高大厂房分层空调气流计算与模拟分析

肖书博， 周 涛

空调技术

高大厂房分层空调气流计算与模拟分析

肖书博， 周 涛

（中航长沙设计研究院有限公司，湖南长沙410014）

对于高大空间的建筑采用分层空调可以减小空调负荷，节约能源。本文结合实际工程，详细分析了分层空调的气流组织，并对喷口射流进行了详细计算。然后利用计算流体力学软件进行数值模拟，对室内空气气流分布情况进行分析和预测。通过结果分析可知，室内温度场和气流组织分布的总体规律与设计预想情况基本一致，设计满足要求。

分层空调； 节能； 气流组织； CFD模拟

0 引言

高大空间的工业厂房、机场航站楼、会展中心、体育馆、影剧院等建筑，空调负荷大，能耗高，必须对其气流组织进行详细的计算分析。目前对于该类建筑一般采用分层空调的形式，即只对人员聚集的下部工作区域保证空调效果，而非工作区域则不设置空调系统，从而降低整个建筑的空调能耗。

1 项目概况

西北地区某部装厂房，总建筑面积27360m2，长240m，宽114m，其中两跨240m×36m和一跨240m× 42m，主厂房屋面钢梁最低点标高16.0m，属于高大空间建筑。

按照《公共建筑节能设计标准》（GB 50189-2015）中第4.4.4条及条文解释的规定，建筑空间高度≥10m且体积V＞10000m3时，宜采用分层空调系统。分层空调与全室性空调相比，前者夏季可节省冷量约30%左右[1～3]，因此，能减少空调系统的运行能耗和初投资。针对该项目的特点，设计时决定采用分层空调系统。

2 分层空调气流组织设计计算

分层空凋又称部分空调，是根据空气密度随温度变化出现的自然分层现象。夏季利用比重较大的冷空气的自然下沉原理，经周密的热工计算和合理的气流组织，实现对下部工作区的空调，保证一定的空气参数，对上部非工作区不设计空调或用通风来排除余热的方法，以达到节能的目的。

2.1 分层空调气流组织的基本形式

该厂房末端射流机组设计时采用双侧对送，双侧下回的形式，并采用部分新风型机组满足厂房内的新风要求。夏季为排除非空调区余热，还需设置屋顶风机机械排风，在侧面设置自然进风等措施；过渡季节通过屋顶风机排除室内余热，可开启外门自然补风。

2.2 喷口射流计算

空调末端机组采用射流机组，分为回风型和新风型。回风型机组承担空调区内部负荷，新风型机组承担新风负荷。每台机组额定风量为5000m3/h。

对于圆喷口水平吹出的多股平行冷射流，圆喷口直径为：

圆喷口送风速度：

式中 X—射程，m，通过上述计算可知，X=18.1m；

Y—射流落差，m，通过上述计算可知，Y=3.0m；

T—空调区空气的绝对温度，K，按空调室内设计温度26℃计算，T=273+26=299K；

Δt0—送风温差，选用10℃；

vx—射流末端速度，m/s，通常vx=2vp=2×0.3=0.6m/s。通过计算，选择喷口规格为D600，出口直径d0= 405mm；v0=9.13m/s。

根据每个风口的送风量为5000m3/h，计算每个风口的实际风速v0′为：

厂房喷口射流属于大空间多股平行吹出的非等温射流，轴心轨迹方程为：

式中 Ar—送风射流的阿基米德数。

带入相关数据，计算出Ar=1.8×10-3，Y′=2.91m。

验证：ΔY=｜Y′-Y｜=0.09≤0.20m，满足要求。

射流末端轴心速度vx为：

计算得：vx=0.57m/s。

回流区风速vp=0.5×0.57=0.285m/s＜0.3m/s，满足相关规范要求。

3 CFD模拟

利用CFD（计算流体力学）方法，对通风空调系统进行计算分析，通过构建数值模型，利用软件得到房间内气流的速度场、温度场等物理量，为设计部门提供较为完整的技术依据。

3.1 物理模型

由于室内气流组织呈对称性，

且每一跨的气流组织特点基本一致，因此本文仅对42m跨的中间部位任意两个柱间距进行数值模拟计算。模型尺寸为42m×24m×16m，室内总发热量为48kW；人员约12人（因软件分析需要，将人体简化为棱柱形），每人的热流为134W；共18盏金属灯提供室内照明，每盏灯400W。不考虑其他的室内发热量。送风口布置在两侧，风口距地面6m，风口间距6m。

3.2 数学模型和边界条件

3.2.1 数学模型

在对室内气流组织的数值模拟计算中，进行了如下假设：

（1）不考虑漏风的影响，认为房间气密性良好；（2）室内空气流速较低，可以视为不可压缩流体，符合Boussinesq的基本假设理论；

（3）在射流风机出口处气流参数均匀，且为稳态流动；

（4）室内空调区空气的物理性质为定值，室内空气为辐射透明介质。

3.2.2 边界条件设置

入口边界条件：根据计算分析可知，射流机组送风速度v0=8.9 m/s，送风温度T0的热力学温度为289 K（约16℃）。

出口边界条件：根据相关参考文献的经验，对出口边界条件采用局部单项化处理，即认为出口界面上的每一个节点对与其相邻的第一个内节点之间已无相互影响，即对内节点的影响系数为零，这样就可以简化计算，无需知道出口边界上的值[4]。

壁面边界条件：室内边界条件设为恒温边界，东墙、西墙和南墙壁温为28℃（恒温，均匀），外窗温度为30℃；北墙为假想的隔墙（仅是计算边界），壁温为26℃；屋面假设为恒温，32℃；其余物体边界设置为绝热边界。

3.3 模拟结果

本文利用国际上比较成熟的流体力学计算软件进行模拟分析，采用有限体积法中的SIMPLE法对计算区域进行数值计算。计算网格采用非结构网格，对风口等局部区域进行加密处理（如图2、图3所示），模型网格总数为125万个，通过计算，可以看到结果收敛性好（如图4所示），与假象一致，基本达到设计意图。

空调出口的水平射流进入房间后，在射流温度场和速度场的多重作用下，房间下部会产生两个比较对称的旋涡区域，旋涡的存在使得房间下部气流得到充分扰动，有利于凋节该区域的温度，加快气流流动，降低空气龄。

从图5中可以看出，气流的影响区域主要集中在房间的中下部（人员活动区域），说明分层空调主要影响房间中下部，从而达到了节能的目的。从图中还可以看出，在人员活动区域，风速＜0.3m/s，满足相关要求。

图6为制冷工况竖向的温度分布图，从中可以看出，温度场竖向分层明显，由上至下可分为热滞留区（非空调区）、送风气流区和混合区（人员活动区）。在人员活动区域（距地面2.0m以内的区域）温度值为25.2～26.5℃，满足设计要求。在厂房设计时，一般会在房间上部采取通风措施，排出余热，从而减少上部热量对空调区域的扰动。

4 结语

通过数值模拟结果分析可知，室内温度场和气流组织分布的总体规律与设计预想基本上是一致的；竖向温差明显，射流分层成功，气流组织设计基本上满足要求。

[1]陆耀庆.实用供热空调设计手册[M].2版.北京：中国建筑工业出版社，2008.

[2]GB 50189-2015，公共建筑节能设计标准[S].北京：中国建筑工业出版社，2015.

[3]邝国衡.某会展中心大空间中庭分层空调系统设计[J].广东土木与建筑，2005，（10）：38，39.

[4]陶文铨.数值传热学[M].2版.西安：西安交通大学出版社，1988.

Calculate and Simulate Analysis of Air Distribution on Stratified Air Conditioning System in High-spacious Workshops

XIAO Shu-bo， ZHOU Tao
（China Aviation Changsha Design and Research Co.，Ltd，Changsha 410014，China）

Usestratifiedairconditioningsystemcanreducetheairconditioningload，saveenergyconsumption.With theactual example，theairdistributionisdetailedanalysesandnumerical simulatedwiththeCFD software.Seeingthesimulation，theindoor air distributionandtemperaturechangeoverall rules is consistent withtheessential designforecast and thedesigncanmeettherequirement.

stratifiedairconditioning； saveenergy； airdistribution； CDF simulation

TU831

B

2095-3429（2016）03-0067-03

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2016.03.016

2016-05-03

修回日期：2016-05-31

肖书博（1984-），男，河南南阳人，硕士，工程师。