某候車大廳空調氣流組織分布數值模擬分析

王承志，張妍妍，王燕，董敏

（山東華宇工學院，山東 德州 253034）

0 引 言

近年來，隨著我國經濟的日益發展，我們可以明顯地感覺到出行愈發方便，隨之而來的便是客運服務快速發展。候車大廳作為車站最重要的功能區，人們對候車大廳的要求也在不斷提高，尤其是對空調系統提出了更高的要求。因此，在暖通的設計中，不僅要保證建筑物內的人有良好的舒適度，還要盡可能地降低空調能耗，節約能源。

候車大廳屬于高大空間建筑，與其他小型室內建筑相比，高大空間建筑往往呈現出變化較大的分布特點，尤其是在垂直方向上很容易形成分層現象。目前，高大空間空調系統氣流組織的設計尚無非常成熟的理論和實驗結論，需要借助氣流數值分析和模型實驗來找到最優的氣流組織方案，數值模擬已經成為研究高大空間氣流組織的最常用方式之一。

宣湟等人利用CFD 技術對上海某高大空間的座椅送風結合局部頂送風方式進行數值模擬分析，結果表明該方案下的熱舒適性得到了顯著的提升；溫新華運用CFD 技術對某酒店宴會廳空調系統進行氣流組織模擬，發現其中存在的不足，通過改進措施，解決系統中存在的問題。王龍閣對不同熱源形式以及不同用途的高大空間建筑，采用不同的送風口布置方式以及不同的送風口數量，利用CFD 模擬軟件對室內流場進行模擬分析，得出布置方式及送風口數量對室內流場的影響。

目前，高大空間建筑常用的送風方式主要有上送下回、側送側回、分層空調、置換通風等。其中，分層空調往往用于空間容積大于10 000 m3、高度在10 m 以上的建筑；置換通風由于系統管道復雜，容易產生積塵等問題，應用較少；在10 m 以下的高大空間建筑中使用較多的是上送風和側送風方式。本文采用數值模擬方法，利用Fluent 軟件模擬側送側回送風方式下候車大廳的氣流組織情況，通過對比分析不同工況下氣流組織的特點，為候車大廳的空調設計提供參考。

1 建立物理模型、網格劃分及設計方案

1.1 建筑模型建立

本建筑物為候車大廳，屬于高大建筑，位于德州市，坐南朝北。建筑長度為20 m，寬度為10 m，高度為7 m，總建筑面積為200 m2。采用側送側回的送風方式，總共設置13 個尺寸為600 mm×600 mm 的回風口，2 個1 500 mm×1 500 mm的送風口。由于候車大廳屬于高大建筑，很多送風形式都不能同時兼顧經濟性和舒適性的要求，頂送風在這個模型中就不合適，新風系統因為候車大廳巨大的高度差，很難到達旅客以及工作人員的活動區域。如果采用大風速、低冷量的送風方式，效果不一定理想，但是能耗和噪音都會增加。具體建筑模型如圖1 所示。

圖1 建筑模型圖

1.2 網格劃分

計算過程的第一步便是網格劃分，Fluent 內設強大的自動劃分軟件Mesh，可對模型進行精準的網格劃分。一般情況下，由于網格數量代表了要計算的區域范圍，類似于微分方程，網格劃分的越密集數量越多，最終結論的準確性才會越高。但是網格數量過多，又會對計算機的運算速度提出較高的要求，需要長時間的運算，大大增加了計算量。房間的出風口與進風口對室內氣流組織有極大的影響，所以為了在較小計算量的同時增加計算精度，采用局部加密的網格劃分方法，最終網格節點被劃分為854 986 個。

1.3 設計方案

由于候車大廳屬于高大建筑，對風速和溫度有較高的要求。合理風速在10 ～13 m/s 之間，合理送風溫度為15～18℃。因此在本區間選定4個合理的工況進行對比研究，具體參數如表1 所示。

表1 模擬工況

2 模擬計算及結果分析

由于在候車大廳，人群年齡差別大、地域分布廣，所以每個工況均截取距地面1.5 m 和2 m 的平面云圖來分析。

對于A1 和A2 工況來說，送風溫度相等，送風風速不同。通過對比分析兩種工況下的溫度場圖和風速場圖，得出不同送風風速對氣流組織的影響，如圖2、圖3 所示。

圖2 顯示了A1 工況下Z=1.5 m 處的溫度場和速度場，圖3 顯示了A1 工況下Z=2 m 處的溫度場和速度場，由溫度云圖可以看出，最高溫度為300 K，最低溫度為289 K，溫度呈現出由四周向中間逐漸降低的走勢，氣溫最低處在兩個送風口附近，溫度最高處在兩個墻的夾角處。根據分析得出結論，風由風口吹入后涌入出風口。而兩個墻的夾角處，風無法吹到，屬于盲區，由風場流速圖也可以看出，兩個夾角處風速為零，說明此區域空氣流動緩慢，換氣效率低下。最高風速在送風口處，速度為3 m/s。在人員密集的中間區域，云圖情況表現良好，風力強度在1 m/s 以內，屬于人體舒適風速。從溫度圖中可以看出，房屋四周溫度較高，但是隨著風吹入深度的增加，房屋由四周向中心氣溫逐漸下降，且下降速度比較明顯。在人員密集的中心區域，溫度都在296 K以下，屬于體感舒適的黃金溫度范圍。

圖2 A1 工況下溫度場和速度場（Z=1.5 m）

圖3 A1 工況下溫度場和速度場（Z=2 m）

由圖2 和圖3 的對比分析可知，由于風口設置在3.5 m高度處，隨著高度的上升，空氣溫度下降比較明顯，氣體流速上升較為顯著，由此可知高度也是影響氣流組織的因素之一。根據A2狀況下的云圖，比較兩種工況下氣流狀態的差異。A2 工況下氣流溫度與流速的云圖如圖4、圖5 所示。

圖4 A2 工況下溫度場和速度場（Z=1.5 m）

圖5 A2 工況下溫度場和速度場（Z=2 m）

從圖中可以看出，相較于A1 工況，A2 工況的進風速度有所上升，溫度場與速度場有了明顯的變化。由溫度圖可以看出，溫度最高處依然是墻壁四周，溫度為300 K，但是相較于A1 工況，高溫面積擴大。最低溫度為291 K，相較于A1 工況，最低溫度上升兩度，此外，明顯的表現就是，溫度場四周溫度上升，而靠近出口處的溫度下降幅度較大的情況。這樣帶來的后果就是，人員密集的地方氣溫較高，而靠近出口的地方氣溫較低，帶來房屋內氣溫差異過大的問題。舒適氣溫環境相較于A1 工況，面積較小，人員處于不舒服環境的概率更大。從速度場來看，房屋四周風速較低，房屋中心區域風速較高，特別是房屋兩夾角到出風口的一條線，風速超過2.7 m/s，超出了人體的舒適風速。總體來說，風速提高后，房屋內部的氣流呈現出分布不均、差值較大的情況，這就極大地降低了人體舒適度。

相較于A1、A2 工況，A3、A4 工況提高了溫度，如圖6、圖7、圖8、圖9 所示。

圖6 A3 工況下溫度場和速度場（Z=1.5 m）

圖7 A3 工況下溫度場和速度場（Z=2 m）

圖8 A4 工況下溫度場和速度場（Z=1.5 m）

圖9 A4 工況下溫度場和速度場（Z=2 m）

在A3 工況下，由溫度圖可以看出，最高溫度依然為300 K，溫度最高處是四周，相較于A1 工況，高溫面積比較大，最低溫度為293 K，上升4 K。與A2 工況相同，此時溫度場出現了四周溫度上升，靠近出口的溫度下降幅度較大的情況，進而造成房屋內氣溫差異過大。人群密集的地方氣溫高，而靠近出口的地方氣溫低，舒適氣溫環境的面積較小，在此條件下人員多處于不舒服的環境中。從速度場圖中可以看出，A3 工況下，最高風速為3.4 m/s，相較于A1 和A2 工況，風速較大的區域降低的較為明顯，除靠近出風口的內部區域，剩余大部分都處于1 m/s 的風速之下。

由云圖可以看出，在12 m/s 的流速下，A4 工況出現了與A2 工況相同的問題。并且由于A4 工況提高了溫度，所以在A4 工況下，所展現的室內氣流溫度、流速分布不均的問題更加嚴重，舒適區域的面積進一步減少。在A4工況下，氣溫最高分布在墻壁四周，為300 K，面積相較于A1 來說，擴張明顯。最低溫度292 K，且分布呈現線性趨勢，由溫度最高的進風口夾角處，流向兩個出風口處。除去極端氣溫，處于舒適溫度的區域面積進一步減少，相對于人流密集的候車大廳來說，這會極大地降低旅客的舒適度。流場圖的變化更為明顯，出現了明顯的風向線，且室內氣流不穩，最高流速為3.8 m/s，其他地方流速降低較為明顯。雖然流速在1 m/s 的區域面積比較大，但是問題在于這種流場分布，對于人體健康影響較大，處于風口處，人體在高風速的環境中，體感較差，加之該區域溫度偏低，這就給旅客帶來了更多健康上的風險。綜上所述，A1 工況為最佳工況。

3 結 論

本研究通過Fluent 軟件對某候車大廳側送側回送風方式的四種工況進行了模擬分析，結果發現在相差不大的送風溫度條件下，候車大廳空間內的溫度和氣流組織不會有顯著的變化，但是，不同的送風速度對于候車大廳內的氣流溫度有著較大的影響，較低的送風速度會導致空氣溫度在大廳空間上部區域內急速衰減，并且近地面的氣流流動速度也接近停滯，對室內空間舒適度有極大的影響。總體來說，當送風溫度為289 K、送風速度為11 m/s 時，候車大廳內大部分區域都處于1 m/s 之下，溫度處于289 K ～296 K 之間，此時為最優工況。