1 引言
大空間建筑由于空間高大，影響因素多且復(fù)雜，一般空調(diào)負(fù)荷較大[1]。大空間空調(diào)設(shè)計(jì)成功與否的主要參考指標(biāo)為負(fù)荷較小與熱舒適良好，因此研究大空間建筑室內(nèi)空調(diào)流場就非常重要。相對于實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場實(shí)測，利用CFD 技術(shù)進(jìn)行全場的模擬是一種即可靠又最為經(jīng)濟(jì)的手段。本文將從CFD模擬入手，分析幾種大空間空調(diào)方式下的室內(nèi)速度場和溫度場，以此研究送風(fēng)方式對大空間建筑空調(diào)負(fù)荷和舒適度的影響。
2 大空間空調(diào)方式
典型的大空間空調(diào)方式包括頂送全室空調(diào)、側(cè)送分層空調(diào)和下送置換空調(diào)三種。頂送全室空調(diào)采用頂棚噴設(shè)置噴口或旋流風(fēng)口和空間下部布置回風(fēng)口實(shí)現(xiàn)；側(cè)送分層空調(diào)以在側(cè)墻中部以下設(shè)置噴口、同側(cè)墻下部近地面處設(shè)置回風(fēng)口并輔以上部空間的通風(fēng)（機(jī)械通風(fēng)或自然通風(fēng)）實(shí)現(xiàn)；下送置換空調(diào)則以地面或近地面?zhèn)葔μ幵O(shè)置風(fēng)口（一般為置換送風(fēng)口）和空間上部設(shè)置回風(fēng)（排風(fēng)）口實(shí)現(xiàn)。從送風(fēng)氣流特性看，前兩者都是高速送風(fēng)，送風(fēng)溫差大，且誘導(dǎo)大量周圍空氣，能達(dá)到較遠(yuǎn)的區(qū)域；而置換空調(diào)一般以不大于0.3m/s 的速度送風(fēng)，送風(fēng)溫差小，不需要卷吸周圍空氣，送出空氣先在地面上蔓延形成“冷空氣湖”，當(dāng)遇到熱源便會沿?zé)嵩磁噬?，溫度逐漸升高。（a）、1（b）、1（c）分別為一含熱源大空間對稱單元在三種空調(diào)方式下的風(fēng)口布置情況，也是模擬計(jì)算的幾何模型。
3 數(shù)值模擬與分析
3.1 數(shù)學(xué)模型
計(jì)算對象，本文采用的大空間建筑單元高度為13m，半寬度8m，長度4m。地面上均勻放置四個(gè)相同的尺寸為1m×0.5m×0.5m 的熱源。模擬采用的數(shù)學(xué)模型通用表達(dá)式如下：
上述通用控制方程包含了連續(xù)性方程、三個(gè)方向動(dòng)量方程和能量方程。其中，φ 為通用變量，S φ 為廣義源項(xiàng)，Γφ 為廣義擴(kuò)散系數(shù)。本文采用的紊流模型為Q. chen 等人研究的室內(nèi)流動(dòng)零方程模型，其紊流粘度采用下式定義[3]：
其中，u t 為紊流粘度， ρ 為局部空氣密度， v 為局部空氣流速。L 為距離最近壁面的距離，0.03874 為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。本文采用通用CFD 軟件進(jìn)行模擬，用控制容積法離散偏微分方程組；采用SIMPLE 算法求解速度壓力耦合方程；采用Boussinesq 假設(shè)，即除動(dòng)量方程中的浮力項(xiàng)外密度按常數(shù)處理；考慮表面間輻射換熱，用半球面模型計(jì)算計(jì)算輻射角系數(shù)，當(dāng)遇見遮擋時(shí)用Monte Carlo法。
邊界條件除了送回風(fēng)條件以外，其余取用相同的值。為了使三種空調(diào)方式下工作區(qū)都達(dá)到平均25 oC 左右的設(shè)計(jì)條件，本文進(jìn)行了大量的試算確定了送回風(fēng)邊界條件。各邊界條件列表如下：
3.2 結(jié)果與分析
取送風(fēng)口中心所處的縱斷面來考察不同空調(diào)方式的速度和溫度分布特點(diǎn)，其中全室空調(diào)為對稱單元長向中心處，分層空調(diào)和置換空調(diào)都為距離長向一側(cè)對稱面1m 處。將數(shù)值模擬結(jié)果給出如下（按寬向?qū)ΨQ面鏡像）：
從上述結(jié)果看，全室空調(diào)方式下，整個(gè)大空間室內(nèi)溫度分布較為均勻；上下垂直溫度梯度??；需要很大的送風(fēng)量及送風(fēng)速度才能保證工作區(qū)良好的溫度條件。分層空調(diào)方式下，工作區(qū)溫度相對均勻；垂直溫度明顯；送風(fēng)速度大；工作區(qū)大部分在回流區(qū)；適當(dāng)提高排風(fēng)比可以減少上下熱轉(zhuǎn)移和降低工作區(qū)溫度。置換空調(diào)方式下，下部熱源高度范圍內(nèi)溫度垂直梯度較大，中部溫度變化變緩，上部梯度又增大；全排風(fēng)運(yùn)行較為經(jīng)濟(jì)；送風(fēng)在下部形成了“冷空氣湖”，遇熱源上升，并使得熱源上方形成明顯羽流。
從回風(fēng)利用性來看，全室空調(diào)回風(fēng)溫度較低，提高回風(fēng)比是經(jīng)濟(jì)的；分層空調(diào)在減少上下區(qū)域熱轉(zhuǎn)移量基礎(chǔ)下，提高回風(fēng)比也較經(jīng)濟(jì)；置換空調(diào)的上部空氣溫度很高且污濁，利用回風(fēng)是不合適的。反過來，一般而言置換空調(diào)新風(fēng)比，分層空調(diào)次之，全室空調(diào)最小。
從舒適度和室內(nèi)空氣品質(zhì)來分析，置換空調(diào)新風(fēng)比大或多為全新風(fēng)，且未經(jīng)混合室內(nèi)空氣直接供給下部人員，新風(fēng)利用情況，但容易造成腳部過涼；分層空調(diào)能創(chuàng)造較好的回流區(qū)，避免腦后風(fēng)，但新風(fēng)利用不如置換空調(diào)；全室空調(diào)的新風(fēng)到達(dá)工作區(qū)時(shí)已經(jīng)歷較遠(yuǎn)距離，由于完全參混了室內(nèi)空氣，其新風(fēng)利用情況最差。
從模擬的結(jié)果中，我們可以得到三種空調(diào)各自的送風(fēng)量、送風(fēng)排熱量以及處理回風(fēng)的冷量。這幾個(gè)量是分析大空間建筑空調(diào)節(jié)能性的重要指標(biāo)。給出了三種空調(diào)方式的質(zhì)量和體積送風(fēng)量；給出了三種空調(diào)方式的送風(fēng)排熱量和處理回風(fēng)冷量（分層空調(diào)回風(fēng)比按85％，置換空調(diào)全新風(fēng)、全室空調(diào)全回風(fēng)）。橫坐標(biāo)“一”代表全室空調(diào)方式，“二”代表分層空調(diào)方式，“三”代表置換空調(diào)方式。數(shù)值為鏡像后的值，是實(shí)際計(jì)算值2 倍為了達(dá)到工作區(qū)相同的溫度條件（平均約25 oC），三種空調(diào)方式的送風(fēng)量差別很大，其中置換空調(diào)和分層空調(diào)兩者相差不多，按體積風(fēng)量分別只為全室空調(diào)的30％和40％。同時(shí)送風(fēng)溫度也是置換空調(diào)，為22 oC；分層空調(diào)為19.5 oC，全室空調(diào)為19.0 oC?？梢姡脫Q空調(diào)需要的空氣處理設(shè)備容量最小，分層空調(diào)略大些，而全室空調(diào)。如圖6 所示，全室空調(diào)由于送風(fēng)量絕對，因此送風(fēng)排熱量是的，但其結(jié)果是全室降溫，無效排熱占很大比例。如果都以相同回風(fēng)比，那么可以看出置換空調(diào)和分層空調(diào)相對于全室空調(diào)，其冷負(fù)荷節(jié)約率將分別達(dá)到51.7％和49.2％。此外，置換空調(diào)雖然送風(fēng)量小于分層空調(diào)，但其排熱量反而稍大于分層空調(diào)。全室空調(diào)取用全部回風(fēng)，則其處理回風(fēng)的冷量恰好等于送風(fēng)排熱總量，可見能耗巨大。
4 結(jié)語
通過本文的研究，我們可以得出以下結(jié)論：
①大空間建筑中，置換空調(diào)能保證的舒適度和室內(nèi)空氣品質(zhì)；分層空調(diào)能保證良好的室內(nèi)條件；而全室空調(diào)不易達(dá)到前兩者的室內(nèi)條件。
②達(dá)到相同的工作區(qū)溫度，全室空調(diào)需要很大的送風(fēng)量和送風(fēng)速度；分層空調(diào)需要較小的送風(fēng)量和較大送風(fēng)速度；置換空調(diào)則只要很小送風(fēng)量和極低的送風(fēng)速度。
③相同條件下，置換空調(diào)的設(shè)備容量最小，分層空調(diào)的略大，全室空調(diào)。
④按照本文計(jì)算條件，即使都按相同回風(fēng)比運(yùn)行，置換空調(diào)和分層空調(diào)的節(jié)能率也能達(dá)到50％左右。
本文采用數(shù)值模擬技術(shù)，從室內(nèi)條件和節(jié)能角度分析和比較了三種典型空調(diào)方式在大空間建筑中應(yīng)用的合理性，為大空間建筑空調(diào)設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。本文的研究也顯示了CFD 將是現(xiàn)代化工程設(shè)計(jì)中不可或缺的工具。
大空間建筑由于空間高大，影響因素多且復(fù)雜，一般空調(diào)負(fù)荷較大[1]。大空間空調(diào)設(shè)計(jì)成功與否的主要參考指標(biāo)為負(fù)荷較小與熱舒適良好，因此研究大空間建筑室內(nèi)空調(diào)流場就非常重要。相對于實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場實(shí)測，利用CFD 技術(shù)進(jìn)行全場的模擬是一種即可靠又最為經(jīng)濟(jì)的手段。本文將從CFD模擬入手，分析幾種大空間空調(diào)方式下的室內(nèi)速度場和溫度場，以此研究送風(fēng)方式對大空間建筑空調(diào)負(fù)荷和舒適度的影響。
2 大空間空調(diào)方式
典型的大空間空調(diào)方式包括頂送全室空調(diào)、側(cè)送分層空調(diào)和下送置換空調(diào)三種。頂送全室空調(diào)采用頂棚噴設(shè)置噴口或旋流風(fēng)口和空間下部布置回風(fēng)口實(shí)現(xiàn)；側(cè)送分層空調(diào)以在側(cè)墻中部以下設(shè)置噴口、同側(cè)墻下部近地面處設(shè)置回風(fēng)口并輔以上部空間的通風(fēng)（機(jī)械通風(fēng)或自然通風(fēng)）實(shí)現(xiàn)；下送置換空調(diào)則以地面或近地面?zhèn)葔μ幵O(shè)置風(fēng)口（一般為置換送風(fēng)口）和空間上部設(shè)置回風(fēng)（排風(fēng)）口實(shí)現(xiàn)。從送風(fēng)氣流特性看，前兩者都是高速送風(fēng)，送風(fēng)溫差大，且誘導(dǎo)大量周圍空氣，能達(dá)到較遠(yuǎn)的區(qū)域；而置換空調(diào)一般以不大于0.3m/s 的速度送風(fēng)，送風(fēng)溫差小，不需要卷吸周圍空氣，送出空氣先在地面上蔓延形成“冷空氣湖”，當(dāng)遇到熱源便會沿?zé)嵩磁噬?，溫度逐漸升高。（a）、1（b）、1（c）分別為一含熱源大空間對稱單元在三種空調(diào)方式下的風(fēng)口布置情況，也是模擬計(jì)算的幾何模型。
3 數(shù)值模擬與分析
3.1 數(shù)學(xué)模型
計(jì)算對象，本文采用的大空間建筑單元高度為13m，半寬度8m，長度4m。地面上均勻放置四個(gè)相同的尺寸為1m×0.5m×0.5m 的熱源。模擬采用的數(shù)學(xué)模型通用表達(dá)式如下：
上述通用控制方程包含了連續(xù)性方程、三個(gè)方向動(dòng)量方程和能量方程。其中，φ 為通用變量，S φ 為廣義源項(xiàng)，Γφ 為廣義擴(kuò)散系數(shù)。本文采用的紊流模型為Q. chen 等人研究的室內(nèi)流動(dòng)零方程模型，其紊流粘度采用下式定義[3]：
其中，u t 為紊流粘度， ρ 為局部空氣密度， v 為局部空氣流速。L 為距離最近壁面的距離，0.03874 為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。本文采用通用CFD 軟件進(jìn)行模擬，用控制容積法離散偏微分方程組；采用SIMPLE 算法求解速度壓力耦合方程；采用Boussinesq 假設(shè)，即除動(dòng)量方程中的浮力項(xiàng)外密度按常數(shù)處理；考慮表面間輻射換熱，用半球面模型計(jì)算計(jì)算輻射角系數(shù)，當(dāng)遇見遮擋時(shí)用Monte Carlo法。
邊界條件除了送回風(fēng)條件以外，其余取用相同的值。為了使三種空調(diào)方式下工作區(qū)都達(dá)到平均25 oC 左右的設(shè)計(jì)條件，本文進(jìn)行了大量的試算確定了送回風(fēng)邊界條件。各邊界條件列表如下：
3.2 結(jié)果與分析
取送風(fēng)口中心所處的縱斷面來考察不同空調(diào)方式的速度和溫度分布特點(diǎn)，其中全室空調(diào)為對稱單元長向中心處，分層空調(diào)和置換空調(diào)都為距離長向一側(cè)對稱面1m 處。將數(shù)值模擬結(jié)果給出如下（按寬向?qū)ΨQ面鏡像）：
從上述結(jié)果看，全室空調(diào)方式下，整個(gè)大空間室內(nèi)溫度分布較為均勻；上下垂直溫度梯度??；需要很大的送風(fēng)量及送風(fēng)速度才能保證工作區(qū)良好的溫度條件。分層空調(diào)方式下，工作區(qū)溫度相對均勻；垂直溫度明顯；送風(fēng)速度大；工作區(qū)大部分在回流區(qū)；適當(dāng)提高排風(fēng)比可以減少上下熱轉(zhuǎn)移和降低工作區(qū)溫度。置換空調(diào)方式下，下部熱源高度范圍內(nèi)溫度垂直梯度較大，中部溫度變化變緩，上部梯度又增大；全排風(fēng)運(yùn)行較為經(jīng)濟(jì)；送風(fēng)在下部形成了“冷空氣湖”，遇熱源上升，并使得熱源上方形成明顯羽流。
從回風(fēng)利用性來看，全室空調(diào)回風(fēng)溫度較低，提高回風(fēng)比是經(jīng)濟(jì)的；分層空調(diào)在減少上下區(qū)域熱轉(zhuǎn)移量基礎(chǔ)下，提高回風(fēng)比也較經(jīng)濟(jì)；置換空調(diào)的上部空氣溫度很高且污濁，利用回風(fēng)是不合適的。反過來，一般而言置換空調(diào)新風(fēng)比，分層空調(diào)次之，全室空調(diào)最小。
從舒適度和室內(nèi)空氣品質(zhì)來分析，置換空調(diào)新風(fēng)比大或多為全新風(fēng)，且未經(jīng)混合室內(nèi)空氣直接供給下部人員，新風(fēng)利用情況，但容易造成腳部過涼；分層空調(diào)能創(chuàng)造較好的回流區(qū)，避免腦后風(fēng)，但新風(fēng)利用不如置換空調(diào)；全室空調(diào)的新風(fēng)到達(dá)工作區(qū)時(shí)已經(jīng)歷較遠(yuǎn)距離，由于完全參混了室內(nèi)空氣，其新風(fēng)利用情況最差。
從模擬的結(jié)果中，我們可以得到三種空調(diào)各自的送風(fēng)量、送風(fēng)排熱量以及處理回風(fēng)的冷量。這幾個(gè)量是分析大空間建筑空調(diào)節(jié)能性的重要指標(biāo)。給出了三種空調(diào)方式的質(zhì)量和體積送風(fēng)量；給出了三種空調(diào)方式的送風(fēng)排熱量和處理回風(fēng)冷量（分層空調(diào)回風(fēng)比按85％，置換空調(diào)全新風(fēng)、全室空調(diào)全回風(fēng)）。橫坐標(biāo)“一”代表全室空調(diào)方式，“二”代表分層空調(diào)方式，“三”代表置換空調(diào)方式。數(shù)值為鏡像后的值，是實(shí)際計(jì)算值2 倍為了達(dá)到工作區(qū)相同的溫度條件（平均約25 oC），三種空調(diào)方式的送風(fēng)量差別很大，其中置換空調(diào)和分層空調(diào)兩者相差不多，按體積風(fēng)量分別只為全室空調(diào)的30％和40％。同時(shí)送風(fēng)溫度也是置換空調(diào)，為22 oC；分層空調(diào)為19.5 oC，全室空調(diào)為19.0 oC?？梢姡脫Q空調(diào)需要的空氣處理設(shè)備容量最小，分層空調(diào)略大些，而全室空調(diào)。如圖6 所示，全室空調(diào)由于送風(fēng)量絕對，因此送風(fēng)排熱量是的，但其結(jié)果是全室降溫，無效排熱占很大比例。如果都以相同回風(fēng)比，那么可以看出置換空調(diào)和分層空調(diào)相對于全室空調(diào)，其冷負(fù)荷節(jié)約率將分別達(dá)到51.7％和49.2％。此外，置換空調(diào)雖然送風(fēng)量小于分層空調(diào)，但其排熱量反而稍大于分層空調(diào)。全室空調(diào)取用全部回風(fēng)，則其處理回風(fēng)的冷量恰好等于送風(fēng)排熱總量，可見能耗巨大。
4 結(jié)語
通過本文的研究，我們可以得出以下結(jié)論：
①大空間建筑中，置換空調(diào)能保證的舒適度和室內(nèi)空氣品質(zhì)；分層空調(diào)能保證良好的室內(nèi)條件；而全室空調(diào)不易達(dá)到前兩者的室內(nèi)條件。
②達(dá)到相同的工作區(qū)溫度，全室空調(diào)需要很大的送風(fēng)量和送風(fēng)速度；分層空調(diào)需要較小的送風(fēng)量和較大送風(fēng)速度；置換空調(diào)則只要很小送風(fēng)量和極低的送風(fēng)速度。
③相同條件下，置換空調(diào)的設(shè)備容量最小，分層空調(diào)的略大，全室空調(diào)。
④按照本文計(jì)算條件，即使都按相同回風(fēng)比運(yùn)行，置換空調(diào)和分層空調(diào)的節(jié)能率也能達(dá)到50％左右。
本文采用數(shù)值模擬技術(shù)，從室內(nèi)條件和節(jié)能角度分析和比較了三種典型空調(diào)方式在大空間建筑中應(yīng)用的合理性，為大空間建筑空調(diào)設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。本文的研究也顯示了CFD 將是現(xiàn)代化工程設(shè)計(jì)中不可或缺的工具。