高大廠房分層空調氣流計算與模擬分析

肖書博， 周 濤

空調技術

高大廠房分層空調氣流計算與模擬分析

肖書博， 周 濤

（中航長沙設計研究院有限公司，湖南長沙410014）

對于高大空間的建筑采用分層空調可以減小空調負荷，節約能源。本文結合實際工程，詳細分析了分層空調的氣流組織，并對噴口射流進行了詳細計算。然后利用計算流體力學軟件進行數值模擬，對室內空氣氣流分布情況進行分析和預測。通過結果分析可知，室內溫度場和氣流組織分布的總體規律與設計預想情況基本一致，設計滿足要求。

分層空調； 節能； 氣流組織； CFD模擬

0 引言

高大空間的工業廠房、機場航站樓、會展中心、體育館、影劇院等建筑，空調負荷大，能耗高，必須對其氣流組織進行詳細的計算分析。目前對于該類建筑一般采用分層空調的形式，即只對人員聚集的下部工作區域保證空調效果，而非工作區域則不設置空調系統，從而降低整個建筑的空調能耗。

1 項目概況

西北地區某部裝廠房，總建筑面積27360m2，長240m，寬114m，其中兩跨240m×36m和一跨240m× 42m，主廠房屋面鋼梁最低點標高16.0m，屬于高大空間建筑。

按照《公共建筑節能設計標準》（GB 50189-2015）中第4.4.4條及條文解釋的規定，建筑空間高度≥10m且體積V＞10000m3時，宜采用分層空調系統。分層空調與全室性空調相比，前者夏季可節省冷量約30%左右[1～3]，因此，能減少空調系統的運行能耗和初投資。針對該項目的特點，設計時決定采用分層空調系統。

2 分層空調氣流組織設計計算

分層空凋又稱部分空調，是根據空氣密度隨溫度變化出現的自然分層現象。夏季利用比重較大的冷空氣的自然下沉原理，經周密的熱工計算和合理的氣流組織，實現對下部工作區的空調，保證一定的空氣參數，對上部非工作區不設計空調或用通風來排除余熱的方法，以達到節能的目的。

2.1 分層空調氣流組織的基本形式

該廠房末端射流機組設計時采用雙側對送，雙側下回的形式，并采用部分新風型機組滿足廠房內的新風要求。夏季為排除非空調區余熱，還需設置屋頂風機機械排風，在側面設置自然進風等措施；過渡季節通過屋頂風機排除室內余熱，可開啟外門自然補風。

2.2 噴口射流計算

空調末端機組采用射流機組，分為回風型和新風型。回風型機組承擔空調區內部負荷，新風型機組承擔新風負荷。每臺機組額定風量為5000m3/h。

對于圓噴口水平吹出的多股平行冷射流，圓噴口直徑為：

圓噴口送風速度：

式中 X—射程，m，通過上述計算可知，X=18.1m；

Y—射流落差，m，通過上述計算可知，Y=3.0m；

T—空調區空氣的絕對溫度，K，按空調室內設計溫度26℃計算，T=273+26=299K；

Δt0—送風溫差，選用10℃；

vx—射流末端速度，m/s，通常vx=2vp=2×0.3=0.6m/s。通過計算，選擇噴口規格為D600，出口直徑d0= 405mm；v0=9.13m/s。

根據每個風口的送風量為5000m3/h，計算每個風口的實際風速v0′為：

廠房噴口射流屬于大空間多股平行吹出的非等溫射流，軸心軌跡方程為：

式中 Ar—送風射流的阿基米德數。

帶入相關數據，計算出Ar=1.8×10-3，Y′=2.91m。

驗證：ΔY=｜Y′-Y｜=0.09≤0.20m，滿足要求。

射流末端軸心速度vx為：

計算得：vx=0.57m/s。

回流區風速vp=0.5×0.57=0.285m/s＜0.3m/s，滿足相關規范要求。

3 CFD模擬

利用CFD（計算流體力學）方法，對通風空調系統進行計算分析，通過構建數值模型，利用軟件得到房間內氣流的速度場、溫度場等物理量，為設計部門提供較為完整的技術依據。

3.1 物理模型

由于室內氣流組織呈對稱性，

且每一跨的氣流組織特點基本一致，因此本文僅對42m跨的中間部位任意兩個柱間距進行數值模擬計算。模型尺寸為42m×24m×16m，室內總發熱量為48kW；人員約12人（因軟件分析需要，將人體簡化為棱柱形），每人的熱流為134W；共18盞金屬燈提供室內照明，每盞燈400W。不考慮其他的室內發熱量。送風口布置在兩側，風口距地面6m，風口間距6m。

3.2 數學模型和邊界條件

3.2.1 數學模型

在對室內氣流組織的數值模擬計算中，進行了如下假設：

（1）不考慮漏風的影響，認為房間氣密性良好；（2）室內空氣流速較低，可以視為不可壓縮流體，符合Boussinesq的基本假設理論；

（3）在射流風機出口處氣流參數均勻，且為穩態流動；

（4）室內空調區空氣的物理性質為定值，室內空氣為輻射透明介質。

3.2.2 邊界條件設置

入口邊界條件：根據計算分析可知，射流機組送風速度v0=8.9 m/s，送風溫度T0的熱力學溫度為289 K（約16℃）。

出口邊界條件：根據相關參考文獻的經驗，對出口邊界條件采用局部單項化處理，即認為出口界面上的每一個節點對與其相鄰的第一個內節點之間已無相互影響，即對內節點的影響系數為零，這樣就可以簡化計算，無需知道出口邊界上的值[4]。

壁面邊界條件：室內邊界條件設為恒溫邊界，東墻、西墻和南墻壁溫為28℃（恒溫，均勻），外窗溫度為30℃；北墻為假想的隔墻（僅是計算邊界），壁溫為26℃；屋面假設為恒溫，32℃；其余物體邊界設置為絕熱邊界。

3.3 模擬結果

本文利用國際上比較成熟的流體力學計算軟件進行模擬分析，采用有限體積法中的SIMPLE法對計算區域進行數值計算。計算網格采用非結構網格，對風口等局部區域進行加密處理（如圖2、圖3所示），模型網格總數為125萬個，通過計算，可以看到結果收斂性好（如圖4所示），與假象一致，基本達到設計意圖。

空調出口的水平射流進入房間后，在射流溫度場和速度場的多重作用下，房間下部會產生兩個比較對稱的旋渦區域，旋渦的存在使得房間下部氣流得到充分擾動，有利于凋節該區域的溫度，加快氣流流動，降低空氣齡。

從圖5中可以看出，氣流的影響區域主要集中在房間的中下部（人員活動區域），說明分層空調主要影響房間中下部，從而達到了節能的目的。從圖中還可以看出，在人員活動區域，風速＜0.3m/s，滿足相關要求。

圖6為制冷工況豎向的溫度分布圖，從中可以看出，溫度場豎向分層明顯，由上至下可分為熱滯留區（非空調區）、送風氣流區和混合區（人員活動區）。在人員活動區域（距地面2.0m以內的區域）溫度值為25.2～26.5℃，滿足設計要求。在廠房設計時，一般會在房間上部采取通風措施，排出余熱，從而減少上部熱量對空調區域的擾動。

4 結語

通過數值模擬結果分析可知，室內溫度場和氣流組織分布的總體規律與設計預想基本上是一致的；豎向溫差明顯，射流分層成功，氣流組織設計基本上滿足要求。

[1]陸耀慶.實用供熱空調設計手冊[M].2版.北京：中國建筑工業出版社，2008.

[2]GB 50189-2015，公共建筑節能設計標準[S].北京：中國建筑工業出版社，2015.

[3]鄺國衡.某會展中心大空間中庭分層空調系統設計[J].廣東土木與建筑，2005，（10）：38，39.

[4]陶文銓.數值傳熱學[M].2版.西安：西安交通大學出版社，1988.

Calculate and Simulate Analysis of Air Distribution on Stratified Air Conditioning System in High-spacious Workshops

XIAO Shu-bo， ZHOU Tao
（China Aviation Changsha Design and Research Co.，Ltd，Changsha 410014，China）

Usestratifiedairconditioningsystemcanreducetheairconditioningload，saveenergyconsumption.With theactual example，theairdistributionisdetailedanalysesandnumerical simulatedwiththeCFD software.Seeingthesimulation，theindoor air distributionandtemperaturechangeoverall rules is consistent withtheessential designforecast and thedesigncanmeettherequirement.

stratifiedairconditioning； saveenergy； airdistribution； CDF simulation

TU831

B

2095-3429（2016）03-0067-03

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2016.03.016

2016-05-03

修回日期：2016-05-31

肖書博（1984-），男，河南南陽人，碩士，工程師。