纖維風管應用于小型超市的數值模擬研究

周小蓓 符永正

武漢科技大學城市建設學院

纖維風管應用于小型超市的數值模擬研究

周小蓓 符永正

武漢科技大學城市建設學院

針對某大型建筑內的小型超市，進行了纖維風管送風和散流器送風兩種情況下氣流組織的數值模擬。結果表明采用纖維風管垂直于貨架布置的送風方式能有效避免貨架對氣流的阻擋，使氣流順利到達工作區，增強了超市空間溫度和風速的均勻性。

纖維風管小型超市速度分布溫度分布數值模擬

0 引言

纖維風管（也稱布袋風管）送風是一種新型的送風方式。這種送風方式通過整個管壁的纖維縫隙或經過設計的多排條縫或小孔出風，具有較大的出風面積，且構成立體送風，因而，與傳統的送風方式比較，能夠使工作區獲得更為均勻的風速分布和溫度分布。對于采用中央空調的大型建筑內的小型超市，若采用傳統的散流器送風往往使氣流受到超市貨架的阻擋，射流難以達到指定的送風區域，而纖維風管則因具有以上優勢成為較為理想的送風方式。本文以一個大型建筑內的小型超市為對象，采用數值模擬的方法，分析纖維風管的送風特性，以及室內風速分布和溫度分布，并與散流器送風方式進行比較。

1 物理模型

1.1 建筑概況

該小型超市的尺寸為10m×7m×3.6m（長×寬×高），雙排貨架尺寸為4.35m×0.8m×2m（長×寬×高）。具體位置如圖1所示。

1.2 冷負荷、濕負荷及送風量

模擬空間的冷負荷指標選取210W/m2[1,2]，估算該區域夏季空調冷負荷為14.7kW。超市人員密度假設為3m2/人，據此得到房間總人數為24人，人員散濕量為184g/(h·人)。根據舒適度的要求，夏季室內設計溫度為26±1℃，送風溫差為8℃，相對濕度為60%，設計風速小于0.3m/s，計算得到系統的送風量為2800m3/h。

2 數值模擬的數學模型

2.1 氣流組織方案

針對三種不同氣流組織方案進行計算對比分析：

方案A：如圖2所示，在貨架上部兩根纖維風管與貨架垂直布置。除了纖維風管管壁的滲透送風外，在風管的下側有兩排條縫送風，兩排條縫的出風方向與指向地心的垂直方向成30°角。風管直徑為457mm，風管底部距離地面的高度為3m，風管間距3.5m，風管中心線距離Y軸1.75m。在側墻X=0m上布置兩個回風口，尺寸為550mm×370mm（寬×高），回風口下緣距離地面0.15m，風口間距為4m，風口邊緣距Y軸3m。

方案B：如圖3所示，在貨架上部兩根纖維風管與貨架平行布置。風管尺寸、出風方式、安裝標高以及回風口布置與方案A相同。風管間距4m，風管中心線距Y軸3m。

方案C：如圖4所示，在貨架上部布置4個散流器，散流器尺寸為250mm×250mm，X向間距3.5m，Z向間距5m，風口下緣距地板高度為3m。回風口的布置與方案A、B相同。

2.2 湍流模型及邊界條件

湍流模型采用標準K-ε雙方程模型。室內負荷均勻分布于墻壁及地面上，地面的熱流量取30W/m2，墻壁熱流量取19W/m2[1，4，5]；近壁處采用標準壁面函數法來消除標準湍流模型的局限性；各模型送風溫度相同，均為18℃。

3 數值模擬結果及分析

3.1 速度場及溫度場模擬效果圖分析

圖5為方案A截面X=1.75m的速度分布。可以看出，截面風速在0.1～0.3m/s之間，風速比較均勻，符合室內舒適性要求。這是由于纖維風管既有滲透送風，又有條縫送風，有較大的送風面積；同時，纖維風管與貨架垂直布置，送風經風管上開設的條縫沿程送出，一定程度上減弱了貨架對送風的阻擋作用，使冷風可以順利到達工作區。

圖6 為截面X=1.75m的溫度分布，可以看出纖維風管由于其材質具有滲透性，管壁周圍因冷風滲透作用而出現低溫層，風管下方溫度分布在25～26℃。由于墻壁產生定熱流量的負荷，臨近墻壁的室內空間溫度比其他區域稍高，為27℃以上。總體來看，截面溫度分布比較均勻，垂直方向上溫度梯度較小。可見采用方案A送風時，室內氣流組織較好。

圖7 為方案B截面X=1.75m的速度分布。可以看出，速度場在截面內存在兩個風速較大的區域，同圖5相比，纖維風管正下方區域內風速較高，由于纖維風管與貨架平行布置，貨架對射流產生一定的阻擋，受遮擋區域內風速則較低。圖8為該截面溫度分布圖，可以看出該送風方式下溫度分布特性和方案A相似，截面內溫度比較均勻，變化平緩，溫度梯度較小。

圖9 為方案C截面X=1.75m的速度分布圖。可以看出，截面整體風速偏低，室內部分區域風速明顯過大，風速過大點位于散流器下部區域。在該區域內，人體會有明顯的吹風感。由于貨架對送風的阻擋作用，中間區域風速基本為零，在該區間內人員無風感。同圖5相比，截面風速場均勻性降低。圖10為該截面溫度分布圖，可以看出，截面內存在幾個溫度稍低的區域，同圖6纖維風管送風相比，該截面整體溫度較高，最高溫度和最低溫度的差值較大。由此可見，對于超市場所，在相同送風量條件下，采用纖維風管送風方式可以獲得更好的氣流組織效果。

3.2 流場不均勻系數的比較

為了更直觀地比較三種方案下室內流場的均勻性，采用不均勻系數法[6]評價空調房間的氣流組織狀況。提取多個點的溫度和風速，求其算術平均值為

均方根偏差為

溫度不均勻系數kt和速度不均勻系數ku分別為

式（1）～（3）中：t、u為溫度、速度的算術平均值；n為測點個數；σt、σu為溫度、速度均方根偏差。

由于工作區域屬于對稱區域，同時纖維風管、散流器也對稱布置。因此只需提取如下區域（0≤X≤7m，0≤Z≤5m，0≤Y≤2m）的模擬值，即可反映整個活動區的氣流組織狀況。在Y=0.5m，Y=1.0m，Y=1.5m三個不同截面內均布多個測點。圖11為測點布置平面圖：

得出各方案不均勻系數為：方案A（kt=0.001，ku= 0.14）；方案B（kt=0.001，ku=0.27）；方案C（kt=0.002，ku= 0.60）。

分析三種送風方式的計算結果可得：方案A、方案B送風溫度不均勻系數、速度不均勻系數均大于方案C。可見采用散流器送風時室內風速的變化較大，氣流混合不夠充分，導致溫度分布不均勻，局部溫度過高。方案A溫度不均勻系數、速度不均勻系數最小，室內風速分布均勻，氣流混合充分，熱交換充足，因而溫度分布較為均勻，氣流組織效果最好；方案B送風受貨架一定的阻擋，效果次之；方案C則較差。

4 結論

對于大型建筑內的小型超市，采用傳統的散流器送風，送風氣流容易受到貨架的阻擋，造成超市各區域風速分布不均勻，影響舒適度。采用纖維風管垂直于貨架布置送風則可以有效避免貨架對氣流的阻擋，使氣流順利到達工作區，避免送風死角，從而改善人員活動區溫度和風速分布不均的現象，在相同送風量前提下，有更好的氣流組織效果。

[1]陸耀慶.實用供熱空調設計手冊[M].北京:中國建筑工業出版社,2004

[2]采暖通風與空氣調節設計規范(GB50019-2003)[S].2003

[3]龍從勇.布袋送風特性研究及其在大空間建筑中的應用[D].上海:上海理工大學,2008

[4]王福軍.計算流體動力學分析-CFD軟件原理與應用[M].北京:清華大學出版社,2004

[5]李偉光.纖維空氣分布系統送風特性研究[D].武漢:華中科技大學,2006

[6]黃翔.空調工程[M].北京:機械工業出版社,2006

Resea rc h on Num e ric a l Sim u la tion o f Fab ric Du c ts Ap p lied in a Sm a ll Supe rm a rke t

ZHOU Xiao-bei,FU Yong-zheng Schoolof Urban Construction,Wuhan University of Scienceand Technology

Take a small supermarket in a large building for example,simulated the indoor air distribution situation which employs two kinds of air supplyingmodes:fabric ducts and air diffuser respectively.The results show that it can effectively avoid the shelves on airflow of the blocks in themode that the fabric ducts are perpendicular to the blocks, making airflow arrive theworkspace smoothly,and enhancing the uniform ity of temperature and velocity in supermarket area.

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1003-0344（2014）03-070-4

2013-5-3

周小蓓（1989～），女，碩士研究生；武漢市洪山區雄楚大道199號武漢科技大學（430070）；E-mail:zhouxiaobeiei@163.com