某候车大厅空调气流组织分布数值模拟分析

王承志，张妍妍，王燕，董敏

（山东华宇工学院，山东 德州 253034）

0 引 言

近年来，随着我国经济的日益发展，我们可以明显地感觉到出行愈发方便，随之而来的便是客运服务快速发展。候车大厅作为车站最重要的功能区，人们对候车大厅的要求也在不断提高，尤其是对空调系统提出了更高的要求。因此，在暖通的设计中，不仅要保证建筑物内的人有良好的舒适度，还要尽可能地降低空调能耗，节约能源。

候车大厅属于高大空间建筑，与其他小型室内建筑相比，高大空间建筑往往呈现出变化较大的分布特点，尤其是在垂直方向上很容易形成分层现象。目前，高大空间空调系统气流组织的设计尚无非常成熟的理论和实验结论，需要借助气流数值分析和模型实验来找到最优的气流组织方案，数值模拟已经成为研究高大空间气流组织的最常用方式之一。

宣湟等人利用CFD 技术对上海某高大空间的座椅送风结合局部顶送风方式进行数值模拟分析，结果表明该方案下的热舒适性得到了显著的提升；温新华运用CFD 技术对某酒店宴会厅空调系统进行气流组织模拟，发现其中存在的不足，通过改进措施，解决系统中存在的问题。王龙阁对不同热源形式以及不同用途的高大空间建筑，采用不同的送风口布置方式以及不同的送风口数量，利用CFD 模拟软件对室内流场进行模拟分析，得出布置方式及送风口数量对室内流场的影响。

目前，高大空间建筑常用的送风方式主要有上送下回、侧送侧回、分层空调、置换通风等。其中，分层空调往往用于空间容积大于10 000 m3、高度在10 m 以上的建筑；置换通风由于系统管道复杂，容易产生积尘等问题，应用较少；在10 m 以下的高大空间建筑中使用较多的是上送风和侧送风方式。本文采用数值模拟方法，利用Fluent 软件模拟侧送侧回送风方式下候车大厅的气流组织情况，通过对比分析不同工况下气流组织的特点，为候车大厅的空调设计提供参考。

1 建立物理模型、网格划分及设计方案

1.1 建筑模型建立

本建筑物为候车大厅，属于高大建筑，位于德州市，坐南朝北。建筑长度为20 m，宽度为10 m，高度为7 m，总建筑面积为200 m2。采用侧送侧回的送风方式，总共设置13 个尺寸为600 mm×600 mm 的回风口，2 个1 500 mm×1 500 mm的送风口。由于候车大厅属于高大建筑，很多送风形式都不能同时兼顾经济性和舒适性的要求，顶送风在这个模型中就不合适，新风系统因为候车大厅巨大的高度差，很难到达旅客以及工作人员的活动区域。如果采用大风速、低冷量的送风方式，效果不一定理想，但是能耗和噪音都会增加。具体建筑模型如图1 所示。

图1 建筑模型图

1.2 网格划分

计算过程的第一步便是网格划分，Fluent 内设强大的自动划分软件Mesh，可对模型进行精准的网格划分。一般情况下，由于网格数量代表了要计算的区域范围，类似于微分方程，网格划分的越密集数量越多，最终结论的准确性才会越高。但是网格数量过多，又会对计算机的运算速度提出较高的要求，需要长时间的运算，大大增加了计算量。房间的出风口与进风口对室内气流组织有极大的影响，所以为了在较小计算量的同时增加计算精度，采用局部加密的网格划分方法，最终网格节点被划分为854 986 个。

1.3 设计方案

由于候车大厅属于高大建筑，对风速和温度有较高的要求。合理风速在10 ～13 m/s 之间，合理送风温度为15～18℃。因此在本区间选定4个合理的工况进行对比研究，具体参数如表1 所示。

表1 模拟工况

2 模拟计算及结果分析

由于在候车大厅，人群年龄差别大、地域分布广，所以每个工况均截取距地面1.5 m 和2 m 的平面云图来分析。

对于A1 和A2 工况来说，送风温度相等，送风风速不同。通过对比分析两种工况下的温度场图和风速场图，得出不同送风风速对气流组织的影响，如图2、图3 所示。

图2 显示了A1 工况下Z=1.5 m 处的温度场和速度场，图3 显示了A1 工况下Z=2 m 处的温度场和速度场，由温度云图可以看出，最高温度为300 K，最低温度为289 K，温度呈现出由四周向中间逐渐降低的走势，气温最低处在两个送风口附近，温度最高处在两个墙的夹角处。根据分析得出结论，风由风口吹入后涌入出风口。而两个墙的夹角处，风无法吹到，属于盲区，由风场流速图也可以看出，两个夹角处风速为零，说明此区域空气流动缓慢，换气效率低下。最高风速在送风口处，速度为3 m/s。在人员密集的中间区域，云图情况表现良好，风力强度在1 m/s 以内，属于人体舒适风速。从温度图中可以看出，房屋四周温度较高，但是随着风吹入深度的增加，房屋由四周向中心气温逐渐下降，且下降速度比较明显。在人员密集的中心区域，温度都在296 K以下，属于体感舒适的黄金温度范围。

图2 A1 工况下温度场和速度场（Z=1.5 m）

图3 A1 工况下温度场和速度场（Z=2 m）

由图2 和图3 的对比分析可知，由于风口设置在3.5 m高度处，随着高度的上升，空气温度下降比较明显，气体流速上升较为显著，由此可知高度也是影响气流组织的因素之一。根据A2状况下的云图，比较两种工况下气流状态的差异。A2 工况下气流温度与流速的云图如图4、图5 所示。

图4 A2 工况下温度场和速度场（Z=1.5 m）

图5 A2 工况下温度场和速度场（Z=2 m）

从图中可以看出，相较于A1 工况，A2 工况的进风速度有所上升，温度场与速度场有了明显的变化。由温度图可以看出，温度最高处依然是墙壁四周，温度为300 K，但是相较于A1 工况，高温面积扩大。最低温度为291 K，相较于A1 工况，最低温度上升两度，此外，明显的表现就是，温度场四周温度上升，而靠近出口处的温度下降幅度较大的情况。这样带来的后果就是，人员密集的地方气温较高，而靠近出口的地方气温较低，带来房屋内气温差异过大的问题。舒适气温环境相较于A1 工况，面积较小，人员处于不舒服环境的概率更大。从速度场来看，房屋四周风速较低，房屋中心区域风速较高，特别是房屋两夹角到出风口的一条线，风速超过2.7 m/s，超出了人体的舒适风速。总体来说，风速提高后，房屋内部的气流呈现出分布不均、差值较大的情况，这就极大地降低了人体舒适度。

相较于A1、A2 工况，A3、A4 工况提高了温度，如图6、图7、图8、图9 所示。

图6 A3 工况下温度场和速度场（Z=1.5 m）

图7 A3 工况下温度场和速度场（Z=2 m）

图8 A4 工况下温度场和速度场（Z=1.5 m）

图9 A4 工况下温度场和速度场（Z=2 m）

在A3 工况下，由温度图可以看出，最高温度依然为300 K，温度最高处是四周，相较于A1 工况，高温面积比较大，最低温度为293 K，上升4 K。与A2 工况相同，此时温度场出现了四周温度上升，靠近出口的温度下降幅度较大的情况，进而造成房屋内气温差异过大。人群密集的地方气温高，而靠近出口的地方气温低，舒适气温环境的面积较小，在此条件下人员多处于不舒服的环境中。从速度场图中可以看出，A3 工况下，最高风速为3.4 m/s，相较于A1 和A2 工况，风速较大的区域降低的较为明显，除靠近出风口的内部区域，剩余大部分都处于1 m/s 的风速之下。

由云图可以看出，在12 m/s 的流速下，A4 工况出现了与A2 工况相同的问题。并且由于A4 工况提高了温度，所以在A4 工况下，所展现的室内气流温度、流速分布不均的问题更加严重，舒适区域的面积进一步减少。在A4工况下，气温最高分布在墙壁四周，为300 K，面积相较于A1 来说，扩张明显。最低温度292 K，且分布呈现线性趋势，由温度最高的进风口夹角处，流向两个出风口处。除去极端气温，处于舒适温度的区域面积进一步减少，相对于人流密集的候车大厅来说，这会极大地降低旅客的舒适度。流场图的变化更为明显，出现了明显的风向线，且室内气流不稳，最高流速为3.8 m/s，其他地方流速降低较为明显。虽然流速在1 m/s 的区域面积比较大，但是问题在于这种流场分布，对于人体健康影响较大，处于风口处，人体在高风速的环境中，体感较差，加之该区域温度偏低，这就给旅客带来了更多健康上的风险。综上所述，A1 工况为最佳工况。

3 结 论

本研究通过Fluent 软件对某候车大厅侧送侧回送风方式的四种工况进行了模拟分析，结果发现在相差不大的送风温度条件下，候车大厅空间内的温度和气流组织不会有显著的变化，但是，不同的送风速度对于候车大厅内的气流温度有着较大的影响，较低的送风速度会导致空气温度在大厅空间上部区域内急速衰减，并且近地面的气流流动速度也接近停滞，对室内空间舒适度有极大的影响。总体来说，当送风温度为289 K、送风速度为11 m/s 时，候车大厅内大部分区域都处于1 m/s 之下，温度处于289 K ～296 K 之间，此时为最优工况。