基于CFD模擬的閱覽室空調方案優選*

呂 潔， 王旭斌， 邱 旭， 呂慧潔

(沈陽工業大學 建筑與土木工程學院， 沈陽 110870)

隨著社會的發展和人民生活水平的進步，空調系統作為控制室內熱環境和濕環境的重要手段，廣泛地應用在現代建筑當中.空調方案需要從經濟型指標、功能性指標、能耗指標等方面進行考慮[1]，常規的典型房間一般都有對應適用的空調系統形式和氣流組織形式可供選擇.例如，高大空間房間常采用全空氣系統和噴口送風形式，低層高、小面積房間多采用風機盤管加新風系統和散流器送風形式等.由于建筑形式日益呈現多樣化發展，很多形式迥異的建筑空間如低層高的大空間、中庭設有與室外相通的景觀區等，這些房間在選擇空調方案時，根據以上指標不容易確定合適的空調方案，這時可以通過CFD數值模擬空調方案的實際應用效果進行輔助選擇，選出較優的空調方案，實現與建筑的最優搭配.

1 建筑概況與空調方案選擇

1.1 建筑概況

本文以西安市某大學新校區圖書館閱覽室的空調系統為研究對象，閱覽室長84 m(對應x軸)，最大寬度24 m，最小寬度16 m(對應z軸)，層高4.5 m(對應y軸)，建筑面積1 456 m2，平面圖如圖1所示(單位：mm)，該閱覽室有別于一般閱覽室，具有大空間、低層高的特點.

1.2 空調方案選擇

閱覽室作為高校圖書館建筑的核心空間，為給讀者創造現代、舒適的學習環境，大空間、開放性設計是其發展趨勢，具有讀者集中、人數在全年和一天內的變化大、人員流動性大，人員坐位變化大、人員來自全國各地導致對熱環境要求不統一、書架與閱覽桌同在一室和噪聲標準要求高等特點，對空調系統要求能夠進行個性化調節，能夠按實際負荷進行運行控制，需要考慮書架對送風氣流的影響，以及對系統節能管理等要求.能夠滿足以上部分或全部特點的空調系統主要有：1)變風量(variable air volume，VAV)空調系統[2-3]；2)定風量(constant air volume，CAV)空調系統；3)誘導式空調系統；4)風機盤管加獨立新風空調系統；5)吊柜式空調系統，如表1所示.

圖1 圖書館閱覽室平面圖Fig.1 Plan diagram of library reading room

方案指標VAVCAV誘導式風盤加新風吊柜式初投資大小中中中噪聲中小大中中運行能耗小大中小小空間占用大大小小小靈活調節中低中大中

除表1中特點之外，VAV系統控制復雜，在低負荷時會造成溫度分布不均勻；CAV系統的過濾、除濕及濕度控制能力較強，新風比可調，維護管理方便，但是機房面積大，存在交叉污染[4].

綜合上述各空調系統在初投資、噪聲污染、空調能耗、占用空間、靈活調節能力等方面的比較，風機盤管加獨立新風空調方案和吊柜式空調系統方案更適合應用于閱覽室內，孰優孰劣需要結合氣流組織形式進行室內應用效果的模擬研究.前者在大空間應用時需要采用散流器頂送方式，后者可以采用側送和頂送兩種氣流組織方式，由于研究對象是低層高建筑，為減少空間占用，采用側送方式進行模擬.

2 模型介紹

2.1 物理模型

根據房間平面尺寸在閱覽室內布置5排桌子和5排書架，考慮閱覽室平均使用情況設置5臺電腦，10名學生，內外墻上均有窗戶，其數量與尺寸如表2所示.桌子和書架均按長方體考慮.

表2 各個模型的幾何尺寸Tab.2 Geometry size of each model

對風機盤管頂棚送風(以下簡稱方案1)和吊柜式空調器射流送風(以下簡稱方案2)分別進行模擬，模擬工況中送回風口的布置方式、尺寸和送風速度如表3所示.

表3 送風方案Tab.3 Air supply scheme

圖2 方案1模型圖Fig.2 Scheme 1 model diagram

圖3 方案2模型圖Fig.3 Scheme 2 model diagram

2.2 數學模型的建立

隨著計算機的發展，計算流體力學(CFD)方法成本低、計算速度快、周期短、結果良好等優點逐漸受到研究人員的青睞[5].本文選用FLUENT作為研究工具，FLUENT提供了非常靈活的網格特性，具有自動的非結構化、結構化網格生成能力，支持四面體、六面體以及混合網格.

CFD模塊主要包括三個部分：第一部分是前處理模塊，第二部分是求解模塊，第三部分是后處理模塊[6].這三大模塊各有其獨特的作用.

空調房間的送回風過程是湍流流動過程[7]，本文做出以下假設：1)忽略經過玻璃的太陽熱量以及房間內部固體壁面與物體間輻射熱的影響[8]；2)閱覽室內空氣為低速、不可壓縮狀態，符合Boussinesq假設[9]；3)不考慮房間的冷風滲透影響，認為房間密閉性良好；4)室內空氣流動為穩態湍流[10].

根據以上假設，本文采用FLUENT中常用的標準k-ε兩方程湍流模式，控制方程有連續性方程、動量方程、能量方程、湍流脈動動能方程(k方程)和湍流能量耗散率方程(ε方程)，在不考慮閱覽室室內自定義源項的情況下，k方程和ε方程分別簡化為

(1)

(2)

湍流粘性系數[10]為

(3)

式中：k為湍動能；ε為湍流耗散率；μ為動力粘度；ρ為流體密度；cε1、cε2為常數，其值為cε1=1.45，cε2=1.92；σk、σε為湍流數，其值為σk=1.0，σε=1.3.

根據該設備設計參數，一次性堆高2.5 m，每日分2層即上午、下午各1層，每日暴露面可以控制在40 m×10 m×5 m或20 m×20 m×5 m，晚間噴藥除臭的最小頂面面積約400 m2。

2.3 邊界條件的設置

邊界條件的設置如下：

1) 室外計算參數：夏季空調室外計算干球溫度為35.1 ℃，夏季空調室外計算濕球溫度為25.8 ℃.

2) 室內計算參數：夏季室內干球溫度為25 ℃，相對濕度為55%.

3) 外墻：該閱覽室有東、西、南三邊外墻，忽略太陽輻射，本文模擬時，采用35 ℃.

4) 內墻：由于相鄰的房間均為空調房間，所以內墻的邊界條件設置為無溫差的絕熱邊界條件.

5) 門窗：為簡化模擬過程，在模擬時窗戶和門一直處于關閉狀態.不考慮冷風滲透的影響，可把門窗的邊界條件看成墻體考慮.

6) 頂板和地板：該閱覽室位于圖書館四樓，樓層上下均設置有空調系統，所以頂板和地板的邊界條件設置為無溫差的絕熱邊界條件.

7) 書桌和書架：書桌和書架的邊界條件類型均設置成WALL，以墻體考慮，不考慮邊界面溫度的衰減，本文認為書桌和書架的邊界面溫度與室內溫度保持一致為25 ℃.

8) 送風口：入口邊界條件定義為速度入口(velocity-inlet)，其送風口速度如表3所示.

9) 出風口：出風口的邊界條件設置為OUTFLOW.

3 模擬結果和造價分析

在夏季空調運行的情況下，不考慮室內外窗戶和門的開啟情況對室內氣流的影響，從模擬結果的室內溫度云圖和速度云圖分布來分析兩種不同的空調方案的應用效果.

3.1 模擬結果分析

3.1.1 溫度場模擬結果分析

圖4、5為方案1和方案2條件下y=1.5 m截面的溫度分布云圖.

圖4 方案1 y=1.5 m的空氣溫度分布云圖Fig.4 Air temperature distributionin scheme 1 with y=1.5 m

圖5 方案2 y=1.5 m的空氣溫度分布云圖Fig.5 Air temperature distributionin scheme 2 with y=1.5 m

從水平方向來看，由圖4可以看出，當采用方案1時，人員靜坐(y=1.5 m)區域溫度分布相對均勻，溫差約在1～2 ℃之間，無明顯的溫度差別；在圖4的右部區域，由于書櫥對送風氣流的擾流作用導致部分氣流聚集在書櫥處，致使溫度相比左部區域要低約2 ℃，但是該區域人員流動量大，逗留時間較短，對室內人員的舒適性無明顯的影響.由圖5可以看出，當采用方案2時，人員靜坐(y=1.5 m)區域出現明顯的空氣分布不均勻現象，閱覽室的中心區域溫度明顯高于房間的兩端，溫差約在5～6 ℃之間；閱覽室的書櫥區域溫度明顯低于書桌區域，這是因為射流送風風口設于閱覽室的兩側，由于書櫥高度的原因，會阻礙室內部分氣流的擴散，導致書櫥區域氣流聚集，溫度過低，人員的熱舒適性很差.從圖4、5的比較可以得出，方案1下閱覽室內溫度分布更均勻.

圖6～9為方案1條件下：x=3 m截面、x=19 m截面、x=27 m截面、x=35 m截面的溫度分布云圖.圖10～13為方案2條件下：x=3 m截面、x=19 m截面、x=27 m截面、x=35 m截面的溫度分布云圖.

圖6 方案1 x=3 m的空氣溫度分布云圖Fig.6 Air temperature distributionin scheme 1 with x=3 m

圖7 方案1 x=19 m的空氣溫度分布云圖Fig.7 Air temperature distributionin scheme 1 with x=19 m

從垂直方向來看，當采用方案1時，從圖6～9的溫度云圖中可以看出，隨著房間進深的不斷加大，人員周圍雖然有溫度分層現象，但是垂直溫差不超過2 ℃，根據美國ASHRAE55-2013標準，建議地面上方0.1～0.8 m之間垂直溫差不超過3 ℃，溫差越小越好.當采用方案2時，從圖10～13的溫度云圖可以看出，由于桌子對部分氣流的擾流作用，導致在桌子附近處空氣溫度要高于桌子以外的空氣溫度，而且隨著房間進深的不斷加大，人員周圍有明顯的溫度分層現象.從圖13中可以看出，人員頭部區域溫度大概在19～20 ℃，腳部區域溫度大概在24～25 ℃，垂直溫差在5～6 ℃之間，垂直溫差較大，導致人員的熱舒適性很差.由此可知，方案2不適合低層高大空間的房間.

圖8 方案1 x=27 m的空氣溫度分布云圖Fig.8 Air temperature distributionin scheme 1 with x=27 m

圖9 方案1 x=35 m的空氣溫度分布云圖Fig.9 Air temperature distributionin scheme 1 with x=35 m

圖10 方案2 x=3 m的空氣溫度分布云圖Fig.10 Air temperature distributionin scheme 2 with x=3 m

圖11 方案2 x=19 m的空氣溫度分布云圖Fig.11 Air temperature distributionin scheme 2 with x=19 m

圖12 方案2 x=27 m的空氣溫度分布云圖Fig.12 Air temperature distributionin scheme 2 with x=27 m

圖13 方案2 x=35 m的空氣溫度分布云圖Fig.13 Air temperature distributionin scheme 2 with x=35 m

3.1.2 速度場模擬結果分析

圖14、15為方案1和方案2條件下y=1.5 m截面的速度分布云圖.由圖14可以看出，當采用方案1時，人員靜坐(y=1.5 m)區域速度分布相對較穩定，送風速度最高可達0.35 m/s，通風效果較好，在人員工作區域，空氣流速維持在0.21～0.28 m/s之間，不會使閱覽室內學生有吹冷風的感覺.由圖15可以看出，當采用方案2時，人員靜坐(y=1.5 m)區域速度分布有明顯的不均勻現象，在閱覽室房間兩側室內空氣速度為0.17～0.23 m/s之間，在房間中部區域，速度降為0.016～0.032 m/s之間，部分區域速度急劇下降趨于零，由此看出該區域通風效果是最不利的.由此可知，方案2不適合低層高大空間的房間.

圖14 方案1 y=1.5 m的空氣速度分布云圖Fig.14 Air velocity distribution inscheme 1 with y=1.5 m

圖15 方案2 y=1.5 m的空氣速度分布云圖Fig.15 Air velocity distribution inscheme 2 with y=1.5 m

3.2 空調方案造價分析

從造價方面分析，已知閱覽室室內冷負荷為59 788.3 W，室內新風量為8 730 m3/h，根據室內冷負荷和室內新風量選取合適的空調機組.方案1中共需風機盤管機組22臺，新風機組1臺，方案2中共需吊柜機機組2臺，新風機組2臺，其選型與造價如表4所示.

從表4中可以得出，采用方案1時總造價為12 200元.采用方案2時總造價為18 400元.由于空調機組的型號、品牌等不同，每臺機組的市場價也不相同，以上對空調機組選型的造價均為平均價格.從空調方案的造價分析可以得出，方案2的造價要遠遠大于方案1的造價，所以方案1更適合閱覽室內應用.

表4 風機盤管和新風機組的選型與造價Tab.4 Selection and cost of fan coil and fresh air unit

4 結 論

空調方案的選擇對室內的熱環境和熱舒適性有著重要影響，本文在常規空調方案選擇的各項指標基礎上利用FLUENT軟件通過對低層高大空間的閱覽室內風機盤管加獨立新風頂棚送風和吊柜式空調系統射流送風進行模擬分析，得出了最優空調方案.

1) 吊柜式空調系統射流送風可以創造良好的熱環境，但是部分送風氣流受到桌子和書櫥的擾流作用，致使房間內溫度分布不均勻，人員附近垂直溫差較大.吊柜式空調系統射流送風方式不適合低層高大空間類型房間.

2) 風機盤管加獨立新風頂棚送風方式，室內溫度場均勻，人員附近垂直溫差小，能夠給室內人員提供良好的舒適性，適用于低層高大空間房間.

3) 通過CFD模擬輔助選擇空調方案是可行的.