大空間建筑氣流組織模擬及優(yōu)化分析

大空間建筑氣流組織模擬及優(yōu)化分析

建筑節(jié)能是國家實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排總體目標(biāo)的重要組成部分。大空間建筑制冷能耗巨大，特別是其中的風(fēng)機(jī)能耗，節(jié)能潛力很大，是建筑節(jié)能領(lǐng)域研究的重點(diǎn)之一。大空間建筑的氣流組織設(shè)計(jì)一直是制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，也是難點(diǎn)，傳統(tǒng)的空調(diào)設(shè)計(jì)方法在該類型建筑中受到挑戰(zhàn)。以計(jì)算流體力學(xué)（CFD）模擬為代表的新技術(shù)手段正越來越多地應(yīng)用到制冷系統(tǒng)氣流組織設(shè)計(jì)中去，通過準(zhǔn)確的建模和模擬計(jì)算，較高精度地定量分析不同設(shè)計(jì)方案的預(yù)期實(shí)施效果，從而進(jìn)行方案比選和優(yōu)化，不僅確保了設(shè)計(jì)方案的有效性，還提高了設(shè)計(jì)工作效率。在以劇場為代表的大空間公共建筑中，CFD模擬技術(shù)的作用尤為突出，對于解決大空間公共建筑典型的上熱下冷溫度分層問題和提高制冷系統(tǒng)整體運(yùn)行效率，發(fā)揮了重要作用。

本文將以上海市某新建大空間項(xiàng)目為例，結(jié)合CFD模擬技術(shù)，對室內(nèi)看臺區(qū)的制冷系統(tǒng)氣流進(jìn)行方案比選和優(yōu)化，并最終得到了一套有效的解決方案。

1 工程概述

1.1 項(xiàng)目概況

上海市某新建大空間項(xiàng)目，總用地面積約5.6hm2，總建筑面積約15萬m2。項(xiàng)目的核心部分是一座可容納1 500人的高級室內(nèi)劇場。

1.2 氣流組織方案

考慮到劇場空調(diào)需求的特殊性，為提高劇場內(nèi)部人員活動區(qū)域的舒適性，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)采用座椅送風(fēng)的形式，下送上回，以提高送風(fēng)效率。

1.3 設(shè)計(jì)難點(diǎn)

由于采用座椅送風(fēng)的形式，在夏季工況下，冷空氣從座椅下吹出并直接送至人體四周，短距離直接接觸人體，因此送風(fēng)溫度與人體熱舒適感覺的作用更為直接。若送風(fēng)溫度偏高，不能有效降低人體周圍溫度；若送風(fēng)溫度偏低，又會給人不舒適的 “冷吹風(fēng)感”。因此，有必要借助專業(yè)的計(jì)算流體力學(xué)（CFD）工具，模擬室內(nèi)劇場座椅送風(fēng)系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行效果，分析最佳的送風(fēng)溫度和速度。

1.4 技術(shù)思路

針對該項(xiàng)目室內(nèi)劇場觀眾區(qū)座椅送風(fēng)和大空間的特點(diǎn)，采用專業(yè)的CFD軟件建立室內(nèi)劇場的數(shù)值模型，對室內(nèi)劇場空調(diào)工況下氣流組織和室內(nèi)溫度分布進(jìn)行模擬計(jì)算，分析其溫度場、速度場和壓力場分布，對不同的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析比選和優(yōu)化，尋求相對最佳的送風(fēng)溫度范圍。一方面，避免送風(fēng)溫度偏高而不能有效降低人體周圍溫度情況；另一方面，也避免送風(fēng)溫度偏低所帶來的不舒適的 “冷吹風(fēng)感”，以及由此產(chǎn)生的不必要的空調(diào)供冷量，有效降低建筑物的運(yùn)行能耗。

2 CFD模擬

2.1 數(shù)學(xué)模型

通風(fēng)空調(diào)房間的空氣流動一般為湍流，由于送風(fēng)溫差的存在，浮升力對流動有一定影響。空氣的流動滿足連續(xù)性方程、動量方程和能量方程。其通用形式為：

表1 2#樓一層密肋復(fù)合墻體構(gòu)件計(jì)算結(jié)果

式中，Φ—通用變量，可以代表u、v、w、T求解變量；

Г—廣義擴(kuò)散系數(shù)；

S —廣義源項(xiàng)。

表1給出了3個符號與各特定方程的對應(yīng)關(guān)系。

空氣流動的湍流特性一般采用適當(dāng)?shù)耐牧髂Ｐ兔枋觯詈唵蔚耐牧髂Ｐ蜑榱惴匠棠Ｐ停床皇褂梦⒎址匠蹋?而是用代數(shù)關(guān)系式把湍流粘度與時均值聯(lián)系起來的模型。目前在房間空氣流動中最廣泛采用的是k-ε模型，它屬于兩方程模型，通過求解湍能k和湍能耗散率ε的輸運(yùn)方程得到湍流黏性系數(shù)。本文也正是采用這種模型。

式中，Gk—平均速度梯度產(chǎn)生的紊流動能量；

Gb—浮力產(chǎn)生的紊流動能；

σk—k的紊流Prandtl數(shù)，σk=1.0；

σε—ε的紊流Prandtl數(shù)，σε=1.3；

C1ε、C2ε、C3ε—常數(shù)，C1ε=1.44，C1ε=1.92。

將偏微分方程轉(zhuǎn)化為離散方程，使用有限體積法對方程進(jìn)行離散成如下形式：

式中，a—離散方程的系數(shù)；

Φ—各網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的變量值；

b —離散方程的源項(xiàng)；

p、nb—下標(biāo)，p為考察的控制體節(jié)點(diǎn)，nb為與p節(jié)點(diǎn)相鄰的節(jié)點(diǎn)。

將上述控制方程離散化后，得到代數(shù)方程組，依據(jù)工程上應(yīng)用最普遍的流場計(jì)算方法——壓力耦合方程組的半隱式方法( SIMPLE)求解。

2.2 計(jì)算模型

項(xiàng)目室內(nèi)劇場寬40m，前后長30m，總高26m左右。觀眾區(qū)看臺共3層，逐層退進(jìn)，水平方向成不規(guī)則的扇形分布。劇場空調(diào)系統(tǒng)采用座椅送風(fēng)的形式，下送上回。

按照室內(nèi)劇場實(shí)際設(shè)計(jì)尺寸，建立室內(nèi)劇場計(jì)算模型，并采用CFD軟件（PHOENICS）對室內(nèi)劇場內(nèi)部熱環(huán)境和氣流組織進(jìn)行模擬計(jì)算。考慮到劇場的對稱性，項(xiàng)目建模時以劇場半等分為分析對象。為提高模擬計(jì)算精度，對局部網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，整體計(jì)算區(qū)域的總網(wǎng)格數(shù)在100萬個左右，從而可以有效保證計(jì)算結(jié)果的精度和可信性，具體模型如圖1所示。

2.3 通用邊界條件設(shè)定

室內(nèi)劇場觀眾區(qū)內(nèi)熱源主要是吊頂燈具及人員散熱。將模型作如下簡化假設(shè)，設(shè)定其邊界條件。

（1）不考慮漏風(fēng)的影響，假設(shè)空調(diào)送風(fēng)時，所有門窗關(guān)閉。

（2）室內(nèi)空氣不可壓縮，符合Boussinesq基本假設(shè)。

（3）流動為穩(wěn)態(tài)湍流。

（4）將人員簡化為一排排的長方體，平均每人散熱量61W，體表溫度35℃。

（5）將燈具散熱考慮為平面熱源，即為定熱流邊界條件，燈光散熱平鋪到地面和天花板上，其散熱量為5 W/m2。

圖1 室內(nèi)劇場計(jì)算模型圖

3 結(jié)果分析與優(yōu)化

3.1 常規(guī)方案分析評估

項(xiàng)目如果采用常規(guī)的上送下回氣流組織設(shè)計(jì)方式，在劇院頂部均勻布置送風(fēng)口，在劇院底部和各層人員活動區(qū)域的四周布置回風(fēng)口，則風(fēng)由劇院頂部均勻送出，在經(jīng)過人員活動區(qū)域后，由回風(fēng)口返回空調(diào)箱。氣流入口邊界條件為劇場頂部局的98個方形送風(fēng)口，單個風(fēng)口送風(fēng)量為1 010 m3/h，送風(fēng)溫度為20℃。

圖2 是室內(nèi)劇場看臺區(qū)在上送下回送回風(fēng)方式下室內(nèi)溫度場和速度場的垂直分布。由圖可見，室內(nèi)大部分區(qū)域溫度在21～23℃；局部區(qū)域，如一層和二層看臺的后排區(qū)域，由于二、三層看臺的遮擋，送風(fēng)量不足，空氣溫度較前排區(qū)域要高出2～3℃，存在著一定的溫差。同時，由于整個系統(tǒng)總送風(fēng)量較大，使其能耗較高，也使得局部區(qū)域風(fēng)速過大，有明顯的吹風(fēng)感，舒適性較差。

3.2 氣流組織優(yōu)化分析

為解決劇場看臺區(qū)上送下回方式送風(fēng)效率不高、人員活動區(qū)吹風(fēng)感明顯、體感不舒適的問題，考慮采用座椅送風(fēng)的方式，并結(jié)合CFD模擬計(jì)算結(jié)果，分析座椅送風(fēng)方式在本項(xiàng)目中的適用性。

圖3是本項(xiàng)目室內(nèi)劇場座椅送風(fēng)方式下室內(nèi)溫度場和速度場的垂直分布。由圖可見，室內(nèi)大部分區(qū)域溫度在24～26℃，人員活動區(qū)域溫度維持在22.5～24℃之間，較為舒適。同時，由圖可以看出，空調(diào)冷量被直接送入了人員互動區(qū)域，因此系統(tǒng)送風(fēng)效率更高，維持同樣室內(nèi)舒適性消耗的冷量也更小，整個系統(tǒng)更為節(jié)能高效。

但是，從模擬結(jié)果來看，在一、二層看臺的后側(cè)，由于遠(yuǎn)離座椅送風(fēng)口，該部分區(qū)域溫度偏高，在25～27℃左右。該計(jì)算結(jié)果也與業(yè)主多年的運(yùn)行管理經(jīng)驗(yàn)相吻合，已有劇場的測試結(jié)果也暴露出常規(guī)純座椅送風(fēng)方式下，看臺后區(qū)人行走道溫度偏高的問題，有待進(jìn)一步改善。

為解決常規(guī)座椅送風(fēng)方式下，一、二層后側(cè)人行走道區(qū)域溫度偏高、送風(fēng)量不足的問題，在上述區(qū)域的天花板加裝數(shù)個下送風(fēng)口，以優(yōu)化該局部區(qū)域的氣流組織。座椅送風(fēng)+局部頂送風(fēng)方式的應(yīng)用效果如圖4所示。可以看出，一、二層后排區(qū)域加裝頂送風(fēng)口后，溫度基本維持在22～24℃，熱舒適性明顯提高。同時，由于增加了送風(fēng)量，該區(qū)域新風(fēng)量也同步提高，空氣品質(zhì)得到顯著改善，更為健康舒適。

3.3 小結(jié)

綜上所述，本項(xiàng)目以上海市某新建大空間項(xiàng)目為例，結(jié)合CFD模擬技術(shù)對室內(nèi)看臺區(qū)的氣流組織設(shè)計(jì)進(jìn)行方案比選和優(yōu)化分析。項(xiàng)目最終選定的“座椅送風(fēng)＋局部頂送風(fēng)”的氣流組織設(shè)計(jì)方案有效解決了常規(guī)空調(diào)模式送風(fēng)效率低，溫度控制能力弱的問題，也優(yōu)化了普通座椅送風(fēng)方式下，局部走道和連廊區(qū)域熱舒適性差的弊端。CFD技術(shù)在本項(xiàng)目的制冷系統(tǒng)氣流組織設(shè)計(jì)過程中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。

4 展望

隨著我國改革開發(fā)事業(yè)的不斷深化和人民生活水平的不斷提升，人們對于旅游出行、文化和居住的需求呈現(xiàn)爆發(fā)式增長，各地大量新建機(jī)場、車站和文化體育場館等大空間公共建筑以及大空間居住建筑。利用CFD模擬技術(shù)合理優(yōu)化此類大空間建筑的氣流組織設(shè)計(jì)，將為大空間建筑制冷能耗的降低提供科學(xué)的理論支撐。同時，作為建筑和暖通空調(diào)設(shè)計(jì)人員，應(yīng)該保持冷靜的頭腦和求真務(wù)實(shí)的態(tài)度，借助于以CFD為代表的新技術(shù)來優(yōu)化我們的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，創(chuàng)造既健康舒適又節(jié)能環(huán)保的綠色空間。

圖2 上送下回工況下室內(nèi)劇場溫度和速度分布圖（垂直面，Y=12.5m）

圖3 座椅送風(fēng)模式下室內(nèi)劇場溫度場和速度場分布圖（垂直面，Y=16m）

圖4 座椅送風(fēng)+局部頂送風(fēng)模式下室內(nèi)劇場溫度場和速度場分布圖（垂直面，Y=16m）

[1]陶文銓. 數(shù)值傳熱學(xué)[M]. 西安: 西安交通大學(xué)出版社, 2001.

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Analysis of Simulation and Optimization of Air Flow Organizing Design within Large Space Buildings

■ 宣 湟 Xuan Huang 丁劍紅 Ding Jianhong 曹毅然 Cao Yiran

以上海市某新建大空間項(xiàng)目為例，結(jié)合CFD模擬技術(shù)，對室內(nèi)看臺區(qū)的制冷系統(tǒng)氣流設(shè)計(jì)進(jìn)行方案比選和優(yōu)化分析。項(xiàng)目最終選定的“座椅送風(fēng)＋局部上送風(fēng)”的氣流組織設(shè)計(jì)方案有效解決了常規(guī)空調(diào)模式送風(fēng)效率低、溫度控制能力弱的問題，也優(yōu)化了普通座椅送風(fēng)方式下，局部走道和連廊區(qū)域熱舒適性差的弊端。本研究內(nèi)容對于利用CFD模擬技術(shù)對大空間公共建筑及居住建筑的氣流組織進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)方面具有顯著的應(yīng)用意義。

大空間建筑；CFD；氣流組織；節(jié)能

Taking a new large space project of Shanghai for example, it carried out scheme comparison and optimization analysis for air flow design of the refrigerating system of the indoor grandstand by utilizing CFD simulation technology. The airflow organizing design of "seat ventilation + local upper ventilation" that is finally chosen by the project effectively solved the problems of normal air-conditioning mode such as lower ventilation efficiency and weak temperature controlling capacity and optimized the shortcoming of inferior thermal comfort of local aisle and corridor area under ordinary seat ventilation mode. Therefore, this research has great application significance to carrying out optimization design for air flow organization of large space public buildings and residential buildings by utilizing CFD simulation technology.

large space buildings, CFD, airflow organization, energy saving

2017-01-09）

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助（項(xiàng)目編號：51308332 ）。

宣湟，英國諾丁漢大學(xué)建筑學(xué)博士，建筑學(xué)系系主任助理，上海交通大學(xué)講師；丁劍紅，伊爾姆環(huán)境資源管理咨詢（上海）有限公司首席顧問，高級工程師；曹毅然，上海眾材工程檢測有限公司第一事業(yè)部總經(jīng)理，高級工程師。