運用CFD技術(shù)對揚州萬達廣場中庭空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計的熱環(huán)境研究

沈紅萍

【摘要】在綜合性商業(yè)建筑中，中庭建筑設(shè)計中的核心部分。揚州萬達廣場是一個典型的綜合性商業(yè)建筑，本文運用CFD方法，以揚州萬達廣場中庭為研究對象，共5層，中庭為1-4層，首層、二層層高5.4m，三、四層為5.1m，運用gambit軟件進行建模，并使用FLUENT軟件進行數(shù)值計算結(jié)合商場中庭的基本特點對其中部分有代表性的中庭區(qū)域進行熱環(huán)境模擬，對空調(diào)系統(tǒng)的夏季工況的舒適性進行分析。通過對本項目的中庭空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計方案的數(shù)值模擬，得到的活動區(qū)域的溫度可控制在26攝氏度以下，氣流流速0.2m/s，均能滿足舒適性要求。但同時也發(fā)現(xiàn)，中庭的縱向溫度梯度高達5℃，在夏季會出現(xiàn)上部空氣過熱問題，其較大的溫差會對建筑上層空間的舒適度及能耗產(chǎn)生非常大的影響。為了消除這種狀況，可以適量附加空調(diào)負荷，充分利用中庭下部以及其他樓層空間的空調(diào)回風(fēng)來降低中庭的溫度。

【關(guān)鍵詞】CFD模擬;商業(yè)建筑中庭;熱環(huán)境;舒適性

1、計算流體力學(xué)在建筑設(shè)計中的應(yīng)用

新出臺的《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范（GB50736-2012）》7.4.1條文指出，空調(diào)系統(tǒng)末端裝置的選擇和布置時，應(yīng)與建筑裝修協(xié)調(diào)，同時應(yīng)考慮室內(nèi)空氣質(zhì)量、室內(nèi)溫度梯度等要求;設(shè)計氣流組織設(shè)計的舒適性指標，主要由氣流組織形式、室內(nèi)熱源分布及特性所決定。對于復(fù)雜空調(diào)區(qū)的氣流組織設(shè)計，采用常規(guī)計算方法已無法滿足要求，宜采用計算流體動力學(xué)（CFD）數(shù)值模擬計算。實際上，CFD技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于建筑的節(jié)能評估，其主要評估內(nèi)容包括室外環(huán)境品質(zhì)分析和室內(nèi)環(huán)境品質(zhì)分析兩部分。

室外環(huán)境品質(zhì)的分析主要為風(fēng)環(huán)境分析，分別模擬在夏季和冬季典型風(fēng)向、風(fēng)速工況下，建筑物所在的整個小區(qū)自然通風(fēng)的流場，根據(jù)建筑的通風(fēng)模擬結(jié)果，對不滿足通風(fēng)要求的區(qū)域提出改進建議。室內(nèi)環(huán)境品質(zhì)的分析一般有自然通風(fēng)設(shè)計和空調(diào)系統(tǒng)熱舒適性評價。

熱舒適性是衡量舒適性空調(diào)尤其是商業(yè)建筑空調(diào)系統(tǒng)效果的首要標準，在建筑建成前，很難預(yù)測空調(diào)效果的好壞，往往不合理的設(shè)計會造成后期改造浪費大量的人力物力財力。通過CFD模擬，對當前空調(diào)設(shè)計方案的室內(nèi)溫度場，氣流流場以及壓力場進行數(shù)值模擬，直觀的判斷溫度梯度、壓力梯度、氣流方向、以及工作區(qū)的風(fēng)速分布是否符合舒適性要求，對室內(nèi)熱舒適度進行預(yù)測和評價。例如對于大型商業(yè)建筑，可以模擬中庭區(qū)域的空調(diào)工況下的縱向溫度梯度分布，排煙工況下的氣流組織分布，以及工作區(qū)域氣流流速分布，從而直觀預(yù)判空調(diào)、通風(fēng)設(shè)計方案的合理性，并找出解決方案，對現(xiàn)有方案改進，防止房間局部過熱和過冷，創(chuàng)造均勻舒適的室內(nèi)熱環(huán)境。

2、建立模型

物理模型：

本文以揚州萬達廣場中庭為研究對象，共5層，中庭為1-4層，首層、二層層高5.4m，三、四層為5.1m，運用gambit軟件進行建模，并使用FLUENT軟件進行數(shù)值計算。本文取中間橢圓形局部具有代表性的中庭空間進行數(shù)值模擬，該中庭區(qū)域在首層吊裝4臺風(fēng)量為6000m3/h的吊裝式空調(diào)機組。由于噴口送風(fēng)的噴口截面大，出口風(fēng)速高，氣流射程長，與室內(nèi)空氣強烈摻混，能在室內(nèi)形成較大的回流區(qū)，達到布置少量風(fēng)口即可滿足氣流均布的要求，故設(shè)計沿庭壁下側(cè)均勻布置10個直徑為300mm的噴口送風(fēng)，送風(fēng)溫度為289K（16℃），沿圓弧上側(cè)上部吊頂內(nèi)設(shè)置7個下送風(fēng)口，此區(qū)域設(shè)置兩個回風(fēng)口，中庭頂部設(shè)有2臺排風(fēng)風(fēng)機，排風(fēng)量平時為新風(fēng)量的90%，過渡季節(jié)為總風(fēng)量的60%。由于新風(fēng)處理到室內(nèi)設(shè)計狀態(tài)點，并且送風(fēng)口多布置在過道區(qū)域，對中庭大空間的影響較小，本文對新風(fēng)的送風(fēng)情況不作分析。

3、結(jié)果與討論

中庭溫度分層主要是由于高度引起的溫度梯度，該建筑中庭高21.0m ，中庭面積為502m2 。圖1為OXZ面上Y=0處的溫度場，即中庭中間垂直面溫度分布。在垂直方向上，隨著Z（即高度）的增加呈遞增趨勢，說明建筑中庭越高，溫升越嚴重。由圖1可以看到，在4層靠近屋面處，空氣溫度約為303K（30℃），一層過道區(qū)溫度約為298K（25℃），中庭縱向最大溫差為5℃ ，這將對頂層空調(diào)冷負荷產(chǎn)生極大的影響。所以，在有中庭建筑的空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計中，頂層冷負荷需要附加承擔(dān)由于高度引起溫升而產(chǎn)生的冷負荷。由于回風(fēng)口設(shè)置在首層過道頂部，加強活動區(qū)域的空氣對流，使得過道區(qū)域的溫度得到有效的降低，數(shù)值模擬計算得到Z=2m處XOY平面（即人員活動區(qū)域橫截面）的溫度場分布。一層過道區(qū)域與中空區(qū)域的溫度均在299K（26℃）以下，能滿足室內(nèi)人員的舒適度要求。

由于中庭的首層為人員活動區(qū)域，所以在人員活動區(qū)域的氣流組織對人員舒適度有很大的影響。本設(shè)計的噴口風(fēng)速為2.8m/s，數(shù)值模擬計算得到Y(jié)=0m處XOZ平面（高度方向）的氣流流速分布，噴口送出的冷風(fēng)由于重力作用，向下流動并形成渦流。數(shù)值模擬計算得到Z=2m處XOY平面（即人員活動區(qū)域橫截面）的氣流流速分布，在回風(fēng)口風(fēng)速達到最大值，部分區(qū)域形成渦流，大部分工作區(qū)風(fēng)速均低于0.5m/s，符合《全國民用建筑工程設(shè)計技術(shù)措施（2009）》5.4.2中對于商場建筑室內(nèi)活動區(qū)的允許氣流速度要求（室內(nèi)溫度26℃對應(yīng)允許流速0.45m/s）。

結(jié)論：

本文通過對本項目的中庭空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計方案的數(shù)值模擬，得到的活動區(qū)域的溫度和氣流流速均能負荷舒適性要求。但同時也發(fā)現(xiàn)，在傳統(tǒng)的中庭設(shè)計中，如果只把地面附近的溫度控制在舒適度范圍內(nèi)，在夏季會出現(xiàn)嚴重的上部空氣過熱問題，其較大的溫差會對建筑上層空間的舒適度及能耗產(chǎn)生非常大的影響。為了消除這種狀況，可以適量附加空調(diào)負荷，充分利用中庭下部以及其他樓層空間的空調(diào)回風(fēng)來降低中庭的溫度。

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