关于大空间水世界空调气流组织模拟研究与优化

陈欣 崔娜 赵岩

摘 要：针对目前国内蓬勃发展的室内水乐园特点，通过CFD气流模拟，对全空气空调系统不同气流组织下室内冬夏季温度分布情况进行了分析，为今后室内水乐园空调形势的选择及空调系统的排布设计提供参考。

关键词：室内水乐园;CFD气流模拟;气流组织

中图分类号：TU831                              文献标识码：A                                        文章编号：2096-6903（2022）09-0094-03

0引言

近年来，随着国内文旅产业的蓬勃发展，各类室内水乐园类项目在全国各大城市不断投入建设和运营。室内水乐园项目不同于传统泳池项目。首先，室内水乐园一般属于高大空间，常规水乐园净高在30～35 m之间，且一般为钢结构屋面;其次，室内水乐园的涉水面积远大于游泳池的水面面积;再次，水乐园的冬季室内设计温度一般比游泳池高2℃～3℃;最后，室内水乐园业态复杂，多包括餐饮、休息、商业等多种形式，与传统泳池单一的泳池区有所区别。

从空调专业角度考虑，针对室内水乐园以上几个特点，空调系统的气流组织在空调设计中尤为重要，对于高大空间，一般采用分层空调的形式，送风口的位置和形式需要同时考虑室内温度场的分布和节能两个方面的因素，钢结构屋面结露问题更为突出。室内涉水面积大，意味着室内空调湿负荷相当可观，室内热湿比远小于常规建筑。如果将空调系统和除湿系统相结合，空调的气流组织对改善室内热湿环境尤为重要，避免干区和湿区互相干扰的情况出现。

通过对不同送风形式对室内温度场的模拟，探讨气流组织对于大空间水世界空调系统效果的影响，从而优化气流组织，达到舒适和节能的目的。

1 几何模型的建立

因为研究对象体型较为复杂，为了更容易确定建筑和风口的相对位置，每小时几何模型简化为立方体：230.0 m×108.0 m×29.8 m。

CFD計算软件充分考虑影响网格划分和网格质量的因素，对于建筑空间先进行网格粗分，然后对空间中速度梯度较大的建筑壁面、门窗洞口和风口位置进行网格加密，HY-CFD通过设置最小细分级数和最大细分级数对建筑表面进行网格加密，通过远场和近场区域对建筑附近进行网格加密，通过门窗位置加密和风口位置加密对门窗和风口位置进行加密。

2 边界条件

空调送风的主要边界有送风口边界、回风口边界和建筑表面边界。在室内设计温度为30℃，相对湿度为70%的设计条件下计算总送风量为860 000 m3/h。送风口设置为速度进口，风口大小为φ630 mm，送风口设计风速8 m/s，冬季工况送风温度为38.5℃，夏季工况送风温度为23.5℃，顶送风口高度为25 m，侧送风口中心高度为10 m，共100个。回风口边界设置为压力边界，大小为1 4000 mm×2 000 mm，底标高1.000 m，共4个。建筑外墙的热边界设置为由室外温度和传热系数组成的第三类边界;地板或者楼板如果有热源设置为恒定热流的第二类边界，如果没有热源设置为绝热边界[1]。

建筑物表面湍动能和湍流耗散率采用壁面函数法进行处理。

湍流动能壁面函数：                                                （1）

湍动能耗散率壁面函数：                                        （2）

其中，εp为边界位置湍流耗散率。

3控制方程及计算方法

空调送风模拟分析需要计算温度，考虑空气密度随温度变化，认为空气是可压缩流体，主要控制方程主要包括连续性方程、动量方程、能量方程和理想气体状态方程。

连续性方程：

（3）

动量方程：

（4）

能量方程：

（5）

其中h为流体比焓，K为流体动能。

气体状态方程：

（6）

其中，M为空气分子量，R为理想气体状态方程常数。

选用standard k-ε湍流模型，控制方程中对流项采用一阶迎风格式，扩散项采用二阶中心差分格式，梯度项采用一阶迎风格式，压力速度耦合算法采用SIMPLE算法。

4 模拟结果分析

4.1 夏季模拟结果分析

图1为夏季工况下风口位置的剖面图，由侧送下回和顶送下回在Z=1.5 m 处的温度场可以看出，人员活动区域截面温度的均匀性顶送方式比侧送方式更好，在相同点处顶送的温度比侧送低些，更加接近设计温度 30℃，部分区域的温度在 29℃左右;侧送方式空间中央人员活动区域温度较高，在31℃左右。出现这种现象的主要原因为顶送时，由于回风口位于下侧，加速了冷空气向下运动，使得冷量能够得到充分利用，而侧送有部分冷空气受热上浮，未能到达人员活动区域，冷空气量部分未得到利用，使得室内温度偏高。为解决这个问题可以在空间中部位置设置送风岛，以使整个区域温度更均匀。温度在高度方向出现分层现象，下面温度低，上面温度高。侧送在高度方向上的温度差在2℃左右，顶送在3℃左右。

由图2夏季工况的速度场可以看出，人员活动区域的速度场顶送下回比侧送下回更均匀，顶送方式在Z=1.5 m处风速在0.09～0.25 m/s之间，侧送下回在Z=1.5 m处风速在0.09～0.32 m/s之间;侧送在回风口区域周围出现了涡流，且涡流的速度较其它区域的大，应避免休息区设置在此处。

4.2 冬季模拟结果分析

图3为冬季工况下风口位置的剖面图，由侧送下回和顶送下回在 Z=1.5 m 处的温度场可以看出，人员活动区域截面温度的均匀性顶送方式比侧送方式更好，但总体上侧送的温度比顶送高些，这是因为冬季送风温度高于室内温度，热空气上浮形成了涡流，这必然使得部分热空气不能够到达人员区域，顶送方式的热空气损失更大一些。虽然侧送也存在部分热空气上升现象，由于回风口位于下侧，加速了热空气向下运动，使得侧送方式人员活动区域温度更高些。温度在高度方向均出现分层现象，但是温度差不大。

由图4冬季工况的速度场可以看出，人员活动区域的速度场顶送下回比侧送下回更均匀，顶送方式在Z=1.5 m处风速在0.07～0.29 m/s之间，侧送下回在Z=1.5 m处风速在0.09～0.34 m/s之间;侧送方式在送风口上部出现了涡流区域。

5 结语

空调全空气系统采用上供下回的送风方式夏季温度场分布更为均匀，侧送下回的送风方式冬季温度场分布更为均匀。但是就室内水乐园的运营特点和人员热舒适度感觉角度而言，冬季对于室内温度更为敏感，因此大空间室内水乐园采用侧送下回的方式对室内温度场的分布更为有利。

参考文献

[1] 陆耀庆.《实用供热空调设计手册》[M].北京：中国建筑工业出版社（第二版），2008.