中庭大空间分层空调CFD 模拟研究

宋丹辉

（中色科技股份有限公司）

1 问题提出

目前建筑形式向着大空间、大跨度、超高方向发展，同时向节能环保、绿色建筑的方向发展。上述的发展方向都是没有设计规范和设计经验可供借鉴和参考的，传统的设计方法已经不能适应设计者的需求，需要设计者具备创新的理念和方法。

为了保障高大空间的建筑空调的热舒适性，气流组织设计的难度较大。CFD 数值模拟技术为设计师提供了对空调送风流场和温度场分析的手段。通过CFD 数值模拟可以对空调送风形式不断进行调整，直至达到气流组织和热舒适度的最佳效果[1]。本文主要是对某工程研发楼的中庭分层空调进行CFD 数值模拟研究，通过对其流场和温度场的分析，优化气流组织，提高其热舒适度，为暖通工程师提供参考。

2 中庭大空间分层空调CFD模拟研究

2.1 研究对象概况

在这里主要是对分层空调的研究对象空间当中的下半部分实施有效的探究。分层空调的方式主要适应于高大的建筑物，并且高度在10m 以上[2]。建筑物的体积大于一万m3，空调区域的高度和建筑物的高度，之间的比值需要在0.5 的范围之内。某基地工程研发楼二中庭的高度是32m，使用的是分层的空调方式，此种方式有利于现代化的发展需求。在这里，h 属于工作区高度，y 属于射流垂直落差，属于安全值（不包含舒适性空调）[3]。因此，这个时候，就可以得出一个公式使用全空气送风的方式，实施空调系统的整合。室内的温度需要保持在26℃左右，室内的湿度需要保持在65%左右[4]。在送风管安装的时候，需要保持喷口侧面的输送。喷口中心高度，也就是分层高度，需要保持4m 的位置。双向对喷的形式主要是在射流送风的基础上，构建一个有效的风幕。在这个分界线上，中庭的上半部分属于非空调的区域，下半部分属于空调的区域。具体的示意图可以参见图1。

2.2 物理模型与边界条件

从另外一个角度看，二中庭建筑，结构比较的复杂，并且存在的空间较大。需要在不影响模拟结果的前提下，在中庭空间模型的基础上，对内容实施有效的简化[5]。一般的情况下，中庭空间周围房间属于空调的房间，在模拟对象当中，没有实现完整的热传递。也就是说，中庭四周墙体属于绝热的状态，这个时候的壁面温度属于周围环境的温度。例如：太阳直射或者是漫反射的问题，在这样的情况下，就需要把太阳的辐射转化热流的边界。人员取恒壁温边界条件，设备散热取恒表面发热量边界。在模型的基础上，长度为45m，宽度为15m，高度为32m。在以上的条件下，就可以看到两侧的墙设置为40 个球形的喷口，喷口之间的距离是2.25m，中心的高度在4m。这个时候的温度是16℃，速度为4.5m/s[6]。处于凹廊吊顶的位置上，设置了尺寸是2.4m×1.2m 的回风口。

图1 研发楼二中庭平面示意

2.3 数学模型与网格划分

处于室内热的温度环境下，使用CFD 模拟技术，就可以让室内的不可压缩的质量或者动量、能量的守恒达到一个可分析的状态。在这里主要分析的是三维稳定流场流动方面的问题。使用k-ε二方程湍流模型，对流场和温度场进行求解。采用商用CFD 软件Airpak3.0 进行数值模拟，对流场的划分采用六面体网格，并且验证网格独立性，以提高求解精度，加速收敛，节约计算时间。

3 模拟结果比较与分析

3.1 气流组织比较分析

从结果可以发现，气流组织设计的过程中，需要在空调房间当中，实施合理的配置，按照对应的通风口，在热湿处理和净化之后，送入空调区域内。接下来，在扩散与混合的状态下，就可以将室内的余热等进行消除。在舒适的空气当中，就可以稳定温度，保持湿度，维持气流的设计速度，满足一定的清洁能力。降低能耗，保持良好的空气质量。在这里选取不同的高度实施监测，速度需要保持在0.5m/s 以下。并且需要根据两侧的空调系统，实施对称式的设计方式[7]。例如：选取距离地面0.5m 的高度和1.0m 的高度，1.5m 的高度，2.0m 的高度。这样就可以看到，在空调区域当中，能够保持设计温度26℃，满足了所需要的热舒适度需求。送风气流分为两股射流之后，又得到有效的混合，混合的位置，就是温度较高的地方。从喷口不同的距离上，可以看出温度梯度的变化是合理的。温度场基本保持在 25℃到26.5℃之间的范围。离射流中心距离越大，温度越高，最高的温度发生在屋顶附近。根据以上数值模拟结果可以看出，分层空调送风温度场比较均匀，具有合理的温度梯度，满足热舒适度的要求。

3.2 热舒适性评价指标分析

在标准化的基础上，室内的环境评价，需要考虑到人体的活动需求，衣服的热阻隔大小，室内空气温湿度的高低等因素。在这里，PMV 值需要保持在-0.5 到0.5 之间的距离。从以上的结果可以看到，人员活动的区域，宜处于2m以内的高度。并且PPD 值在10%的范围之内。通过热舒适性评价指标也可以发现，双层空调送风效果的热舒适性评价指标控制在合理的范围之内，达到预期的效果。

3.3 经济节能分析

由于该项目是夏季实施的，所以需要分层空调系统冷负荷保持在50%到85%的范围之间。这样就可以降低空调送风量，环保节能，降低能耗。

4 结语

本文利用CFD 数值模拟技术对某项目中庭分层空调进行CFD 数值模拟，对其流场和温度场进行分析。对空调区域流场进行合理的气流组织，分析其热舒适性，对其热舒适度进行评价，在满足热舒适度的条件下，降低空调能耗，节约运行成本。为高大空间分层空调的设计提供借鉴。