碰撞射流在航站樓的應用及與分層空調的比較

張劍英 李琳 劉夢 楊洪海*

1東華大學環境科學與工程學院2中國海誠科技股份有限公司

碰撞射流在航站樓的應用及與分層空調的比較

張劍英1李琳2劉夢1楊洪海1*

1東華大學環境科學與工程學院2中國海誠科技股份有限公司

碰撞射流通風是近年提出的一種新通風方式，有較好的應用前景。本文將其應用于航站樓類高大空間建筑，模擬分析室內氣流組織及舒適性，并與分層空調通風方式進行對比。結果表明，兩種通風方式均能滿足工作區的設計溫度；若采用碰撞射流通風方式，可以緩解工作區的吹冷風感，使得氣流在同一水平面的分布更均勻，同時提高室內的熱通風效率，更好地消除熱負荷。

碰撞射流通風 分層空調 航站樓 氣流組織 數值模擬

航站樓是一種特殊的建筑類型，要在送風的同時控制溫度、速度等的穩定性和舒適性，有一定難度，航站樓類高大空間建筑的空調負荷也與送風方式密切相關。因此，室內空調的能耗大小以及均勻理想的溫度場、速度場都取決于合適的送風方式。

目前我國舒適性空調通常采用混合送風方式，該方式通風效率和能源利用率低，空氣品質差[1]。置換通風在垂直方向上利用了熱力分層，使室內空氣質量得到改善[2]。置換通風的送風速度一般小于0.5m/s，氣流無法到達房間較遠的區域，限制了在大跨度房間中的使用。分層空調與全室空調系統相比，節省能耗和初投資[3～4]。李琳[5]等利用FLUENT軟件，對虹橋機場新航站樓采用分層空調系統的氣流組織及熱舒適性進行了模擬分析，得到溫度、速度及熱舒適性指標值隨著空間位置的變化規律。碰撞射流通風是近年來提出的一種新通風方式，結合了混合通風和置換通風的優點，被譽為“The Air Queen”，有較好的應用前景，值得深入研究[6～8]。

在文獻[5]的基礎上，針對航站樓建筑，將碰撞射流通風方式應用于高大空間，通過FLUENT模擬研究室內氣流組織及舒適性，并與分層空調方式對比。

1 物理模型與設計參數

選取虹橋機場2號航站樓一層迎客廳及行李提取大廳為研究對象，該建筑南北向長約280m，東西向寬約為75m，層高約為12m，面積約為16640m2。不僅具有跨度大、高度大的特點，而且人員密集，對室內空調舒適性要求較高。由于建筑結構具有南北對稱性，故計算區域選取主樓一層大廳北邊一半，包括行李提取大廳和迎客廳。建模時，對外形非常復雜的局部區域適當的規整成矩形，如圖1。

圖1 研究對像結構示意圖

模型按非結構網格劃分，對送風口等局部區域進行加密。采用FLUENT軟件，選取RNG k-ε兩方程紊流模型，近壁面區域則選用標準壁面函數法，速度-壓力耦合采用SIMPLE算法。設計參數及邊界條件如表1和表2。

表1 設計參數

表2 邊界條件匯總

2 結果分析

2.1 垂直速度的比較

圖2為碰撞射流與分層空調兩種通風方式在工作區（0～2m）內平均速度沿高度方向的變化趨勢，從圖中可以看出：

兩種送風方式在工作區的送風速度均隨著高度的升高而下降。分層空調較為緩慢，碰撞射流下降較快。

2）分層空調方式下，工作區的平均風速在0.4～0.6m/s，大于推薦值0.3m/s[10]，人在房間中會全身有吹冷風感。

3）碰撞射流通風方式下，底部工作區（0～0.8m）平均風速在0.3～0.75m/s，大于推薦值0.3m/s，會有吹冷風感；在上部工作區（0.8～2m）平均風速在0.15～0.3m/s，小于推薦值，吹風感不明顯。

因此，從工作區風速分布來看，相比于分層空調方式，在碰撞射流通風方式下，人體吹冷風感得到改善。

圖2 垂直速度的比較

2.2 垂直溫度的比較

圖3為兩種通風方式在工作區（0～2m）平均溫度沿高度方向的變化趨勢，可以看出：

1）分層空調方式下，隨著垂直高度的增加，平均溫度略有下降；碰撞射流通風方式下，隨著垂直高度的增加，平均溫度緩慢上升。

2）碰撞射流通風方式下，最低平均溫度出現在地面附近，在人體腳裸處會有稍涼的感覺。

就溫度分布來說，分層空調通風方式垂直溫差小、平均溫度更滿足人體熱舒適要求，優于碰撞射流通風方式。

圖3 垂直溫度的比較

2.3 同一水平面溫度及風速不均勻性的比較

在室內各點，溫度、風速等均有不同程度的差異，這種差異可以用“不均勻系數”指標來評價，如式（1）所示[9]：

其中：

式中：ku為不均勻系數；u為多個測點的平均溫度（或速度）值；ui為某個測點的溫度（或速度）；n為所測點數。

ku的值越小，表示氣流分布的均勻性越好。在離地面1.7m高度處（人員采取站立姿勢高度）選擇9個測點，分別計算碰撞射流通風與分層空調方式下溫度及風速的不均勻系數，結果如表3所示。

表3 1.7m高度處溫度及風速不均勻系數

從表3可以看出，在分層空調方式下，同一水平面上的風速和溫度不均勻系數較大；在碰撞射流通風方式下，同一水平面上的風速和溫度不均勻系數較小，尤其是速度不均勻系數。說明在碰撞射流通風方式下，房間中氣流分布的均勻性較好。

2.4 熱通風效率的比較

通風效率是指通風系統排除通風空間內部產生的污染物或熱量的能力，它一方面與室內污染物含量分布相關，另一方面與室內溫度分布相關[10]。從溫度分布角度定義熱通風效率可表示為：

為便于比較，兩種送風方式取相同的送風溫度（參見表1），通過FLUENT模擬計算得到平均排風溫度te及整個室內空氣平均溫度，代入式（3）得到兩種送風方式下的熱通風效率，結果如表4所示。

表4 各溫度值及熱通風效率

從表4可以看出，送風溫度相同（均為289K）時，碰撞射流方式下的熱通風效率為289%，分層空調方式下的熱通風效率為235%。說明碰撞射流通風消除熱負荷的效果更好，能更有效利用新風。

3 結論

通過數值模擬，將碰撞射流通風應用于上海虹橋機場新航站樓，并與分層空調方式的熱環境進行了對比。結果表明：

1）分層空調在整個工作區的平均風速高于推薦指標，全身有吹冷風感；碰撞射流通風只在地板附近風速略高，其他區域吹冷風感得到改善。

2）兩種空調方式均能滿足工作區的設計溫度，但分層空調的垂直溫差比碰撞射流通風的小，溫度分布更好。

3）與分層空調相比，在碰撞射流通風方式下，同一水平面上溫度及速度的均勻性較好，氣流分布更均勻；且熱通風效率較高，能更好地消除熱負荷，充分利用新風。

[1]馬仁民.通風的有效性與室內空氣品質[J].暖通空調,2000,30 (5):20-23

[2]李強民.置換通風原理、設計及應用[J].暖通空調,2000,30(5): 41-46

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

[4]樊少星,周平章.分層空調設計的若干問題[J].暖通空調,1980, (4):7-10

[5]李琳,楊洪海,甘長德.虹橋機場新航站樓分層空調氣流組織模擬計算[J].制冷與空調,2010,10(6):77-80

[6]袁麗麗,寇利,劉斌.對比置換通風碰撞射流通風室內顆粒物分布特性的研究[J].潔凈與空調計術,2008,12(4):30-35

[7]李曉冬,董磊.碰撞射流通風方式的研究[A].見:全國暖通空調制冷2006年學術年會論文集[C].2006.68-71

[8]王紅梅.碰撞射流通風的特性及節能分析[J].低溫建筑技術, 2012,07:137-138

[9]朱穎心.建筑環境學(第二版).北京:中國建筑工業出版社,2008

[10]陸亞俊,馬最良,鄒平華.暖通空調(第二版)[M].北京:中國建筑工業出版社,2007

Applic a tion of Im pinging J e t Ve ntila tion in Avia tion Building a nd Contra s t w ith Stra tifie d Air Conditioning

ZHANG Jian-ying1,LI Lin2,LIU Meng1,YANG Hong-hai1*
1 School of Environmental Science and Engineering,Donghua University 2 China Haisum Engineering Co.,Ltd.

Impinging jet ventilation is a new and quite potential type of ventilation mode,which is now presented in an aviation building to investigate the air distribution and indoor comfortableness,and compared with the stratified air conditioning mode.Results show that,two type ventilation modes both satisfied the indoor temperature,while under the mode of impinging jet ventilation,cold feeling is weaken in the work area,and air distribution is more uniform along the same plane,also the ventilation efficiency is improved to eliminate the heat load more efficiently.

impinging jet ventilation,stratified air conditioning,aviation building,air distribution,numerical simulation

1003-0344（2015）05-088-3

2014-6-28

楊洪海（1968～），女，博士，副教授；上海市松江區人民北路2999號東華大學環境學院（201600）；E-mail:yhh@duh.edu.cn