中庭大空间分层空调CFD模拟研究

边争

同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司

0 引言

高大空间建筑空调热舒适性与气流组织设计难度较大，面对此类复杂的设计对象，传统的模型试验手段已难以满足工程实践的需求。随着计算机应用技术的发展，利用CFD模拟技术预测高大空间建筑空调系统的气流组织、热舒适性及优化设计方案已逐渐成熟[1]。

运用Airpak3．0软件，在典型夏季设计工况下，对位于天津市的国家电网公司客户服务中心北方基地工程研发楼二中庭分层空调方案的热舒适性与气流组织进行了模拟研究，得到温度、速度等参数的数值模拟结果，并结合PMV-PPD热舒适性指标对研发楼二中庭的分层空调方案进行分析和评价。

1 研究对象概况

分层空调是对研究对象空间下部区域进行空气调节，而对上部区域不进行空气调节。与全室空调相比，夏季可节省冷量30%左右。分层空调适于高大建筑，当高大建筑物高度大于10m，建筑物体积大于10 000m3，空调区高度与建筑高度之比小于0．5时，才能显示其经济合理性。国家电网公司客户服务中心北方基地工程研发楼二中庭高度32m，中庭体积21 600 m3，采用分层空调较为适宜。

工作区为高大空间建筑必须保证温湿度参数的区域，该中庭为舒适性空调区域，工作区高度取2m。在满足使用要求的前提下，分层高度h1越小，空调能耗越低[2]：

y——射流垂直落差，m

ha——安全值，一般舒适性空调可不考虑

中庭建筑平面如图1所示，采用全空气送风的空调系统，室内设计温度为26℃，相对湿度为65%。空调送风量为50 000m3/h，送风管安装在中庭两侧，采用喷口侧面输送，喷口中心高度4．0m，即分层高度为4．0m。双向对喷（多股平行）射流送风构成了一道水平风幕，以此为界，中庭上部为非空调区，下部为空调区。

图1 研发楼二中庭平面示意

2 物理模型与边界条件

由于研发楼二中庭建筑形态较为复杂且空间大，在不影响模拟结果前提下，对中庭空间模型作适当的简化。

中庭空间周围房间为空调房间，与模拟对象之间没有热传递，假设中庭四周墙体为绝热壁面，壁面温度为环境温度。中庭顶部为玻璃天窗，中庭内部的气流组织将受到太阳辐射的影响。目前，气流组织模拟与太阳辐射耦合求解面临诸多问题。例如，太阳直射辐射和慢反射的区分等，因此一般将太阳辐射转化为热流边界[3]。人员、设备等其他近地面发热对象简化为地面上的热流边界。物理模型如图2所示，模型为长45m（X方向）、宽15m（Z方向）、高32m（Y方向）的长方体。

图2 研发楼二中庭物理模型

根据设计条件，在两侧墙设定40个球型喷口，喷口间距为2．25m，中心高度为4．0m，送风温度为16℃，射流速度为4．5m/s。在凹廊吊顶处设定2个回风口，风口尺寸为2．4m×1．2m。计算模型如式（1）所示。

中庭为高大空间，近似为非等温自由射流，射流与周围介质密度不同，浮力和重力不平衡，射流发生变形，依据阿基米德数Ar进行判定[3]：

式中d0——喷口直径，m

T0——射流出口温度，K

近几年魔芋种植面积大幅度扩大，但魔芋繁殖系数低，致使很多农民抱怨买不到良种。魔芋有叶斑病、软腐症和白绢病等多种病害，其中软腐病、白绢病是魔芋生长中的“疑难杂症”，目前并没有有效的防治措施，每年因软腐病导致减产达30%。魔芋种源严重缺乏，魔芋品种退化，抗逆性降低，再加上农药、肥料和人工成本，致使魔芋种植成本较高。

Tn——周围空气温度，K

u0——喷口出流的平均速度，m/s

当Ar＞0时为热射流，Ar＜0时为冷射流，|Ar|＜0．001时，可忽略射流轴的弯曲按等温射流计算。

3 数学模型与网格划分

CFD模拟技术在室内热环境中的应用是基于对室内不可压缩流体质量、动量、能量守恒微分方程的离散化处理及其数值解析。本文是一个紊流的三维稳定流场流动问题，基于空气紊流特性的微观解析，采用Launder和Spalding等提出的一种平均湍流能量模型，即k-ε二方程湍流模型求解方程组[4]。

标准k-ε二方程模型是湍流动能及其扩散率的传输方程的半经验模型。

Airpak3．0可采用四面体、六面体等多种网格形式，本文网格划分采用稳定性极佳的六面体结构化网格，网格数量约为600 000个。

4 模拟结果比较与分析

4.1 气流组织比较分析

气流组织设计是在空调房间内合理布置送、回风口，将经过净化和热湿处理的空气送入室内，使空调房间内空气有组织地进行流动，在扩散与混合的过程中，均匀地消除室内余热和余湿，从而使工作区具有舒适的空气分布，即均为稳定的温度、湿度、气流速度和洁净度，同时保证较低的空调能耗和良好的室内空气品质。

垂直方向典型断面的温度场、速度场模拟结果如图3所示。断面速度场表明射流迹线趋势，工作区形成空气流动漩涡，左右基本对称，中心气流受到热浮生力的影响向上运动。

以典型断面为例，分别在距离地面0．5m、1．0m、1．5m、2．0m 高度处选取监测点，分析监测点处的速度值，如图4所示。结果表明，工作区内速度绝大部分在0．5m/s以下，符合舒适性空调室内空气流动速度的要求。在中庭中部区域两侧射流相遇上升，同时带有工作区散热量，因此该区域空气流速超过0．5m/s。此外，由于中庭两侧空调系统对称设计，速度场模拟结果也反映了这一特点。

图3 中庭典型断面温度场/速度场分布

图4 中庭典型断面速度场分析

以典型断面为例，分别在距离地面0．5m、1．0m、1．5m、2．0m高度处选取监测点，分析监测点处温度值，如图5所示。结果表明，工作区内温度绝大部分处于26℃左右，满足舒适性空调室内设计温度的要求。在中庭中部区域，带有工作区散热量的两股射流相遇，此处温度略高，这也与速度场分析具有一致的结果。

图5 中庭典型断面温度场分析

在与喷口距离分别为2m、4m、6m、8m处分析沿垂直方向温度的变化趋势，如图6所示。结果表明，在距离地面3m以下，温度值均处于25℃～26．5℃的范围内，该温度范围满足人员工作区内舒适度的要求。随着距离的增加，温度值逐渐增加，到屋顶附件温度值达到最大，接近室外环境温度。上述分析表明了分层空调垂直高度温度分布的特点，分层空调在人员工作区的温度确保满足设计要求，非工作区温度高于设计温度，具有节能的意义。

图6 中庭垂直高度方向温度变化曲线

4.2 热舒适性评价指标分析

1984年，国际标准化组织提出了室内热环境的评价与测量标准方法（ISO7726），以PMV-PPD指标来描述和评价热环境[5]。该指标综合考虑人体活动程度、衣服热阻、室内空气温湿度、平均辐射温度、空气流速等。该标准对PMV-PPD指标的推荐值为：PPD＜10%，即PMV值在-0．5～+0．5之间。通过CFD模拟手段对中庭的PMV-PPD指标进行预测，结果如图7所示。在人员工作区即距离地面2m以内，PPD值低于10%，PMV值处于-0．5～+0．5之间，这表明平均预测评价PMV与预期不满意百分率PPD处于合理的范围。

图7 热舒适性评价指标比较

4.5 经济节能分析

在夏季工况下，采用分层空调系统冷负荷仅为全室空调系统冷负荷的50%～85%[2]，冷负荷降低可有效减小空调送风量，减小空调箱风机能耗，减小风管尺寸，节省建筑层高。同时，可降低冷水机组的容量、降低空调系统的初期投资。

5 结论

由前述的CFD模拟和分析可见，在典型夏季工况下，国家电网公司客户服务中心北方基地工程研发楼二中庭分层空调方案基本满足设计要求。

（1）采用CFD模拟了研发楼二中庭分层空调系统方案的气流组织，分析比较了工作区空气流速、工作区与非工作区垂直温度、热舒适性评价PMV-PPD指标和典型断面温度场、速度场，结果表明该分层空调方案能够满足工作区舒适性要求，气流组织设计合理。

（2）分层空调应用于高大空间建筑降低了初期投资和运行费用。

（3）应用CFD模拟分析高大空间建筑空调系统方案，对其气流组织、热舒适性等进行评价，对相关工程具有指导意义。