运用CFD技术对扬州万达广场中庭空调系统设计的热环境研究

沈红萍

【摘要】在综合性商业建筑中，中庭建筑设计中的核心部分。扬州万达广场是一个典型的综合性商业建筑，本文运用CFD方法，以扬州万达广场中庭为研究对象，共5层，中庭为1-4层，首层、二层层高5.4m，三、四层为5.1m，运用gambit软件进行建模，并使用FLUENT软件进行数值计算结合商场中庭的基本特点对其中部分有代表性的中庭区域进行热环境模拟，对空调系统的夏季工况的舒适性进行分析。通过对本项目的中庭空调系统设计方案的数值模拟，得到的活动区域的温度可控制在26摄氏度以下，气流流速0.2m/s，均能满足舒适性要求。但同时也发现，中庭的纵向温度梯度高达5℃，在夏季会出现上部空气过热问题，其较大的温差会对建筑上层空间的舒适度及能耗产生非常大的影响。为了消除这种状况，可以适量附加空调负荷，充分利用中庭下部以及其他楼层空间的空调回风来降低中庭的温度。

【关键词】CFD模拟;商业建筑中庭;热环境;舒适性

1、计算流体力学在建筑设计中的应用

新出台的《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范（GB50736-2012）》7.4.1条文指出，空调系统末端装置的选择和布置时，应与建筑装修协调，同时应考虑室内空气质量、室内温度梯度等要求;设计气流组织设计的舒适性指标，主要由气流组织形式、室内热源分布及特性所决定。对于复杂空调区的气流组织设计，采用常规计算方法已无法满足要求，宜采用计算流体动力学（CFD）数值模拟计算。实际上，CFD技术已经广泛应用于建筑的节能评估，其主要评估内容包括室外环境品质分析和室内环境品质分析两部分。

室外环境品质的分析主要为风环境分析，分别模拟在夏季和冬季典型风向、风速工况下，建筑物所在的整个小区自然通风的流场，根据建筑的通风模拟结果，对不满足通风要求的区域提出改进建议。室内环境品质的分析一般有自然通风设计和空调系统热舒适性评价。

热舒适性是衡量舒适性空调尤其是商业建筑空调系统效果的首要标准，在建筑建成前，很难预测空调效果的好坏，往往不合理的设计会造成后期改造浪费大量的人力物力财力。通过CFD模拟，对当前空调设计方案的室内温度场，气流流场以及压力场进行数值模拟，直观的判断温度梯度、压力梯度、气流方向、以及工作区的风速分布是否符合舒适性要求，对室内热舒适度进行预测和评价。例如对于大型商业建筑，可以模拟中庭区域的空调工况下的纵向温度梯度分布，排烟工况下的气流组织分布，以及工作区域气流流速分布，从而直观预判空调、通风设计方案的合理性，并找出解决方案，对现有方案改进，防止房间局部过热和过冷，创造均匀舒适的室内热环境。

2、建立模型

物理模型：

本文以扬州万达广场中庭为研究对象，共5层，中庭为1-4层，首层、二层层高5.4m，三、四层为5.1m，运用gambit软件进行建模，并使用FLUENT软件进行数值计算。本文取中间椭圆形局部具有代表性的中庭空间进行数值模拟，该中庭区域在首层吊装4台风量为6000m3/h的吊装式空调机组。由于喷口送风的喷口截面大，出口风速高，气流射程长，与室内空气强烈掺混，能在室内形成较大的回流区，达到布置少量风口即可满足气流均布的要求，故设计沿庭壁下侧均匀布置10个直径为300mm的喷口送风，送风温度为289K（16℃），沿圆弧上侧上部吊顶内设置7个下送风口，此区域设置两个回风口，中庭顶部设有2台排风风机，排风量平时为新风量的90%，过渡季节为总风量的60%。由于新风处理到室内设计状态点，并且送风口多布置在过道区域，对中庭大空间的影响较小，本文对新风的送风情况不作分析。

3、结果与讨论

中庭温度分层主要是由于高度引起的温度梯度，该建筑中庭高21.0m ，中庭面积为502m2 。图1为OXZ面上Y=0处的温度场，即中庭中间垂直面温度分布。在垂直方向上，随着Z（即高度）的增加呈递增趋势，说明建筑中庭越高，温升越严重。由图1可以看到，在4层靠近屋面处，空气温度约为303K（30℃），一层过道区温度约为298K（25℃），中庭纵向最大温差为5℃ ，这将对顶层空调冷负荷产生极大的影响。所以，在有中庭建筑的空调系统设计中，顶层冷负荷需要附加承担由于高度引起温升而产生的冷负荷。由于回风口设置在首层过道顶部，加强活动区域的空气对流，使得过道区域的温度得到有效的降低，数值模拟计算得到Z=2m处XOY平面（即人员活动区域横截面）的温度场分布。一层过道区域与中空区域的温度均在299K（26℃）以下，能滿足室内人员的舒适度要求。

由于中庭的首层为人员活动区域，所以在人员活动区域的气流组织对人员舒适度有很大的影响。本设计的喷口风速为2.8m/s，数值模拟计算得到Y=0m处XOZ平面（高度方向）的气流流速分布，喷口送出的冷风由于重力作用，向下流动并形成涡流。数值模拟计算得到Z=2m处XOY平面（即人员活动区域横截面）的气流流速分布，在回风口风速达到最大值，部分区域形成涡流，大部分工作区风速均低于0.5m/s，符合《全国民用建筑工程设计技术措施（2009）》5.4.2中对于商场建筑室内活动区的允许气流速度要求（室内温度26℃对应允许流速0.45m/s）。

结论：

本文通过对本项目的中庭空调系统设计方案的数值模拟，得到的活动区域的温度和气流流速均能负荷舒适性要求。但同时也发现，在传统的中庭设计中，如果只把地面附近的温度控制在舒适度范围内，在夏季会出现严重的上部空气过热问题，其较大的温差会对建筑上层空间的舒适度及能耗产生非常大的影响。为了消除这种状况，可以适量附加空调负荷，充分利用中庭下部以及其他楼层空间的空调回风来降低中庭的温度。

参考文献：

[1]贾昭凯.国家会展中心（上海）超高大展厅空调通风设计[J].《暖通空调》，2015-10-13

[2]徐瑾.安全与成本综合评价体系在建筑消防设计中的应用.兰州大学，2017-06-01

[3]《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范（GB50736-2012）》