某廠房氣流組織模擬分析

白音夫，敬成君，徐 龍，扈 崢

(四川大學建筑與環境學院,四川成都610065)

隨著社會進步和經濟的發展，人們的生活水平不斷提高，對建筑環境的舒適度有了更高的要求，因而對通風空調技術的要求相應提高，空調效果成了人們關心的重點。而對于工業廠房這類高大空間建筑而言，其特點是體積大、圍護結構傳熱量大、內部熱源散熱大，空調負荷較大。對于這類特殊空間建筑，科學合理的設計氣流組織，確保建筑物空氣溫度、氣流速度及分布滿足機器散熱的需要，同時又保證空調系統能耗較低、能源利用率高具有重要的意義。送排風方式是影響氣流組織的重要因素。合理的送排風方式可以避免渦流、回流，增加空氣清新的程度；而送風速度不變的情況下，合理的送排風方式會加大室內風速使得機器與周圍環境之間的換熱增加，進而節約能源。

目前，對于高大空間公共建筑，其空調氣流組織主要有上送風方式、側送風方式、下送風方式以及多種氣流組織合用的方式。對于工業廠房建筑，設計人員多憑經驗采用上送風方式或者側送風方式，回風的位置確定也比較隨意，較少利用科學手段優化設計。本文結合工程實際，運用CFD方法，深入研究工業廠房8種氣流方式分別為：同側中送中回、異側中送中回、同側上送下回、同側下送上回、異側下送上回、異側上送下回、異側下送下回、異側上送上回。探討常規設計的合理性與局限性，從而為設計人員提供相關的參考。

1 數值模擬

1.1 物理模型

該工業廠房位于四川省綿陽市，其建筑外形尺寸為75 m×9 m×105 m(長×高×寬)，內含6個160 kW的散熱源，尺寸為15 m×3.5 m×15 m(長×高×寬)，送風口尺寸為3.6 m×0.25 m(長×高)，排風口尺寸為2.6 m×1.6 m(長×高)，根據以上尺寸，建立8種方案的物理模型。其中X方向為長，Y方向為高，Z方向為寬(見表1)。模型如圖1所示。

表1 送風方式

1.2 數學模型

為了簡化問題，作如下的假設：

(1)空調室內空氣為不可壓縮，空氣物性為常數，室內空氣為輻射透明介質。

(2)流動為穩態湍流。

(3)考慮重力因素，對于浮升力的作用，采用Boussinesq密度假設。

(4)墻壁氣密性好，不考慮漏風的影響。

(5)室內人員散熱都按一定比例分散到室內熱源設備上，其他熱源包括建筑得熱、照明負荷都按照一定的比例分散到地面、吊頂以及外墻上。

(6)忽略凝結相變造成的影響。

根據實際情況采用由Launder和Spalding等提出的k-ε雙方程模型。其控制方程統一寫為通用的輸運方程形式：

對于速度，按照固體壁面無滑移邊界條件處理，對于K和ε則按照壁面函數法來處理。房間圍護結構保溫性能良好，壁面按第二類邊界條件處理，送風口采用速度入口邊界條件，排風口采用自由出流邊界條件。根據空調設計方案計算結果其邊界條件如表2。

表2 邊界條件

基于以上的模型和邊界條件,在Y軸設置g=-9.8 m/s2的重力加速度，取一個標準大氣壓，采用有限體積法的一階差分格式離散控制方程，速度和壓力的耦合采SIMPLE算法進行求解。

2 模擬結果與分析

在分析結果前把人體舒適高度簡化為距離地面1.5 m，所以以下檢測面均為距地面1.5 m處。

2.1 同側中送中回分析結果

圖2可以看出速度場分布大體均勻，邊角及散熱源遮擋處速度較低，廠房中間及散熱源側面速度較高，最高可達1 m/s，吹風感較強，廠房平均風速為0.3 m/s；由圖3可以看出溫度分布大體均勻，廠房邊角溫度較高，溫度最高處可達到51℃，廠房中間由于送風無遮擋，溫度最低可達24℃，平均溫度為26.7℃。

圖2 速度場

圖3 溫度場

由airpak得出的PMV值反映的是人體舒適度，ISO提出-0.5

圖4 熱感覺

2.2 異側中送中回分析結果

圖5可以看出速度場分布大體均勻，廠房中間速度較低，送風初始方向與回風初始方向速度最高，最高可達0.9 m/s，工作區吹風感較強，廠房平均風速為0.3 m/s；圖6可以看出溫度分布不均勻，送風邊溫度較高，溫度最高處可達到50℃，廠房中間由于送風無遮擋，溫度最低可達22℃，平均溫度為25.3℃。

僅以圖7工作區PMV值分析，工作區基本所有PMV值為-3，不滿足舒適度要求，這說明該廠房使用異側中送中回送風方式大部分無法滿足舒適度要求。

圖5 速度場

圖6 溫度場

圖7 熱感覺

2.3 同側上送下回分析結果

圖8可以看出速度場分布大體均勻，墻四周速度較低，排風口上方速度最高，最高可達1.7 m/s，工作區風速適中，廠房平均風速為0.3 m/s；圖9可以看出溫度分布大體均勻，墻四周及散熱源溫度較高(屬正?，F象)，溫度最高處可達到53℃，廠房中間由于送風無遮擋，溫度最低可達24℃，平均溫度為26.5℃。

圖8 速度場

圖9 溫度場

僅以圖10工作區PMV值分析，工作區PMV值分布平均，平均值為0.4，滿足舒適度要求，這說明該廠房使用同側上送下回送風方式滿足舒適度要求。

圖10 熱感覺

2.4 同側下送上回結果分析

圖11可以看出速度場分布也不均勻，墻四周速度較低，噴口下方速度最高，最高可達4.4 m/s，工作區風速較高，吹風感強烈，廠房平均風速為0.7 m/s；圖12可以看出溫度分布不均勻，工作區大部分溫度較低，溫度最低處可達到19℃，平均溫度為23.8℃。

圖11 速度場

圖12 溫度場

僅以圖13工作區PMV值分析，工作區PMV值分布平均，平均值為-2.5，不滿足舒適度要求，這說明該廠房使用同側下送上回送風方式大部分不滿足舒適度要求。

圖13 熱感覺

2.5 異側下送上回結果分析

圖14可以看出速度場分布不均勻，排風口所在墻速度較低，噴口下方速度最高，最高可達3.7 m/s，工作區風速較高，吹風感強烈，廠房平均風速為0.6 m/s；圖15可以看出距地面高1.5 m處溫度分布大體均勻，排風口所在墻體溫度較高，最高可達50℃，送風口下部溫度較低，溫度最低處可達到20℃，平均溫度為25℃。

僅以圖16工作區PMV值分析，工作區PMV值分布平均，平均值為-3，不滿足舒適度要求，這說明該廠房使用異側下送上回送風方式大部分不滿足舒適度要求。

圖14 速度場

圖15 溫度場

圖16 熱感覺

2.6 異側上送下回結果分析

圖17可以看出速度場分布大體均勻，排風口處速度較高，最高可達1.6 m/s，工作區風速均勻，吹風感適中，廠房平均風速為0.3 m/s；圖18可以看出溫度分布大體均勻，排風口所在墻體溫度較高，最高可達51℃，送風口下部溫度較低，溫度最低處可達到22℃，平均溫度為25.5℃。

僅以圖19工作區PMV值分析，工作區PMV值分布平均，平均值為0.65，工作區大部分氣流組織滿足舒適度要求，PMV值較高地方均為散熱源表面(屬于正?，F象)，這說明該廠房使用異側上送下回送風方式滿足舒適度要求。

圖17 速度場

圖18 溫度場

圖19 熱感覺

2.7 異側下送下回結果分析

圖20可以看出速度場分布不均勻，送風口下部速度較高，最高可達4.1 m/s，排風口所在墻體速度較低，工作區風速不均勻，吹風感強烈，廠房平均風速為0.6 m/s；圖21可以看出溫度分布不均勻，送風口所在墻體及排風口處溫度較高，最高可達51℃，送風口噴口處溫度較低，溫度最低處可達到22℃，平均溫度為26℃。

僅以圖22工作區PMV值分布平均，平均值為-2.0，不滿足舒適度要求，這說明該廠房使用同側下送上回送風方式大部分不滿足舒適度要求。

圖21 溫度場

圖22 熱感覺

2.8 異側上送上回結果分析

圖23可以看出速度場分布大體均勻，個別地方風速較高，最高達0.9 m/s，工作區基本無風，廠房平均風速為0.3 m/s。圖24可以看出溫度分布大體均勻，排風口所在墻體溫度較高，最高可達50℃，中間送風口下部溫度較低，溫度最低處可達到22℃，平均溫度為25.2℃。

僅以圖25工作區PMV值分析，工作區PMV值分布平均，平均值為0.56，工作區大部分氣流組織滿足舒適度要求，PMV值較高地方均為散熱源表面(屬于正?，F象)，但工作區基本無風現象使得工作區空氣質量較低，舒適度下降。這說明該廠房使用異側上送上回送風方式不滿足舒適度要求。

圖23 速度場

圖24 溫度場

圖25 熱感覺

3 結論

通過數值模擬，對該工業廠房采用八種送排風方式進行了氣流組織的綜合比較，結果表明：

(1)針對本例中的廠房采用同側上送下回和異側上送下回的送風方式基本可以滿足室內舒適度要求，同側上送下回的方式PMV值更接近0，對于整個廠房來說舒適度更好一些，但就工作區而言，異側上送下回方式中工作區的溫度比同側上送下回的溫度要更舒適一些。

(2)針對本例中的廠房采用同側或異側下送風方式的時候工作區的風速過大，氣溫過低，均不滿足室內舒適度的要求。

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