呂琪銘 沈小萍

摘要：本文根據(jù)計算流體動力學（computational fluid mechanics， CFD）理論，利用基于控制體積的數(shù)值模擬方法對大空間區(qū)域的氣流組織進行模擬計算，通過比較分析冬、夏兩個季節(jié)的設備余壓、送風風速以及送風角度等參數(shù)，獲得優(yōu)化的空調設計條件：選用機外余壓為120Pa的VRV空調室內(nèi)機，風量、風速在一定范圍內(nèi)可調，采用可調式球型噴口作為送風風口，百葉風口作為回風口，側送上回的氣流組織形式。

關鍵詞：VRV空調系統(tǒng)；氣流組織；CFD；數(shù)值模擬；射流

1 引言

隨著現(xiàn)代人們生活水平的提高，高大空間在建筑物內(nèi)應用越來越廣泛，人們對大空間的室內(nèi)環(huán)境也提出了更高的要求。建筑空間內(nèi)的氣流組織形式?jīng)Q定了空調區(qū)人員的舒適性以及空調能耗的多少，因此各種氣流組織形式在高大空間中的應用引起了廣泛討論。李琳等對分層空調、置換通風、地板送風以及碰撞射流等四種形式作了相應分析和比較[1～6]。為了評價空氣入流條件對空氣流動情況的影響，趙彬等提出應用于空氣流動數(shù)值模擬的風口模型新思路[7]；羅卓英等應用N點風口模型模擬百葉風口在空調房間內(nèi)的影響[8]；任榮等比較了噴口風口和噴口加二次氣流送風形式對冬季分層空調的影響[9]。

本文以江蘇淮安玖瓏灣商務中心銷售大廳作為研究對象（圖1），借助CFD軟件進行數(shù)值模擬計算，得出最優(yōu)的空調設計條件。

2 項目概況

江蘇省淮安市玖瓏灣項目商務中心，總建筑面積5979.22平方米，建筑高度18.4米，共3層高，屬于一類公共建筑。主要功能包括銷售大廳、餐飲、恒溫游泳池、運動健身區(qū)、展廳等。根據(jù)建筑使用功能、使用時間以及業(yè)態(tài)管理方式的不同，結合當?shù)夭煌竟?jié)的冷、熱需求特點，以及空調系統(tǒng)布置位置的局限，選用變制冷劑流量（Variable refrigerant volume，VRV）空調系統(tǒng)，進行夏季供冷，冬季供暖。

由于業(yè)主裝修的方案，限制該空間只能使用側送上回的氣流組織形式，故采用數(shù)值模擬的方法來進行輔助分析，幫助解決暖通設計中設備機外余壓、風口選型、風口出流速度及出流角度等參數(shù)問題。

3 模型描述

研究對象為商務中心銷售大廳，建筑面積約為920平方米，建筑總高度為11.5米，銷售大廳的建筑尺寸為24m（長）×20m（寬）×11.5m（高）。在南、北兩側墻（X=-12、X=12）分別設置8個直徑為300mm的噴口，中心高度為7m，水平送風距離為10m?；仫L口設在上部，靠近南北兩側幕墻。圖2為該建筑簡化的模型。

3.1 室外、室內(nèi)空調設計參數(shù)

根據(jù)暖通設計手冊[10]選取設計參數(shù)，見表1，其中室外參數(shù)參考淮陰市氣象數(shù)據(jù)。淮安冬、夏兩季室外干球溫度均在VRV空調設備運行的許可工作溫度范圍內(nèi)，即該系統(tǒng)可以在冬夏兩季正常運行，滿足室內(nèi)舒適度的要求。

3.2邊界條件

由于空調房間的傳熱涉及外界、室內(nèi)空氣對外圍護結構的對流傳熱、外圍護結構的熱傳導以及輻射傳熱等復雜的傳熱問題，故本模型對邊界條件作了進一步簡化：外墻、外窗和地面按常壁溫設定，與其它空調房間相鄰的墻面按絕熱設定，其壁溫為環(huán)境溫度。具體數(shù)值見下表2。

送風口設定為質量流量進口型邊界，回風口設定為出口邊界。

3.3 模型求解

本模型中空氣流場包括了邊界層流動、剪切流動、有回流的流動等壓力梯度較小的流動，利用FLUENT2.3軟件，選用k-ε模型進行求解。

4 數(shù)值模擬結果與討論

4.1 風壓的影響

由于VRV空調室內(nèi)機的設備機外余壓不超過200Pa，在相同風速，機外余壓分別為90Pa、120Pa和200Pa的情況下作比較。

圖3為空調工作區(qū)2m高度的溫度分布。由圖可見，夏季工況下，風壓越大，溫度越低，但三種風壓下溫度的差異很?。欢诙竟r下，風壓越大，溫度越高，且120Pa時的溫度明顯高于90Pa的狀態(tài)。另外，兩個季節(jié)中120Pa工況與200Pa工況的溫度較接近。

4.2 風速的影響

噴口射流送風的風速通常取4～8m/s，若風速太小不能滿足射程的要求，風速過大在噴口處會產(chǎn)生較大的噪聲[10]。在冬季工況、相同機外余壓的情況下分別對風速v=3m/s～6m/s作比較。由圖4可見，風速越大，空調工作區(qū)2m高度的平均溫度越高；當風速大于5.5m/s時，射流出現(xiàn)碰撞，空氣流態(tài)呈現(xiàn)不對稱狀態(tài)。

由此可見，風速過小不足以讓熱風集中送至工作區(qū)，滿足空調區(qū)的需要。而風速過大使局部區(qū)域溫度不均勻。

綜合考慮噪音等因素，選擇機外余壓P=120Pa，風速=4.5m/s的設備，保證冬季熱空氣也能到達空調區(qū)域，并使空調區(qū)域獲得較均勻的溫度場和速度場。

4.3 送風射流角度的影響

夏季由于冷氣流容易下沉，垂直方向的送風角度對工作區(qū)沒有大的影響。但在冬季，由于風口噴出的是熱空氣上浮，故送風角度直接影響工作區(qū)的氣流效果。下圖5為不同送風角度的氣流組織。

在水平出流以及向下10°出流的情況下（圖a、b），熱空氣表現(xiàn)為貼附射流，在浮升力的作用下，沿屋頂向上攀爬一定程度就向下彎曲，以建筑物中心為分界線，氣流向兩邊對稱回流至回風口。

噴口向下傾斜的角度越大，射出的氣流越容易到達工作區(qū)。當噴口向下傾斜的角度增至20°時（圖c），熱氣流以水平角度射出，并在噴口上空形成微小的氣流漩渦，熱氣流到達工作區(qū)的風速較為適宜。當噴口增至30°時（圖d），一部分氣流由于初始動量很快到達地面，與地面換熱，氣流再回流至回風口；另一部分氣流因浮升力的作用，一直上升到屋頂，與屋頂冷壁面換熱，再向四周擴散并沿屋面下降。上下兩部分氣流形成橫向熱風幕，能夠阻隔下部分的熱空氣上浮，向下的氣流成為供暖的主導力量，使工作區(qū)溫度升高。當噴口繼續(xù)增大到一定程度時，上下兩部分氣流最初形成橫向熱風幕被破壞，向下的氣流仍然是供暖的主要力量，噴出的氣流使其能到達的工作區(qū)域溫度升高，而另一部分氣流由于浮升力上升，與屋面冷壁面換熱再向四周擴散。這使地面溫度分布不均勻，靠近中心的位置溫度低，兩邊溫度高。

由此可見，冬季噴口向下傾斜15°～20°能保證氣流較快到達地面，人員處于氣流的回流區(qū)，2m以下工作區(qū)有較均勻的溫度和風速分布。

5結論

由于功能使用、裝修條件以及空調設備擺放位置的限制，商務中心選用了VRV空調系統(tǒng)進行空氣調節(jié)。然而VRV空調室內(nèi)機機外余壓較小，對高大的銷售大廳空間的空調設計提出了問題。本研究利用CFD技術對商務中心銷售大廳的氣流組織進行數(shù)值模擬，通過比較分析得出以下結論：

（1） 由于冷氣流下沉、熱氣流上升，夏季即使風口出流風速很小、角度水平，冷空氣都能自然沉降到工作區(qū)；而冬季風口出流要在特定的條件下才能把熱氣流送入工作區(qū)。所以風口出流條件如果滿足冬季工況的要求，基本就能滿足夏季的需求。

（2） 當送風口采用球型噴口時，VRV室內(nèi)機機外余壓選擇在120Pa以上才能達到較好的送風效果。

（3） 風口出流的平均風速為4.5m/s，空調工作區(qū)才能達到較滿意的溫度要求。

（4） 選擇可調式球形噴口作為送風風口，夏季可采用0°水平射流，冬季調整為向下15°～20°角度射流。

（5） 綜合考慮各種因素，選擇機外余壓為在120Pa以上的空調末端送風設備，并根據(jù)不同的季節(jié)調整送風風量、風速以及風向，能滿足使用要求。

商務中心銷售大廳最終選用機外余壓為120Pa的VRV室內(nèi)機，采用可調式球型噴口作為送風口，百葉風口作為回風口，風量、風速在小范圍內(nèi)可調。該項目已于2011年10月投入使用，運營一年多時間內(nèi)，室內(nèi)實際溫濕度與設計相符，能較好滿足室內(nèi)人員的舒適性要求。

參考文獻

[1] 李琳，楊洪海.高大空間四種氣流組織的比較[J]. 建筑熱能通風空調，2012，（3）：60-62.

[2] 鄒月琴，王師白，彭榮，等.分層空調氣流組織計算方法的研究[J].暖通空調，1983，（3）：1-6.

[3] 余院生，張國偉. 地板輻射供冷與置換通風空調房間熱環(huán)境模擬與分析[J]. 制冷空調與電力機械，2008，（1）：11-16.

[4] 肖瑋，蔡亮.地板送風房間的氣流組織與熱舒適性[J].工業(yè)建筑，2008，38：41-43.

[5] Fred S Bauman.Underfloor Air Distribution Design Guide[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2006.

[6] 李曉冬，董磊.碰撞射流通風方式的研究[A]：全國暖通空調制冷2006年學術年會論文集[C].2006：68-70.

[7]趙彬，李先庭，彥啟森.室內(nèi)空氣流動數(shù)值模擬的風口模型綜述[J].暖通空調，2000（5）：33-37.

[8]曠金玉，羅卓英，周猛等.百葉風口空調房間室內(nèi)熱環(huán)境的數(shù)值模擬研究[J].科學技術與工程，2012（2）：353-357.

[9]任榮，黃晨，蔡寧等.冬季單側噴口加二次氣流下熱環(huán)境的節(jié)能性和舒適性討論[J].流體機械，2011（1）：78-82.

[10]陸耀慶.實用供熱空調設計手冊（第二版）[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008.