某大型中庭气流组织比较设计与数值模拟

吴佳菲

同济建筑设计研究院（集团）有限公司

0 前言

人们对室内装饰效果的审美和品位提高，对暖通设计的要求也随之提高。暖通空调设计需结合室内的装饰效果和净高、室外的建筑整体效果和景观，在有限的条件下确定有效、节能和舒适的气流组织方案。Airpak数值模拟软件可导出直观、可视化、可量化的数据及图表，用于协助暖通设计师、室内设计师及甲方业主综合取舍后确定可行可靠和舒适的气流组织方案。

本文以某工程项目为例，结合工程具体条件给出两种气流组织方案，利用Airpak数值模拟法模拟夏季工况下的空间气流场，并根据模拟结果比较确定和优化气流组织方案。

1 工程实例

1.1 项目概述

工程实例项目位于上海地区，其中一地上单体建筑由2座南北塔楼及中间裙房组成；南北塔楼均为9层，其中1F、2F为商业餐饮，3F及以上为办公；裙房为大空间挑空中庭，长66 m宽17 m高27 m（X-Y-Z），东西两侧为玻璃外幕墙，南北两侧9 m以下空间与塔楼商业餐饮连成一体，9 m以上为玻璃内墙与塔楼办公层隔断（办公人员可通过景观阳台俯瞰中庭），屋面为钢结构景观屋面。中庭内、外效果见图1和图2。

图1 中庭外部效果图

图2 中庭外部效果图

中庭空调形式为全空气定风量空调系统，在地下室设置4台36 000 m3/h风量空调箱，空调送/回风管通过竖井升至地上部分。因空调总风量较大，且送风管需经过塔楼商业位置才能送至中庭，故本项目采用双层送风方式以减小单层送风管尺寸，减小对塔楼商业净高的影响。

中庭室内设计计算参数见表1。

表1 中庭室内设计计算参数

1.2 两种气流组织方案

影响房间气流组织的因素较多，如送、回风口的形式、参数及安装高度，房间几何形状等，但送风口的风口形式及送风参数对气流组织的影响最为明显。

本项目设计了两种气流组织方案：方案一为“双层侧送风方式”，分别在南北塔楼的一层和二层商业吊顶内设置送风管对中庭侧送风，为减小送风管高度以提高商业净高，侧送风口采用鼓型喷口而非圆形喷口；方案二为“地送风结合侧送风方式”，二层送风方式同方案一完全相同，一层将侧送风改为地送风（送风管设置在地下室以提高一层商业净高），风口为条缝型风口，沿一层商铺玻璃隔断设置（本项目一层商铺紧贴中庭东西两边设置，中间为敞开通道，为保证通道的美观性，中庭中间不设地送风口）。回风口一般可设置为顶部吊顶回风或侧墙下部回风两种方式，侧墙下部回风方式在冬季供热工况下更有利于将空调热风送至人员活动区，与室内专业协商后方案一、二均采用侧墙下部回风方式，风口为单层百叶风口，分别设置在1F，2F的侧墙上以减小单层百叶面积有利室内美观效果。详细风口参数见表2。

2 CFD数值模拟与气流组织优化

2.1 数学模型与控制方程

鼓型喷口侧送风和条缝型风口地送风的射流过程均为湍流过程，其数值模拟法分为直接模拟法（Direct Numerical Simulation，DNS）和非直接模拟法，非直接模拟法又分大涡模拟法（Large Eddy Simulation，LES）和雷诺时均方程模拟法[1]（Reynolds-Averaging Equation，RANS）等。Airpak软件采用RANS模拟湍流过程，通过将非稳态的控制方程（连续性、动量、能量和组分方程）作时间的平均运算，将湍流的各种瞬时值表示为时均值和脉动值之和（对任一变量φ，有：从而得到时均化的控制方程。为使方程重新封闭得解，需建立湍流模型，Airpak内置5种湍流模型，分别为：混合长度零方程模型（Zero equation）、室内零方程模型（Indoor zero equation）、标准k-ε两方程模型（Two equation）、RNG k-ε两方程模型（RNG）和Spalart-Allmaras模型。本文选用室内零方程模型，它是专为模拟室内空气流动设计，具有简单可靠的特点。

同时，在不影响计算结果的前提下，对模型作如下假设：①空气为连续介质、不可压缩流体的低速流动；②湍流过程是稳态的（实际过程中，处理过的空气经喷口以一定速度进入场馆，需经过一段时间待送风与室内空气充分混合后整个流场才趋于动态稳定流态）③能量方程中，忽略粘性力引起的耗散热；④不考虑漏风影响，默认除室内的风口外都是密闭的；⑤壁面为稳态传热过程。

方案一和方案二的物理三维模型见图3和图4。

表2 两种气流组织方案的风口设计参数

图3 方案一的物理三维模型

图4 方案二的物理三维模型

2.2 边界条件的确定

中庭的南北两面侧墙为玻璃内幕墙，相邻房间为空调房间，假设它们之间无热交换，设为定温边界，温度为环境温度；东西两面侧墙为玻璃外幕墙，设为定温边界，根据玻璃综合传热系数按稳态传热公式求出壁面温度；屋面为钢结构景观屋面，同理根据屋面综合传热系数得出屋面温度。详细数据见表3。

表3 中庭边界条件的确定

2.3 网格划分

1)生成粗糙网格（Coarse Mesher）

Airpak内置的网格生成器可生成六面体网格和四面体网格（Tetrahedral Mesher），六面体网格又分为六面体非结构化网格（Hexahedral Unstructured Mesher）和六面体笛卡尔结构化网格（Hexahedral Cartesian Mesher）。本文选用六面体非结构化网格生成粗糙网格，其空间适用性强，对大部分问题都能得到满意结果。

2)细致化网格[2,3]

将之前生成的粗糙网格细致化，考虑到鼓型喷口的尺寸较小，故将Max X size，Max Y size，Max Z size设置为0.3，并对特殊对象（如送回风口等）增加网格数，保证每个对象周围至少包含4～5个网格单元；设置min elems in gap为2或3，min elems on edge为2，max size ratio为2～10，max o-grid height默认。

3)网格检查与评估；

在Mesh control的Quality标签下共有3个网格评价标准，分别为Face alignment（六面体网格的面对齐率）、Quality和Volume，其中Face alignment为主要评价标准，观察其数值应大于0.15，1时网格质量最好。本文的Face alignment在0.9～1区间内。

2.4 离散格式与收敛准则

动量、温度方程取一阶迎风格式，压力方程取质量力加权格式（Body force weighted）。

取流动方程（Flow）的收敛准则为1＊10-3，取能量方程（Energy）的收敛准则为1＊10-6。

内置FLUENT求解器采用亚松弛迭代法加速收敛，简单强迫对流，压力松弛因子取0.3，动量因子取0.7，温度和粘度因子取0.7～1，质量力因子取0.1，湍流动能和湍流耗散率因子取0.3～0.5。

2.5 模拟结果

2.5.1 双层侧送风方式

由图5可知，中庭左半侧，经处理的空气以4.77 m/s中心速度从喷口射出，边向前边卷吸周边空气并强烈混合后下沉，速度衰减，侧墙下部回风口的存在加速了气流的下沉，有利于快速将空气送至人员活动区。观察1F和2F喷口射流情况，发现其在距墙4 m以内分别形成上下两个涡流，涡流间相互影响加剧了气流的扰动，二层涡流的扰动尤为明显，它无明显的回流流型，这是因二层喷口回流方向与一层喷口送风方向相反所致。而一层喷口的回流流型扁圆，这表示回流空气受地面边界条件的存在被压缩得非常紧凑，回流空气速度和方向的变化更快，这是因为一层喷口的安装高度较低（离地面3.6 m）导致的。由此可预见，方案一的气流扰动较大，工作区风速也随之增大。图7验证了以上观点，可观察到人员活动区的风速大多集中0.3～0.8 m/s区间内，远大于设计要求的0.15～0.3 m/s，造成人体“风感”和“冷感”。

本项目中庭屋面为绿植上人屋面，业主出于景观、整体鸟瞰效果、噪音等因素，不希望在屋面设置中庭排风系统。为此，本项目模拟了中庭竖直方向的空气龄情况。由图6可知，靠近中庭顶部区域空气龄数值明显增大且与下部分层，空气龄越大，空气质点自进入房间至到达室内某点所经历的时间越长，通风换气效果和空气新鲜程度越差，表明中庭顶部聚集了大量室内热湿空气无法排出，并逐渐从边缘开始影响中庭下部空气质量，同时也降低了办公层景观阳台的空气质量和舒适度。

图5 方案一X=18.4 m（某一喷口中心）竖向速度场

图6 方案一X=33 m（中庭中心）竖向空气龄

图7 方案一Y=1.8 m（人站立时头部高度）横向速度场

2.5.2 侧送结合地送风方式

图8所示为方案二的竖向速度场，观察到中庭下部空调区除侧墙边界外均形成了圆整的回风流型，这表明回流空气的速度和方向变化不剧烈，扰动较小，速度场将更均匀。而在侧墙边界上，地送风口向上射流过程与吊顶顶送风口贴附射流相似，送风气流沿侧墙向上流动至二层喷口安装高度时，与二层喷口射出气流搭接后水平射出，这是因为地送风口的涡流方向与二层喷口的涡流方向相同，与方案一相比，混合后的扰动更小，速度场也更均匀。如图11所示，方案二的人员活动区域风速大多处于0.15～0.3 m/s区间内，满足设计要求；近壁处的风速在0.6～1.19 m/s之间，这是因地送风口紧贴壁面贴附射流的原因，因壁面附近为一层商业展示柜等非人员驻足停留区域，可接受风速略微超标。方案二的工作区风速明显低于方案一的风速，显示方案二的气流布置方式优于方案一。

图8 方案二X=18.4 m（某一喷口中心）竖向速度场

因方案一中庭顶部空气龄较大，热湿气体无法排出室外，故在方案二中与屋面景观协调后增加了中庭顶部排风系统。如图9所示，排风口区域附近的空气龄在900～1 137 s间，小于方案一中庭顶部1 000～1 276 s，但空气质量改善不明显，这是因为中庭排风系统的设计换气次数较小导致排风系统不能快速排出热湿空气，使其在排风口附近聚集造成的。由观察发现，离排风口越远，空气龄逐渐减小，空气质量越好，且中庭下部空调区与上部非空调区形成明显分层，下部区域空气龄约为顶部区域的1/4，约为方案一下部区域的1/3。同时，如图10所示，非排风口附近区域的同一竖向剖面，方案二的空气整体质量明显优于方案一，表明中庭顶部排风系统的必要性和有效性。

图9 方案二X=21 m（屋面排风口中心）竖向剖面空气龄

图10 方案二X=33 m（中庭中心）竖向空气龄

图11 方案二Y=1.8 m（人站立时头部高度）横向速度场

3 结论

本文以上海某大型中庭的空调与气流组织设计为例，结合室内装饰效果、净高、室外幕墙及景观效果情况，给出两种气流组织方案，分别为方案一“双层侧送风方式”和方案二“侧送结合地送风方式”，并利用Airpak数值模拟软件模拟分析了两种气流组织方案在夏季制冷工况下的空间气流场，结果表明：方案二的速度场分布更均匀，人员活动区的风速更低、人体“无风感”、舒适性更好；中庭顶部排风系统具有设置必要性，通过将聚集在中庭顶部的热湿空气排至室外，可以明显改善室内的空气质量，其空气龄约为无顶部排风系统的1/3。