分层空调相比，在碰撞射流通风方式下，同一水平面上温度及速度的均匀性较好，气流分布更均匀；且热通风效率较高，能更好地消除热负荷，充分利用新风。

[1]马仁民.通风的有效性与室内空气品质[J].暖通空调,2000,30 (5):20-23

[2]李强民.置换通风原理、设计及应用[J].暖通空调,2000,30(5): 41-46

[3]邹月琴,王师白,彭荣.分层空调气流组织计算方法的研究[J].暖通空调,1983,(3):1-6

[4]樊少星,周平章.分层空调设计的若干问题[J].暖通空调,1980, (4):7-10

[5]李琳,杨洪海,甘长德.虹桥机场新航站楼分层空调气流组织模拟计算[J].制冷与空调,2010,10(6):77-80

[6]袁丽丽,寇利,刘斌.对比置换通风碰撞射流通风室内颗粒物分布特性的研究[J].洁净与空调计术,2008,12(4):30-35

[7]李晓冬,董磊.碰撞射流通风方式的研究[A].见:全国暖通空调制冷2006年学术年会论文集[C].2006.68-71

[8]王红梅.碰撞射流通风的特性及节能分析[J].低温建筑技术, 2012,07:137-138

[9]朱颖心.建筑环境学(第二版).北京:中国建筑工业出版社,2008

[10]陆亚俊,马最良,邹平华.暖通空调(第二版)[M].北京:中国建筑工业出版社,2007

Applic a tion of Im pinging J e t Ve ntila tion in Avia tion Building a nd Contra s t w ith Stra tifie d Air Conditioning

ZHANG Jian-ying1,LI Lin2,LIU Meng1,YANG Hong-hai1*
1 School of Environmental Science and Engineering,Donghua University 2 China Haisum Engineering Co.,Ltd.

Impinging jet ventilation is a new and quite potential type of ventilation mode,which is now presented in an aviation building to investigate the air distribution and indoor comfortableness,and compared with the stratified air conditioning mode.Results show that,two type ventilation modes both satisfied the indoor temperature,while under the mode of impinging jet ventilation,cold feeling is weaken in the work area,and air distribution is more uniform along the same plane,also the ventilation efficiency is improved to eliminate the heat load more efficiently.

impinging jet ventilation,stratified air conditioning,aviation building,air distribution,numerical simulation

1003-0344（2015）05-088-3

2014-6-28

杨洪海（1968～），女，博士，副教授；上海市松江区人民北路2999号东华大学环境学院（201600）；E-mail:yhh@duh.edu.cn