大空间建筑气流组织模拟及优化分析

大空间建筑气流组织模拟及优化分析

建筑节能是国家实现节能减排总体目标的重要组成部分。大空间建筑制冷能耗巨大，特别是其中的风机能耗，节能潜力很大，是建筑节能领域研究的重点之一。大空间建筑的气流组织设计一直是制冷系统设计的重点，也是难点，传统的空调设计方法在该类型建筑中受到挑战。以计算流体力学（CFD）模拟为代表的新技术手段正越来越多地应用到制冷系统气流组织设计中去，通过准确的建模和模拟计算，较高精度地定量分析不同设计方案的预期实施效果，从而进行方案比选和优化，不仅确保了设计方案的有效性，还提高了设计工作效率。在以剧场为代表的大空间公共建筑中，CFD模拟技术的作用尤为突出，对于解决大空间公共建筑典型的上热下冷温度分层问题和提高制冷系统整体运行效率，发挥了重要作用。

本文将以上海市某新建大空间项目为例，结合CFD模拟技术，对室内看台区的制冷系统气流进行方案比选和优化，并最终得到了一套有效的解决方案。

1 工程概述

1.1 项目概况

上海市某新建大空间项目，总用地面积约5.6hm2，总建筑面积约15万m2。项目的核心部分是一座可容纳1 500人的高级室内剧场。

1.2 气流组织方案

考虑到剧场空调需求的特殊性，为提高剧场内部人员活动区域的舒适性，本项目设计采用座椅送风的形式，下送上回，以提高送风效率。

1.3 设计难点

由于采用座椅送风的形式，在夏季工况下，冷空气从座椅下吹出并直接送至人体四周，短距离直接接触人体，因此送风温度与人体热舒适感觉的作用更为直接。若送风温度偏高，不能有效降低人体周围温度；若送风温度偏低，又会给人不舒适的 “冷吹风感”。因此，有必要借助专业的计算流体力学（CFD）工具，模拟室内剧场座椅送风系统的实际运行效果，分析最佳的送风温度和速度。

1.4 技术思路

针对该项目室内剧场观众区座椅送风和大空间的特点，采用专业的CFD软件建立室内剧场的数值模型，对室内剧场空调工况下气流组织和室内温度分布进行模拟计算，分析其温度场、速度场和压力场分布，对不同的设计方案进行分析比选和优化，寻求相对最佳的送风温度范围。一方面，避免送风温度偏高而不能有效降低人体周围温度情况；另一方面，也避免送风温度偏低所带来的不舒适的 “冷吹风感”，以及由此产生的不必要的空调供冷量，有效降低建筑物的运行能耗。

2 CFD模拟

2.1 数学模型

通风空调房间的空气流动一般为湍流，由于送风温差的存在，浮升力对流动有一定影响。空气的流动满足连续性方程、动量方程和能量方程。其通用形式为：

表1 2#楼一层密肋复合墙体构件计算结果

式中，Φ—通用变量，可以代表u、v、w、T求解变量；

Г—广义扩散系数；

S —广义源项。

表1给出了3个符号与各特定方程的对应关系。

空气流动的湍流特性一般采用适当的湍流模型描述，最简单的湍流模型为零方程模型，即不使用微分方程， 而是用代数关系式把湍流粘度与时均值联系起来的模型。目前在房间空气流动中最广泛采用的是k-ε模型，它属于两方程模型，通过求解湍能k和湍能耗散率ε的输运方程得到湍流黏性系数。本文也正是采用这种模型。

式中，Gk—平均速度梯度产生的紊流动能量；

Gb—浮力产生的紊流动能；

σk—k的紊流Prandtl数，σk=1.0；

σε—ε的紊流Prandtl数，σε=1.3；

C1ε、C2ε、C3ε—常数，C1ε=1.44，C1ε=1.92。

将偏微分方程转化为离散方程，使用有限体积法对方程进行离散成如下形式：

式中，a—离散方程的系数；

Φ—各网格节点的变量值；

b —离散方程的源项；

p、nb—下标，p为考察的控制体节点，nb为与p节点相邻的节点。

将上述控制方程离散化后，得到代数方程组，依据工程上应用最普遍的流场计算方法——压力耦合方程组的半隐式方法( SIMPLE)求解。

2.2 计算模型

项目室内剧场宽40m，前后长30m，总高26m左右。观众区看台共3层，逐层退进，水平方向成不规则的扇形分布。剧场空调系统采用座椅送风的形式，下送上回。

按照室内剧场实际设计尺寸，建立室内剧场计算模型，并采用CFD软件（PHOENICS）对室内剧场内部热环境和气流组织进行模拟计算。考虑到剧场的对称性，项目建模时以剧场半等分为分析对象。为提高模拟计算精度，对局部网格进行加密处理，整体计算区域的总网格数在100万个左右，从而可以有效保证计算结果的精度和可信性，具体模型如图1所示。

2.3 通用边界条件设定

室内剧场观众区内热源主要是吊顶灯具及人员散热。将模型作如下简化假设，设定其边界条件。

（1）不考虑漏风的影响，假设空调送风时，所有门窗关闭。

（2）室内空气不可压缩，符合Boussinesq基本假设。

（3）流动为稳态湍流。

（4）将人员简化为一排排的长方体，平均每人散热量61W，体表温度35℃。

（5）将灯具散热考虑为平面热源，即为定热流边界条件，灯光散热平铺到地面和天花板上，其散热量为5 W/m2。

图1 室内剧场计算模型图

3 结果分析与优化

3.1 常规方案分析评估

项目如果采用常规的上送下回气流组织设计方式，在剧院顶部均匀布置送风口，在剧院底部和各层人员活动区域的四周布置回风口，则风由剧院顶部均匀送出，在经过人员活动区域后，由回风口返回空调箱。气流入口边界条件为剧场顶部局的98个方形送风口，单个风口送风量为1 010 m3/h，送风温度为20℃。

图2 是室内剧场看台区在上送下回送回风方式下室内温度场和速度场的垂直分布。由图可见，室内大部分区域温度在21～23℃；局部区域，如一层和二层看台的后排区域，由于二、三层看台的遮挡，送风量不足，空气温度较前排区域要高出2～3℃，存在着一定的温差。同时，由于整个系统总送风量较大，使其能耗较高，也使得局部区域风速过大，有明显的吹风感，舒适性较差。

3.2 气流组织优化分析

为解决剧场看台区上送下回方式送风效率不高、人员活动区吹风感明显、体感不舒适的问题，考虑采用座椅送风的方式，并结合CFD模拟计算结果，分析座椅送风方式在本项目中的适用性。

图3是本项目室内剧场座椅送风方式下室内温度场和速度场的垂直分布。由图可见，室内大部分区域温度在24～26℃，人员活动区域温度维持在22.5～24℃之间，较为舒适。同时，由图可以看出，空调冷量被直接送入了人员互动区域，因此系统送风效率更高，维持同样室内舒适性消耗的冷量也更小，整个系统更为节能高效。

但是，从模拟结果来看，在一、二层看台的后侧，由于远离座椅送风口，该部分区域温度偏高，在25～27℃左右。该计算结果也与业主多年的运行管理经验相吻合，已有剧场的测试结果也暴露出常规纯座椅送风方式下，看台后区人行走道温度偏高的问题，有待进一步改善。

为解决常规座椅送风方式下，一、二层后侧人行走道区域温度偏高、送风量不足的问题，在上述区域的天花板加装数个下送风口，以优化该局部区域的气流组织。座椅送风+局部顶送风方式的应用效果如图4所示。可以看出，一、二层后排区域加装顶送风口后，温度基本维持在22～24℃，热舒适性明显提高。同时，由于增加了送风量，该区域新风量也同步提高，空气品质得到显著改善，更为健康舒适。

3.3 小结

综上所述，本项目以上海市某新建大空间项目为例，结合CFD模拟技术对室内看台区的气流组织设计进行方案比选和优化分析。项目最终选定的“座椅送风＋局部顶送风”的气流组织设计方案有效解决了常规空调模式送风效率低，温度控制能力弱的问题，也优化了普通座椅送风方式下，局部走道和连廊区域热舒适性差的弊端。CFD技术在本项目的制冷系统气流组织设计过程中发挥了关键作用。

4 展望

随着我国改革开发事业的不断深化和人民生活水平的不断提升，人们对于旅游出行、文化和居住的需求呈现爆发式增长，各地大量新建机场、车站和文化体育场馆等大空间公共建筑以及大空间居住建筑。利用CFD模拟技术合理优化此类大空间建筑的气流组织设计，将为大空间建筑制冷能耗的降低提供科学的理论支撑。同时，作为建筑和暖通空调设计人员，应该保持冷静的头脑和求真务实的态度，借助于以CFD为代表的新技术来优化我们的传统设计，创造既健康舒适又节能环保的绿色空间。

图2 上送下回工况下室内剧场温度和速度分布图（垂直面，Y=12.5m）

图3 座椅送风模式下室内剧场温度场和速度场分布图（垂直面，Y=16m）

图4 座椅送风+局部顶送风模式下室内剧场温度场和速度场分布图（垂直面，Y=16m）

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Analysis of Simulation and Optimization of Air Flow Organizing Design within Large Space Buildings

■ 宣 湟 Xuan Huang 丁剑红 Ding Jianhong 曹毅然 Cao Yiran

以上海市某新建大空间项目为例，结合CFD模拟技术，对室内看台区的制冷系统气流设计进行方案比选和优化分析。项目最终选定的“座椅送风＋局部上送风”的气流组织设计方案有效解决了常规空调模式送风效率低、温度控制能力弱的问题，也优化了普通座椅送风方式下，局部走道和连廊区域热舒适性差的弊端。本研究内容对于利用CFD模拟技术对大空间公共建筑及居住建筑的气流组织进行优化设计方面具有显著的应用意义。

大空间建筑；CFD；气流组织；节能

Taking a new large space project of Shanghai for example, it carried out scheme comparison and optimization analysis for air flow design of the refrigerating system of the indoor grandstand by utilizing CFD simulation technology. The airflow organizing design of "seat ventilation + local upper ventilation" that is finally chosen by the project effectively solved the problems of normal air-conditioning mode such as lower ventilation efficiency and weak temperature controlling capacity and optimized the shortcoming of inferior thermal comfort of local aisle and corridor area under ordinary seat ventilation mode. Therefore, this research has great application significance to carrying out optimization design for air flow organization of large space public buildings and residential buildings by utilizing CFD simulation technology.

large space buildings, CFD, airflow organization, energy saving

2017-01-09）

国家自然科学基金项目资助（项目编号：51308332 ）。

宣湟，英国诺丁汉大学建筑学博士，建筑学系系主任助理，上海交通大学讲师；丁剑红，伊尔姆环境资源管理咨询（上海）有限公司首席顾问，高级工程师；曹毅然，上海众材工程检测有限公司第一事业部总经理，高级工程师。