高大空间辐射板导流送风的气流组织特性研究

王蒙 顾炜莉 易小芳 彭小勇

南华大学土木工程学院

0 引言

大型建筑空调能耗占建筑总能耗的 40%～60%，因此空调节能显得尤为重要。与全空调系统相比，分层空调因具有节约能源的优势而成为目前高大空间最常用的气流组织形式[1-3]。火车站候车厅是典型的高大空间建筑也主要采用分层空调系统，其中侧墙腰部送风是最常使用的送风形式，风口类型大都是圆形喷口。当冷空气从喷口自由射出,其射流衰减和降落速度较快导致射程较小，当空间跨度较大时，如果要使射流达到规定的射程，送风速度通常较大，射流卷吸周围空气的能力增强，这对空调区的舒适性以及节约空调能耗是不利的。为了提高下部空调区的舒适性，喷口的安装高度，送风速度，送风角度以及一些组合送风方式被大量探究[4-7]，但这些研究通常会以增加能耗来提高舒适性，显然这些并不是最好的方式。如何同时实现候车厅内环境舒适和降低空调能耗仍然是研究的热点问题。

本文提出了一种利用辐射板诱导气流的新方法，即将扁形送风口与辐射板组合在一起构成组合式风口，根据贴附射流原理[8]，辐射板为射流空气营造了局部贴附条件。一方面，辐射板诱导气流降低速度衰减系数和冷（热）空气的下降（上升）速度，在保证射程的前提下能有效的降低送风速度。另一方面，冷却（热）气流与辐射板对流换热，使辐射板形成冷（热）面，辐射板主要与空调区其他表面辐射换热。本文选取某火车站候车厅作为应用对象，探究该送风方式是否具有提高空调舒适性与节能的潜力。

1 模型建立

1.1 物理模型建立

本文以某火车站候车厅为原型，建立稳态传热几何模型。候车厅空调区采用条型风口并组合安装与之同等宽上部设置保温材料的金属辐射板。如图 1 为该候车厅的简化物理模型，采用中送下回，上部排风20%的气流组织形式。该模型的长×宽 ×高 =30 m×20 m×10 m（取候车厅的一半），内部有 4 排背靠背座椅将其简化为8 个长×宽 ×高=15.4 m×0 .4 m×1 .2 m 的热源；距地面 4.5 m 处分别设置 6 个长×宽 =1.5 m×0 .1 m 的进风口；辐射板长度为3 m、倾斜角度 10°；下部距地面0.5 m 处设置6 个长×宽 =0.8 m×0 .5 m 的回风口，顶部设置6 个长×宽 =0.6 m×0 .5 m 的排风口，为简化模型将灯具与设备省略。

图1 高大空间辐射板导流送风物理模型

1.2 控制方程和数值计算方法

高大空间内部空气流动通常自然对流和强迫对流同时存在，需要合适的湍流模型才能确保模拟的正确性，由于本次模拟的模型并不复杂，选择 reliablek-ε两方程模型足以满足计算要求，其通用控制方程具体如下：

式中：φ为通用因变量，ε为扩撒系数，S为源项。

另外具体的数学模型选取和数值计算方法有：1）空间内的空气为不可压缩定常流动，考虑浮升力的影响令空气参数满足Boussinesq 假设。2）以对流换热为主，金属辐射板辐射换热为辅，选用 DO 辐射模型来计算各壁面间的辐射换热。3）采用压力基求解器、simple算法进行解析计算，能量残差精度达到 10-6，其他达到10-3可认为计算收敛。

1.3 边界条件设定

参阅《铁路旅客车站建筑设计规范》和 《空气调节设计手册》可知：客运专线候车厅的最大人员密度为0.67 人/m2，每人最小新风量为 10 m3/ (人·h)。候车厅的设计温度为 27 ℃，此时人员的显热散热量按58 W/m2，潜热散热量按 50 W/m2计算，而照明负荷按19 W/m2计算，设备负荷按8 W/m2计算。其中中间座椅为每隔 0.6 m 做一个，仅计算座椅上总共可有 202人，将显热负荷按面积平均分配到座椅上，采用第二类边界条件，热流密度值为 31 W/m2。针对本文研究对象，围护结构主要包括侧墙、屋顶、地面，其中侧墙传热计算中包含了外窗的传热量，采用第二类边界条件，热流密度值设为 44W/m2，屋顶传热热量按第二类边界条件并附加照明符合，热流密度值为 35 W/m2，地面本身可以设置为绝热，但本文将设备负荷，部分人员负荷及太阳辐射热量平均分配到地面上，热流密度值为26 W/m2。

2 数值模拟结果分析

2.1 气流组织分析

经 FLUENT 模拟得到候车厅内的速度场、温度场，选取一些典型切面，对其速度、温度分布进行分析。考虑到各送风口的送风参数都相同，故选取Y=-1.1 m送风口纵断面研究送风射流轨迹的变化情况，由于距地面1.1 m 左右是坐姿状态下人体头部高度，故选取高度为1.1 m 的水平切面来探究送风射流对工作区的影响。

如图2 为Y=-1.1 m 送风口切面的速度矢量图，从图2 中可知：在贴附效应作用下，冷空气先沿辐射板流动，送风射流流过辐射板后继续向前流动并逐渐向下弯曲，在空间中部两股射流搭接，一部分向上流动道道一定距离后又被卷吸到送风射流中形成涡旋，一部分射流流入下部空调区并向侧墙扩散，一些空气从回风口排出，一些空气继续沿侧壁向上运动后又被卷吸到送风射流中，在空调区域形成涡旋。

图2 Y=-1.1 m 风口切面的速度矢量图

如图3 为Z=1.1 m 切面的速度矢量图，从图3 中可知：中部区域的速度值较小，靠近座椅边缘处速度增大，最大值为 0.6 m/s，再向侧墙流动速度又逐渐减少。产生这种速度分布的原因是空调区处于回流区，气流从中部侧墙流动时收到回风口的吸引和上部涡旋的卷吸作用速度值增大，其中座椅附近上部为涡旋中卷吸作用最强，速度达最大，再想侧墙流动时涡旋起到约束气流向前运动，速度值又逐渐减小，该切面的平均速度为0.26 m/s。

图3 Z=1.1 m 切面的速度矢量图

如图4 所示为Y=-1.1 m 风口切面的温度分布图，从图4 中可知，垂直方向温度分层明显，在金属辐射板上部温度逐渐升高，温度梯度较大。在金属辐射板的下方温度较低也没有明显的温度分层现象，空调区平均温度为26.6 ℃，略低于室内设计温度。

图4 Y=-1.1 m 风口切面的温度分布云图

如图 5 为Z=1.1 m 切面的温度分布云图，从图 5中可知：中部区域的温度比较低而越靠近侧墙温度的逐渐升高，这是因为空调区主要处于气流的回流区域，气流从中间向侧墙流动的过程中不断的吸收热量，空气温度逐渐升高。

图5 Z=1.1 m 切面的温度分布云图

2.2 辐射板结露与供冷能力分析

以辐射板表面温度与其附近空气的相湿度达到100%时的温度对比作为判断辐射板表面是否会发生结露的依据，理论上若辐射板表面温度大于附近空气露点温度不会结露，否则辐射板将会结露。选取中间位置的一块辐射板为研究对象（图 6），其表面的平均温度 24.9 ℃、最小温度 23.8 ℃、最大温度 26.1 ℃，附近流体的温度 18 ℃，空调区的平均温度 26.8 ℃其对应的露点温度18.6 ℃，因为最小温度 ＞附近流体温度＞室内露点温度，故辐射板不会结露。

图6 中间一辐射板表面温度分布图

辐射板的平均辐射供冷能力约为62.3 W/m2，其中辐射板的辐射换热量占总辐射换热量的27.3%，辐射板的辐射换热在总换热量中所占比例较小。在实际应用中可从增加辐射板面积，送风温差等增进辐射换热，若不考虑辐射换热的作用可将辐射板以广告牌，宣传牌的形式呈现。

3 侧墙圆喷口送风模拟分析

3.1 模型建立与边界条件设置

目前，火车站候车厅大多采用圆形喷口送风，根据圆喷口多股平行非等温射流理论[9]计算得单个风口的直径d=0.26 m、风口速度为 6.8 m/s、安装高度 5 m，共有20 个，其总送风量与上一节相同，物理模型如图 7，边界条件除送风速度不一样外其他条件与上一节的相同。

图7 高大空间圆形喷口送风物理模型

3.2 侧墙圆喷口送风的气流组织分析

典型截面的选取与上节相似，图 8 为Y=-1.05 m喷口切面的速度矢量图，从图 8 中可知：送风射流一边向前流动一边逐渐偏离水平方向向下降落，两股气流在中间相撞后部分气流向上流动，这些气流受射流的卷吸和自身重力作用下，上升到一定高度后又被卷吸到送风射流中形成两个明显的涡旋。部分气流向下部空调区流动，受送风射流卷吸和回风口的吸引向侧墙流动，其中一些气流从回风口排出，一些气流继续沿侧墙向上流动最后卷入送风射流中并在空调区形成两个涡旋。从射流流动轨迹可知下部空调区处于送风射流的回流区域。如图 9 为Z=1.1m 切面的速度矢量图，该切面的平均速度为 0.37 m/s 大于 0.3 m/s，靠近座椅边缘处速度增大，最大值为 0.55 m/s，其他区域的风速在 0.1～0.35 m/s 范围内，再向侧墙流动速度又逐渐减少。产生这种速度分布的原因是空调区处于回流区，气流从中部向侧墙流动时受到回风口的吸引和上部涡旋的卷吸作用速度值增大，其中座椅附近上部为涡旋中心卷吸作用最强，速度达最大，再向侧墙流动时涡旋起到约束气流向前运动，速度值又逐渐减小。

图8 Y=-1.05 m 风口切面的速度矢量图

图9 Z=1.1 m 切面的速度矢量图

图10 为Y=-1.05 m 切面的温度分布云图，从整体上看，垂直方向存在明显的温度分层现象，送风口高度往上温度逐渐升高，温度梯度较大。送风口高度以下温度较低且分层不明显，其中 2.1 m 以下空调区的平均温度为27.8 ℃，高于室内设计温度。图 11 为 Z=1.1 m 切面的温度分布云图，从图11 中可知：中部区域的温度比较低而越靠近侧墙温度的逐渐升高，这是因为气流从中间向侧墙流动的过程中不断的吸收热量，空气温度逐渐升高，而中心处局部温度较高是因为该处气流不畅人员的散热量无法被直接排除。

图10 Y=-1.05 m 风口切面的温度分布云图

图11 Z=1.1 m 切面的温度分布云图

3.3 模拟结果的可靠性分析

文献[10]对火车站候车厅分层空调并进行了结果可靠性验证，本次模拟使用相同的方式将轴心射流轨迹变化，轴心速度变化，轴心温度变化规律与经验公式进行对比，结果与文献结果相似，计模拟得到的射流落差，沿程的速度衰减、温度衰减都快于理论计算值，即数值模拟得到的射流轴心的速度略低，温度略高，这种误差一方面是由于空间较大，提高计算速度通常只对风口，座椅等处的网格加密处理，而其他区域的网格尺寸较大从而影响计算的精度，一方面是取值时存在一点误差。

4 对比分析

为了探究辐射板导流送风相对于圆形喷口送风在气流组织与节能的方面优势，在送风量，送风温度相同的情况下，对全空间垂直方向的平均速度和温度分布进行对比分析。如图12 为全空间垂直方向速度分布折线图，从图 12 中可知，两种送风方式垂直方向的速度分布趋势大致相似，但圆形喷口送风垂直方向的速度值大都高于辐射板导流送风，空调区与非空调区的速度差值较小，表明送风气流对非空调区的扰动较大，辐射板导流送风时空调区与非空调区的速度差值较大，表明送风气流对非空调区的扰动较小，扰动越大使大量冷量消耗在上部非空调区造成冷量浪费，显然，从对非空调区扰动程度来看，辐射板导流送风的气流组织形式优于圆形喷口送风。图 13 为全空间垂直方向温度分布折线图，从图13 中可知两种送风方式垂直方向的温度分布趋势大致相似，但圆形喷口送风空调区的温度高于辐射板导流送风，而非空调区的温度较低，这是因为圆形喷口送风时对非空调的扰动较大使浪费在空调区的冷量增加，而空调区能利用的冷量减少导致温度较高，从空调区达到的温度状态来看，辐射板导流送风浪费在非空调区的冷量较少而更具优势。

图12 全空间垂直速度分布折线图

图13 全空间垂直温度分布折线图

表1 为两种方案的气流组织效果的对比，表中KT、KV、Δ ET、ADPI、分别为温度不均匀系数，速度不均匀系数，有效吹风温度、空气分布特性指标，能量利用系数。从技术性指标来就看，两种送风方式的速度不均匀系数，温度不均匀系数相近，表示速度分布与温度分布的均匀程度相近，但结合风速与温度两个因素考虑辐射板导流送风的的舒适性较好，另外辐射板导流送风的能量利用系数较大，说明冷量利用率较大更具有节能的优势。

表1 2.1 m 以下空调区的气流组织效果相关参数对比表

5 结论

1）在规定射程的条件下，辐射板导流送风仅用4 m/s 的速度达到规定射程而圆喷嘴送风需要6.8 m/s，送风速度减小使气流对非空调区的扰动较小，垂直方向速度，温度分层效果更好。

2）当送风量、送风温度相同时，相对于圆形喷口送风，辐射板导流送风的空调区的速度、温度值均达到设计要求，两种送风方式下空调区速度、温度不均匀系数相似，综合速度、温度两个因素考虑，辐射板导流送风的ADPI 值较高，舒适性更好。

3）辐射板导流送风气流组织效果较好其能在降低送风速度的同时达到规定射程。由于送风速度减少气流对上部空调区的扰动卷吸作用较小，冷量浪费少，能量利用系数较大，具有一定的节能优势。不足的是辐射板的辐射换热量在总换热量的比例较小，还需进一步研究以增强其辐射供冷能力。若不考虑辐射板的辐射作用，可将辐射换为广告牌，宣传牌的形式呈现以增加收入从而弥补初投资过高的问题。