基于CFD模拟的阅览室空调方案优选*

吕 洁， 王旭斌， 邱 旭， 吕慧洁

(沈阳工业大学 建筑与土木工程学院， 沈阳 110870)

随着社会的发展和人民生活水平的进步，空调系统作为控制室内热环境和湿环境的重要手段，广泛地应用在现代建筑当中.空调方案需要从经济型指标、功能性指标、能耗指标等方面进行考虑[1]，常规的典型房间一般都有对应适用的空调系统形式和气流组织形式可供选择.例如，高大空间房间常采用全空气系统和喷口送风形式，低层高、小面积房间多采用风机盘管加新风系统和散流器送风形式等.由于建筑形式日益呈现多样化发展，很多形式迥异的建筑空间如低层高的大空间、中庭设有与室外相通的景观区等，这些房间在选择空调方案时，根据以上指标不容易确定合适的空调方案，这时可以通过CFD数值模拟空调方案的实际应用效果进行辅助选择，选出较优的空调方案，实现与建筑的最优搭配.

1 建筑概况与空调方案选择

1.1 建筑概况

本文以西安市某大学新校区图书馆阅览室的空调系统为研究对象，阅览室长84 m(对应x轴)，最大宽度24 m，最小宽度16 m(对应z轴)，层高4.5 m(对应y轴)，建筑面积1 456 m2，平面图如图1所示(单位：mm)，该阅览室有别于一般阅览室，具有大空间、低层高的特点.

1.2 空调方案选择

阅览室作为高校图书馆建筑的核心空间，为给读者创造现代、舒适的学习环境，大空间、开放性设计是其发展趋势，具有读者集中、人数在全年和一天内的变化大、人员流动性大，人员坐位变化大、人员来自全国各地导致对热环境要求不统一、书架与阅览桌同在一室和噪声标准要求高等特点，对空调系统要求能够进行个性化调节，能够按实际负荷进行运行控制，需要考虑书架对送风气流的影响，以及对系统节能管理等要求.能够满足以上部分或全部特点的空调系统主要有：1)变风量(variable air volume，VAV)空调系统[2-3]；2)定风量(constant air volume，CAV)空调系统；3)诱导式空调系统；4)风机盘管加独立新风空调系统；5)吊柜式空调系统，如表1所示.

图1 图书馆阅览室平面图Fig.1 Plan diagram of library reading room

方案指标VAVCAV诱导式风盘加新风吊柜式初投资大小中中中噪声中小大中中运行能耗小大中小小空间占用大大小小小灵活调节中低中大中

除表1中特点之外，VAV系统控制复杂，在低负荷时会造成温度分布不均匀；CAV系统的过滤、除湿及湿度控制能力较强，新风比可调，维护管理方便，但是机房面积大，存在交叉污染[4].

综合上述各空调系统在初投资、噪声污染、空调能耗、占用空间、灵活调节能力等方面的比较，风机盘管加独立新风空调方案和吊柜式空调系统方案更适合应用于阅览室内，孰优孰劣需要结合气流组织形式进行室内应用效果的模拟研究.前者在大空间应用时需要采用散流器顶送方式，后者可以采用侧送和顶送两种气流组织方式，由于研究对象是低层高建筑，为减少空间占用，采用侧送方式进行模拟.

2 模型介绍

2.1 物理模型

根据房间平面尺寸在阅览室内布置5排桌子和5排书架，考虑阅览室平均使用情况设置5台电脑，10名学生，内外墙上均有窗户，其数量与尺寸如表2所示.桌子和书架均按长方体考虑.

表2 各个模型的几何尺寸Tab.2 Geometry size of each model

对风机盘管顶棚送风(以下简称方案1)和吊柜式空调器射流送风(以下简称方案2)分别进行模拟，模拟工况中送回风口的布置方式、尺寸和送风速度如表3所示.

表3 送风方案Tab.3 Air supply scheme

图2 方案1模型图Fig.2 Scheme 1 model diagram

图3 方案2模型图Fig.3 Scheme 2 model diagram

2.2 数学模型的建立

随着计算机的发展，计算流体力学(CFD)方法成本低、计算速度快、周期短、结果良好等优点逐渐受到研究人员的青睐[5].本文选用FLUENT作为研究工具，FLUENT提供了非常灵活的网格特性，具有自动的非结构化、结构化网格生成能力，支持四面体、六面体以及混合网格.

CFD模块主要包括三个部分：第一部分是前处理模块，第二部分是求解模块，第三部分是后处理模块[6].这三大模块各有其独特的作用.

空调房间的送回风过程是湍流流动过程[7]，本文做出以下假设：1)忽略经过玻璃的太阳热量以及房间内部固体壁面与物体间辐射热的影响[8]；2)阅览室内空气为低速、不可压缩状态，符合Boussinesq假设[9]；3)不考虑房间的冷风渗透影响，认为房间密闭性良好；4)室内空气流动为稳态湍流[10].

根据以上假设，本文采用FLUENT中常用的标准k-ε两方程湍流模式，控制方程有连续性方程、动量方程、能量方程、湍流脉动动能方程(k方程)和湍流能量耗散率方程(ε方程)，在不考虑阅览室室内自定义源项的情况下，k方程和ε方程分别简化为

(1)

(2)

湍流粘性系数[10]为

(3)

式中：k为湍动能；ε为湍流耗散率；μ为动力粘度；ρ为流体密度；cε1、cε2为常数，其值为cε1=1.45，cε2=1.92；σk、σε为湍流数，其值为σk=1.0，σε=1.3.

根据该设备设计参数，一次性堆高2.5 m，每日分2层即上午、下午各1层，每日暴露面可以控制在40 m×10 m×5 m或20 m×20 m×5 m，晚间喷药除臭的最小顶面面积约400 m2。

2.3 边界条件的设置

边界条件的设置如下：

1) 室外计算参数：夏季空调室外计算干球温度为35.1 ℃，夏季空调室外计算湿球温度为25.8 ℃.

2) 室内计算参数：夏季室内干球温度为25 ℃，相对湿度为55%.

3) 外墙：该阅览室有东、西、南三边外墙，忽略太阳辐射，本文模拟时，采用35 ℃.

4) 内墙：由于相邻的房间均为空调房间，所以内墙的边界条件设置为无温差的绝热边界条件.

5) 门窗：为简化模拟过程，在模拟时窗户和门一直处于关闭状态.不考虑冷风渗透的影响，可把门窗的边界条件看成墙体考虑.

6) 顶板和地板：该阅览室位于图书馆四楼，楼层上下均设置有空调系统，所以顶板和地板的边界条件设置为无温差的绝热边界条件.

7) 书桌和书架：书桌和书架的边界条件类型均设置成WALL，以墙体考虑，不考虑边界面温度的衰减，本文认为书桌和书架的边界面温度与室内温度保持一致为25 ℃.

8) 送风口：入口边界条件定义为速度入口(velocity-inlet)，其送风口速度如表3所示.

9) 出风口：出风口的边界条件设置为OUTFLOW.

3 模拟结果和造价分析

在夏季空调运行的情况下，不考虑室内外窗户和门的开启情况对室内气流的影响，从模拟结果的室内温度云图和速度云图分布来分析两种不同的空调方案的应用效果.

3.1 模拟结果分析

3.1.1 温度场模拟结果分析

图4、5为方案1和方案2条件下y=1.5 m截面的温度分布云图.

图4 方案1 y=1.5 m的空气温度分布云图Fig.4 Air temperature distributionin scheme 1 with y=1.5 m

图5 方案2 y=1.5 m的空气温度分布云图Fig.5 Air temperature distributionin scheme 2 with y=1.5 m

从水平方向来看，由图4可以看出，当采用方案1时，人员静坐(y=1.5 m)区域温度分布相对均匀，温差约在1～2 ℃之间，无明显的温度差别；在图4的右部区域，由于书橱对送风气流的扰流作用导致部分气流聚集在书橱处，致使温度相比左部区域要低约2 ℃，但是该区域人员流动量大，逗留时间较短，对室内人员的舒适性无明显的影响.由图5可以看出，当采用方案2时，人员静坐(y=1.5 m)区域出现明显的空气分布不均匀现象，阅览室的中心区域温度明显高于房间的两端，温差约在5～6 ℃之间；阅览室的书橱区域温度明显低于书桌区域，这是因为射流送风风口设于阅览室的两侧，由于书橱高度的原因，会阻碍室内部分气流的扩散，导致书橱区域气流聚集，温度过低，人员的热舒适性很差.从图4、5的比较可以得出，方案1下阅览室内温度分布更均匀.

图6～9为方案1条件下：x=3 m截面、x=19 m截面、x=27 m截面、x=35 m截面的温度分布云图.图10～13为方案2条件下：x=3 m截面、x=19 m截面、x=27 m截面、x=35 m截面的温度分布云图.

图6 方案1 x=3 m的空气温度分布云图Fig.6 Air temperature distributionin scheme 1 with x=3 m

图7 方案1 x=19 m的空气温度分布云图Fig.7 Air temperature distributionin scheme 1 with x=19 m

从垂直方向来看，当采用方案1时，从图6～9的温度云图中可以看出，随着房间进深的不断加大，人员周围虽然有温度分层现象，但是垂直温差不超过2 ℃，根据美国ASHRAE55-2013标准，建议地面上方0.1～0.8 m之间垂直温差不超过3 ℃，温差越小越好.当采用方案2时，从图10～13的温度云图可以看出，由于桌子对部分气流的扰流作用，导致在桌子附近处空气温度要高于桌子以外的空气温度，而且随着房间进深的不断加大，人员周围有明显的温度分层现象.从图13中可以看出，人员头部区域温度大概在19～20 ℃，脚部区域温度大概在24～25 ℃，垂直温差在5～6 ℃之间，垂直温差较大，导致人员的热舒适性很差.由此可知，方案2不适合低层高大空间的房间.

图8 方案1 x=27 m的空气温度分布云图Fig.8 Air temperature distributionin scheme 1 with x=27 m

图9 方案1 x=35 m的空气温度分布云图Fig.9 Air temperature distributionin scheme 1 with x=35 m

图10 方案2 x=3 m的空气温度分布云图Fig.10 Air temperature distributionin scheme 2 with x=3 m

图11 方案2 x=19 m的空气温度分布云图Fig.11 Air temperature distributionin scheme 2 with x=19 m

图12 方案2 x=27 m的空气温度分布云图Fig.12 Air temperature distributionin scheme 2 with x=27 m

图13 方案2 x=35 m的空气温度分布云图Fig.13 Air temperature distributionin scheme 2 with x=35 m

3.1.2 速度场模拟结果分析

图14、15为方案1和方案2条件下y=1.5 m截面的速度分布云图.由图14可以看出，当采用方案1时，人员静坐(y=1.5 m)区域速度分布相对较稳定，送风速度最高可达0.35 m/s，通风效果较好，在人员工作区域，空气流速维持在0.21～0.28 m/s之间，不会使阅览室内学生有吹冷风的感觉.由图15可以看出，当采用方案2时，人员静坐(y=1.5 m)区域速度分布有明显的不均匀现象，在阅览室房间两侧室内空气速度为0.17～0.23 m/s之间，在房间中部区域，速度降为0.016～0.032 m/s之间，部分区域速度急剧下降趋于零，由此看出该区域通风效果是最不利的.由此可知，方案2不适合低层高大空间的房间.

图14 方案1 y=1.5 m的空气速度分布云图Fig.14 Air velocity distribution inscheme 1 with y=1.5 m

图15 方案2 y=1.5 m的空气速度分布云图Fig.15 Air velocity distribution inscheme 2 with y=1.5 m

3.2 空调方案造价分析

从造价方面分析，已知阅览室室内冷负荷为59 788.3 W，室内新风量为8 730 m3/h，根据室内冷负荷和室内新风量选取合适的空调机组.方案1中共需风机盘管机组22台，新风机组1台，方案2中共需吊柜机机组2台，新风机组2台，其选型与造价如表4所示.

从表4中可以得出，采用方案1时总造价为12 200元.采用方案2时总造价为18 400元.由于空调机组的型号、品牌等不同，每台机组的市场价也不相同，以上对空调机组选型的造价均为平均价格.从空调方案的造价分析可以得出，方案2的造价要远远大于方案1的造价，所以方案1更适合阅览室内应用.

表4 风机盘管和新风机组的选型与造价Tab.4 Selection and cost of fan coil and fresh air unit

4 结 论

空调方案的选择对室内的热环境和热舒适性有着重要影响，本文在常规空调方案选择的各项指标基础上利用FLUENT软件通过对低层高大空间的阅览室内风机盘管加独立新风顶棚送风和吊柜式空调系统射流送风进行模拟分析，得出了最优空调方案.

1) 吊柜式空调系统射流送风可以创造良好的热环境，但是部分送风气流受到桌子和书橱的扰流作用，致使房间内温度分布不均匀，人员附近垂直温差较大.吊柜式空调系统射流送风方式不适合低层高大空间类型房间.

2) 风机盘管加独立新风顶棚送风方式，室内温度场均匀，人员附近垂直温差小，能够给室内人员提供良好的舒适性，适用于低层高大空间房间.

3) 通过CFD模拟辅助选择空调方案是可行的.