某調度大廳氣流組織及熱環境模擬分析

摘要：針對目前鐵路調度樓調度大廳室內熱環境要求較高，對調度大廳室內氣流組織采用CFD軟件進行模擬，通過對兩種方案比較，得出最佳送回風形式，從而為類似工程提供參考。

關鍵詞：CFD；氣流組織；熱環境

1.項目簡介：

某調度樓共有11層，其中十一層為調度大廳。大廳面積約890㎡，送風口高度確定為5.5m，送風口配合裝修要求，采用雙層百葉風口送風。

此次研究以國內主流CFD軟件[1]PHOENICS作為分析工具，該軟件開發的FLAIR模塊是針對暖通空調系統（HVAC）專門開發的CFD計算模塊。用來預測建筑物或封閉空間中的空氣流動、溫度分布、熱舒適評價等具有較好的準確度。

2.設計要求及邊界條件

2.1 設計要求

調度大廳要求24小時辦公，對室內熱舒適度要求較高。

溫濕度滿足我國規范[2]要求：溫度為24～26（℃）、風速≤0.25（m/s）、相對濕度40～60（%）。

熱舒適度等級滿足我國規范[3]要求：-0.5≤PMV≤0.5、PPD≤10%。

2.2 初始邊界條件

（1）送風參數及送回風形式

送風口尺寸：風口采用雙層百葉，800×600mm；送回風形式為上送側回。

（2）熱源設定

人員散濕量96g/h，散熱量134W，人員68人，室內總負荷202.6kW，濕負荷0.0018kg/s，圍護結構冷指標見表2.2-1。

表2.2-1 圍護結構冷指標

熱源位置顯熱量冷負荷指標

東北外墻4.684kW5.00W/m2

西南外墻1.476kW1.58W/m2

東南外墻8.936kW9.54W/m2

屋頂7.292kW7.78W/m2

（3）CO2濃度的設定

設定大氣環境中CO2背景濃度為385ppm，人員呼吸產生的CO2為0.01g/（人·s），整個調度大廳共計68人，新風量為6800m3/h。

（4）模型尺寸

調度大廳模型尺寸：L×W×H=43m×21.8m×5.5m；CFD模型如圖2.2-1所示。

圖2.2-1 調度大廳CFD模型

2.3 研究流程

此次對室內熱環境的研究思路如圖2.3-1所示：

圖2.3-1 研究流程圖

2.4 各方案邊界條件簡介

各方案邊界條件調整如下。

初始方案：根據以上邊界條件進行模擬分析，采用上送側回形式，其中室內風口布置如下圖3.1-1，風口的送風溫度為16℃，風速為0.63m/s，模擬結果如下圖3.1-2所示。

上送側回的改進方案：根據初始方案的計算結果，此次方案中將內墻側風口數量減少，風口總量變為77個，風口的送風溫度為16℃，風口尺寸為800x600mm；室內最初設計溫度為24～26℃，根據熱平衡進行計算，將送風速度設為1.1m/s；

上送上回方案的對比分析：由于初設方案已經基本能夠滿足設計要求，此次計算以初始方案的風口布置為基礎，將回風口置于房間頂部與初始方案進行對比計算，送風口布置及數量保持不變，風口的送風溫度為16℃。

3.室內溫度及風速分析

3.1 初始方案

根據以上邊界條件進行模擬分析，其中室內風口布置如下圖3.1-1所示，風口的送風溫度為16℃，風速為0.63m/s，模擬結果如下圖3.1-2所示。

圖3.1-1 初始方案空調送風口布置 圖3.1-2 1.0m高度溫度分布

從圖3.2-1模擬結果可以看出，此方案室內溫度場均勻性基本能夠滿足要求，但中間區域溫度仍偏高，約在29℃左右。

3.2 上送側回的改進方案

根據初始方案的計算結果，此次方案中將內墻側風口數量減少，風口總量變為77個，風口的送風溫度為16℃，風口尺寸為800x600mm，如下圖3.2-1所示；室內最初設計溫度為24～26℃，根據熱平衡進行計算，將送風速度設為1.1m/s；

改進方案計算結果如下圖3.2-2～3.2-4所示：

圖3.2-1 風口布置 圖3.2-2 1.0m高度溫度分布

圖3.2-3 調度大廳豎直溫度分布一 圖3.2-4 調度大廳豎直溫度分布二

溫度計算結果表明，對送風口數量及送風速度進行調整后，調度大廳的溫度場已經能夠滿足設計要求，調度人員座位附近溫度基本維持在24～25℃之間。

室內風速分布如下圖3.2-5所示：

圖3.2-5 1.0m高度風速分布

人員活動區大部位區域風速在0.2～0.46m/s左右，略高于設計要求中關于風速的要求。

3.3 上送上回方案的對比分析

由于改進方案已經基本能夠滿足設計要求，此次計算改進方案的風口布置為基礎，將回風口置于房間頂部與改進方案進行對比計算，送風口布置及數量保持不變，風口的送風溫度為16℃，風口布置如下圖3.3-1所示。

圖3.3-1 上送上回方案風口布置 圖3.3-2 1.0m高度溫度分布

圖3.3-3 豎直溫度分布一 圖3.3-4 豎直溫度分布二

由圖3.3-2～3.3-4所示，改變回風口位置后，調度大廳的溫度場分布更加均勻，區域溫差有所減小，人員座位區域基本維持在24℃；過道及靠近內墻區域溫度偏低，約為22℃。

室內風速分布如下圖3.3-5所示：

圖3.3-5 1.0m高度風速分布

人員活動區大部位區域風速在0.03～0.25m/s左右，基本滿足設計要求中關于風速的要求。

由此可見，上送上回方案要優于上送側回方案。

4.室內熱舒適評價

丹麥學者Fanger提出用PMV-PPD指標以及美國ASHRAE采用的有效溫度ET*指標來衡量室內的熱舒適狀況[4]。

PMV指標預計了大多數人群在同樣環境下的平均熱感覺。但是由于個體的差異，不可能存在某中任何人都感覺舒適的熱環境。為了確定不舒適的人數，Fanger用PPD（預計不滿意百分比）來描述。

4.1 初始方案

室內人員采用坐姿時，活動高度處PMV、PPD分布如下圖4.1-1、圖4.1-2所示：

圖4.1-1 1.0m高度PMV分布 圖4.1-2 1.0m高度PPD分布

從以上模擬結果可以看出，室內溫度場均勻性基本滿足要求，但PMV值仍有部分區域超過了0.5，故該方案仍需進一步改進。

4.2 上送側回的改進方案

活動高度處PMV、PPD分布如下圖4.2-1、圖4.2-2所示：

圖4.2-1 1.0m高度PMV分布 圖4.2-2 1.0m高度PPD分布

從以上模擬結果可知，人員主要活動區域PMV值基本能夠滿足-0.5≤PMV≤0.5的要求，風口正下方PPD不滿意率高于其他區域，但由于風口布置錯開了人員座位，故主要人員活動區域PPD≤10%。基本滿足設計要求中的規定，但仍有少量人員活動區域PPD達到了15%。此時，該區域CO2濃度如下圖4.2-3所示。

圖4.2-3 1.0m高度CO2分布

各區域CO2濃度變化不大，基本保持在640ppm～700ppm之間，滿足室內人員衛生標準要求。

可見，改進方案較初始方案有了提高，人員主要逗留區域風速略高于設計標準要求，部分區域PPD大于10%，但已經基本能夠滿足設計要求。

4.3 上送上回方案的對比分析

活動高度處PMV、PPD分布如下圖4.3-1、圖4.3-2所示：

圖4.3-1 1.0m高度PMV分布 圖4.3-2 1.0m高度PPD分布

從以上模擬結構可知，人員主要活動區域PMV值在0.17～-0.37之間，基本能夠滿-0.5≤PMV≤0.5的要求，風口正下方PPD不滿意率高于其他區域，但主要人員活動區域PPD≤10%。滿足設計要求中的有關規定。此時，該區域CO2濃度如下圖4.2-3所示。

圖4.2-3 人員活動區高度CO2分布

各區域CO2濃度變化不大，基本保持在520ppm～720ppm之間，滿足室內人員衛生標準要求。

綜合PMV-PPD和CO2濃度場的結果，上送上回方案要優于上送側回方案。

5.研究結論

調度所調度大廳屬于對空氣環境要求高且24h 工作的場所，通過對不同風口布置及不同風口數量情況下的室內溫度場、速度場、PMV-PPD和CO2濃度場進行模擬分析，得出以下結論：

1.設計中充分考慮了人員所需新風量，設計值100m3/h·人能較好的改善室內空氣質量，室內穩定狀態時CO2人員活動區最高濃度在720ppm以下，滿足設計規范[5]中CO2濃度小于1000ppm中規定的的標準。

2.計算中對風口的尺寸、布置及數量進行了對比分析，結果表明，采用百葉風口時，宜采用較多風口數量，風口尺寸應較大以降低風速（降低氣流噪聲），滿足人員活動區風速要求。最優方案中，確定送風口尺寸為800mm x 600mm，送風風速為1.1m/s，負荷較大的外側區域送風口宜保證每個座位一個送風口，內側區域負荷較小，可適當減少風口數量以保證溫度場的均勻性。

3.從溫度場的均勻性、室內風速、PMV-PPD和CO2濃度場等指標來看，通過采用上送上回與上送側回方案對比分析可知，采用上送上回方案時，十一層調度大廳室內環境均能滿足要求，故確定上送上回方案為最終空調方案。

參考文獻：

[1] 王福軍.計算流體動力學分析—CFD軟件原理與應用.北京：清華大學出版社，2005

[2] 《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》GB50736-2012

[3] 《中等熱環境 PMV 和PPD 指數的測定及熱舒適條件的規定》GB/T 18049

[4] 朱穎心.建筑環境學.北京：中國建筑工業出版社，2005

[5] 《室內空氣質量標準》GB/T 18883-2002