基于 Fluent 的某超市空调工况下室内气流组织模拟

丁伟翔 刘秀会 金羽佳

浙江联泰建筑节能科技有限公司

0 引言

气流组织是空气调节中的一个重要环节，关系着房间人员活动区的温湿度参数，精度及区域温差。合理的室内气流组织不但可以消除给人体带来不适的余热余湿，创造良好的室内环境，还能在一定程度上降低建筑能耗[1]。空调房间内不同的气流组织会形成不同的速度场、温度场，进而影响房间空调系统效果。

通过计算流体力学方法对室内环境进行仿真模拟，对于指导空调设计，改进设计缺陷具有重要作用。本文采用gambit软件建立物理模型及划分网格，运用Fluent软件对超市夏、冬季空调环境进行了气流组织模拟，最后通过tecplot软件分析了超市典型截面的速度场与温度场，判断在本项目超市现有设计基础上室内空调工况的效果是否能够达到舒适要求，为超市室内热环境研究、空调通风设计及运行调节等提供参考。

1 项目概况

本工程项目位于江苏省溧阳市，属于夏热冬冷地区。超市（如图1所示）位于某商业广场中第二层的南部。超市建筑面积为5300 m2，层高为5.3 m。室内设计人数为2104人，设计新风量为42080 m3/h。超市空调计算冷负荷为825 kW，冷指标为150 W/m2；空调计算热负荷为330 kW，热 指标为60 W/m2。

图1 超市平面图及空调末端风口布置平面图

2 空调系统简介

2.1 冷热源

超市冷源系统设计采用2台制冷量为430 kW风冷热泵机组，冷 水温度7/12 ℃，冷水流量73.8 m3/h。热源系统设计采用2台制热量为330 KW的风冷热泵机组，热 水温度45/40 ℃，热水流量56 m3/h。

2.2 输配系统形式

超市的空调水系统为一级泵变水量系统，水泵根据负荷变化自动变频变流量运行。风冷热泵机组和空调水泵采用一对一的连接方式，设一台备用泵。空调机组的送风机均采用变频控制以节省运行电耗。

2.3 空调系统末端形式

超市采用单风机全空气系统，空调区域采用上送上回的气流组织形式。全空气系统采用组合式空气处理机组，安装于空调机房内，室内回风与室外新风混合后经组合式空气处理机组处理后，在风机作用下由均匀布置在室内的方形散流器送入空调区域，方形散流器送风口均自带手动调节阀。超市的散流器送风后，由集中回风与排风维持室内压力平衡。所有空调系统不由吊顶内回风，空调机组统一进行回风，回风口与空调机组间设风管连接。

3 室内外空调设计参数

表1为溧阳市空调（采暖）室外计算气象参数，表2为该超市空调（采暖）室内设计参数。

表1 溧阳市空调（采暖）室外计算气象参数

表2 超市空调（采暖）室内设计参数

4 分析依据及评价标准

按照《绿色建筑评价标准》G B/T50378-2014中的室内环境质量对本项目进行评价。采用集中供暖空调系统的建筑，房间内的温度、湿度、新风量等设计参数应符合现行国家标准《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》G B50736-2012的第3.0.2条，人员长期逗留区域空调室内设计参数应符合表3规定[2]。

表3 舒适性空调室内设计参数

5 空调工况室内气流组织模拟

5.1 物理模型

本文根据建筑平面图及暖通设计建立超市空调热环境三维简化模型如图2所示：房间区域呈多边形，其中北、东、西向为内墙，南向为外墙，模型中房间及风口的几何尺寸皆按实际尺寸设置。从建筑室内空调末端平面布置图可以看出：本层风管管底标高为+3.75 m。灯高度为位置为+4 m。超市采用上送上回的气流组织形式，散流器送风口的布置平均间距为4.2 m。

图2 超市三维房间简化模型

5.2 数学模型

为了对该问题进行简化，本文做出如下假设：超市室内空气为不可压缩流体，忽略因流体粘性力做功引起热量变化且符合Bossinessq假设。空调送风为稳态湍流流动。忽略固体壁面间的热辐射。室内空气为辐射透明介质。不考虑门、窗漏风的影响，认为室内气密性良好。

速度与压力耦合采用SIMPLE算法。模拟中湍流模型选用标准K-ε双方程求解超市空调通风状况，该模型已经得到了大量工程应用的验证，可靠性高[3]。

5.3 边界条件的设置

数值模拟过程中边界条件的设定非常重要，关系到解的合理性和收敛性，所以在模拟的过程中应尽量接近实际状态。

根据超市的暖通设计进行以下参数设置：南外墙假设为稳态等温边界，按照夏季室外空调计算温度34.6 ℃给定，冬季为-3.5 ℃。其余内墙均为内隔墙，由于临室也为空调房间，故可忽略由于温差传热而引起的热量传递，均 可假设为绝热边界，地面也为绝热边界条件。三面南窗（1200 mm×1200 mm）作为超市的外窗，由于相较于房间空间面积较小，所引起的负荷小，可忽略不计。

方形散流器（总个数为221）位于房间上部，尺寸均为250 mm×250 mm，设置为速度入口边界条件，夏季送风温度为18 ℃，送风风速为3 m/s。冬季送风温度为30℃，送风风速为1.5 m/s。排风口与回风口的尺寸均为1200 mm×1200 mm，设置为出口边界。灯光负荷设置于房间上部，均匀分布为10 W/m2。人员与设备负荷位于房间下部，人体散热量按 138 W/人计算为54.78 W/m（2超市设计人数为2104 人，模拟按照最大负荷工况进行），设备负荷为10 W/m2，在该模型中假设两种热量均匀地平铺在超市地板表面，合计均匀分布为64.78 W/m2。

表4 超市简化模型边界条件的设置

5.4 网格划分及相关参数设置

网格的质量直接决定了计算的精度和结果，对超市模型采用非结构四面体网格进行了划分，其中对送风口，回风口与排风口等温度，速度梯度较大的地方进行了局部网格加密，如图3所示。模型总体网格数为814673。

图3 风口处加密网格放大图（局部）

采用二阶迎风格式对控制方程进行离散，其中连续性方程与动量方程的残差小于10-3，能量方程的残差小于10-6。

在影响人体热舒适性的环境因素中，温度和速度是与气流组织密切相关的两个重要参数，室内空气的温度场与速度场是研究及评价空调房间内气流组织的基础[4]。室内热环境模拟选取离地面1.5 m人行高度处为分析面，得出超市室内温度、风速的分布图并进行分析。

6 模拟结果及分析

6.1 温度场模拟结果及分析

图4为夏季超市地面上1.5 m 处的温度分布，可以看出室内人员活动区温度分布较为均匀，大致处于24.5～27.5℃之间，符合超市夏季空调设计温度要求。送风口正下方受冷气流的影响温度相对较低，超市部分角落处受气流的影响较小使得温度较高，靠近外墙处由于受到外界气温的影响使得温度较高，但 影响人群主要活动区域。

图4 夏季超市室内1.5 m处温度分布云图

图5 为冬季超市地面上 1.5 m 处的温度分布，可以看出室内人员活动区温度分布较为均匀，大致处于17.5 ℃～20.5 ℃之间，符合超市冬季空调设计温度要求。与夏季不同的是，在冬季时，灯光、人员及设备所产生的热量能够起到减小热负荷的效果。靠近外墙处及部分角落处由于受到外界气温的影响温度较低，但不影响人群主要活动区域。

图5 冬季超市室内1.5 m处温度分布云图

6.2 速度场模拟结果及分析

图6为超市夏季地面上1.5 m 处速度分布图，由图可以看出在人员活动范围内送风气流分布均匀，除了送风口正下方的少部分区域气流相对较强且风速较高外，其余大部分区域的风速均小于 0.3m/s，超市室内人员不会有强烈的吹风感，满足人体夏季吹风感的舒适度要求。

图6 夏季超市室内1.5 m处风速分布云图

图7 为超市冬季地面上 1.5 m 处速度分布图中，可以看出在人员活动范围内送风气流分布均匀，由于冬季热风的密度小，浮 升力作用明显，在超市区域内形成的气流流速较低，满足冬季室内不大于0.2 m/s的风速限值要求，不会使人体产生吹风感。在图中回/排风口正下方，由于集中回/排风量大的原因使得该处的风速相对较大，但不会影响人员主要活动区域。

图7 冬季超市室内1.5 m处风速分布云图

6.3 测点分析

为了更加准确地了解超市内主要位置的热环境参数。如图8所示，本文在区域内1.5 m平面处均匀地选取10个测点，分别得出了这些测点的模拟温度与速度值。

图8 超市室内1.5 m平面处的模拟测点分布

图9 超市室内1.5 m平面处模拟测点温度与速度值曲线

从图 9 可以看出，在夏季工况时，超市内部主要位置的温度分布大致波动于25.2～27.2℃，风速范围在0.12～0.25 m/s，两者均处于人体舒适范围内；从图 9可以看出，在冬季工况时，超市内部主要位置的温度分布大致波动于 17.4～19.9 ℃，风速范围在0.02～0.12 m/s，两者均处于人体舒适范围内。

7 结论

本文采用计算流体力学软件Fluent，对超市夏季与冬季的室内热环境进行了模拟计算，通过对室内人员主要活动区域的温度、风速进行分析，得出了以下结论：

1）超市室内气流分布均匀，夏季人员活动区域的温度基本处于 24.5～27.5 ℃之间，风速基本处于0.3 m/s以下；冬季温度基本处于 17.5～20.5 ℃之间，风速基本处于 0.2 m/s 以下，满足国家标准 《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》 GB50736-2012 第3.0.2 条室内设计参数的要求。因此，项目空调系统设计选型合理，送回风口布置合理，从送风口吹出的气流在超市内能形成良好的回流，使室内人员达到良好的舒适感，室内气流组织满足热环境参数设计标准要求。

2）超市内部分角落处由于送风气流循环较弱的原因，与主要区域的热环境参数存在差异，然而此处并非室内人员主要活动区域。结合温度、风速分布，可以考虑在这些地方合理布置超市内货架及其他设备。