基于 Fluent 的某超市空調工況下室內氣流組織模擬

丁偉翔 劉秀會 金羽佳

浙江聯泰建筑節能科技有限公司

0 引言

氣流組織是空氣調節中的一個重要環節，關系著房間人員活動區的溫濕度參數，精度及區域溫差。合理的室內氣流組織不但可以消除給人體帶來不適的余熱余濕，創造良好的室內環境，還能在一定程度上降低建筑能耗[1]。空調房間內不同的氣流組織會形成不同的速度場、溫度場，進而影響房間空調系統效果。

通過計算流體力學方法對室內環境進行仿真模擬，對于指導空調設計，改進設計缺陷具有重要作用。本文采用gambit軟件建立物理模型及劃分網格，運用Fluent軟件對超市夏、冬季空調環境進行了氣流組織模擬，最后通過tecplot軟件分析了超市典型截面的速度場與溫度場，判斷在本項目超市現有設計基礎上室內空調工況的效果是否能夠達到舒適要求，為超市室內熱環境研究、空調通風設計及運行調節等提供參考。

1 項目概況

本工程項目位于江蘇省溧陽市，屬于夏熱冬冷地區。超市（如圖1所示）位于某商業廣場中第二層的南部。超市建筑面積為5300 m2，層高為5.3 m。室內設計人數為2104人，設計新風量為42080 m3/h。超市空調計算冷負荷為825 kW，冷指標為150 W/m2；空調計算熱負荷為330 kW，熱 指標為60 W/m2。

圖1 超市平面圖及空調末端風口布置平面圖

2 空調系統簡介

2.1 冷熱源

超市冷源系統設計采用2臺制冷量為430 kW風冷熱泵機組，冷 水溫度7/12 ℃，冷水流量73.8 m3/h。熱源系統設計采用2臺制熱量為330 KW的風冷熱泵機組，熱 水溫度45/40 ℃，熱水流量56 m3/h。

2.2 輸配系統形式

超市的空調水系統為一級泵變水量系統，水泵根據負荷變化自動變頻變流量運行。風冷熱泵機組和空調水泵采用一對一的連接方式，設一臺備用泵。空調機組的送風機均采用變頻控制以節省運行電耗。

2.3 空調系統末端形式

超市采用單風機全空氣系統，空調區域采用上送上回的氣流組織形式。全空氣系統采用組合式空氣處理機組，安裝于空調機房內，室內回風與室外新風混合后經組合式空氣處理機組處理后，在風機作用下由均勻布置在室內的方形散流器送入空調區域，方形散流器送風口均自帶手動調節閥。超市的散流器送風后，由集中回風與排風維持室內壓力平衡。所有空調系統不由吊頂內回風，空調機組統一進行回風，回風口與空調機組間設風管連接。

3 室內外空調設計參數

表1為溧陽市空調（采暖）室外計算氣象參數，表2為該超市空調（采暖）室內設計參數。

表1 溧陽市空調（采暖）室外計算氣象參數

表2 超市空調（采暖）室內設計參數

4 分析依據及評價標準

按照《綠色建筑評價標準》G B/T50378-2014中的室內環境質量對本項目進行評價。采用集中供暖空調系統的建筑，房間內的溫度、濕度、新風量等設計參數應符合現行國家標準《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》G B50736-2012的第3.0.2條，人員長期逗留區域空調室內設計參數應符合表3規定[2]。

表3 舒適性空調室內設計參數

5 空調工況室內氣流組織模擬

5.1 物理模型

本文根據建筑平面圖及暖通設計建立超市空調熱環境三維簡化模型如圖2所示：房間區域呈多邊形，其中北、東、西向為內墻，南向為外墻，模型中房間及風口的幾何尺寸皆按實際尺寸設置。從建筑室內空調末端平面布置圖可以看出：本層風管管底標高為+3.75 m。燈高度為位置為+4 m。超市采用上送上回的氣流組織形式，散流器送風口的布置平均間距為4.2 m。

圖2 超市三維房間簡化模型

5.2 數學模型

為了對該問題進行簡化，本文做出如下假設：超市室內空氣為不可壓縮流體，忽略因流體粘性力做功引起熱量變化且符合Bossinessq假設。空調送風為穩態湍流流動。忽略固體壁面間的熱輻射。室內空氣為輻射透明介質。不考慮門、窗漏風的影響，認為室內氣密性良好。

速度與壓力耦合采用SIMPLE算法。模擬中湍流模型選用標準K-ε雙方程求解超市空調通風狀況，該模型已經得到了大量工程應用的驗證，可靠性高[3]。

5.3 邊界條件的設置

數值模擬過程中邊界條件的設定非常重要，關系到解的合理性和收斂性，所以在模擬的過程中應盡量接近實際狀態。

根據超市的暖通設計進行以下參數設置：南外墻假設為穩態等溫邊界，按照夏季室外空調計算溫度34.6 ℃給定，冬季為-3.5 ℃。其余內墻均為內隔墻，由于臨室也為空調房間，故可忽略由于溫差傳熱而引起的熱量傳遞，均 可假設為絕熱邊界，地面也為絕熱邊界條件。三面南窗（1200 mm×1200 mm）作為超市的外窗，由于相較于房間空間面積較小，所引起的負荷小，可忽略不計。

方形散流器（總個數為221）位于房間上部，尺寸均為250 mm×250 mm，設置為速度入口邊界條件，夏季送風溫度為18 ℃，送風風速為3 m/s。冬季送風溫度為30℃，送風風速為1.5 m/s。排風口與回風口的尺寸均為1200 mm×1200 mm，設置為出口邊界。燈光負荷設置于房間上部，均勻分布為10 W/m2。人員與設備負荷位于房間下部，人體散熱量按 138 W/人計算為54.78 W/m（2超市設計人數為2104 人，模擬按照最大負荷工況進行），設備負荷為10 W/m2，在該模型中假設兩種熱量均勻地平鋪在超市地板表面，合計均勻分布為64.78 W/m2。

表4 超市簡化模型邊界條件的設置

5.4 網格劃分及相關參數設置

網格的質量直接決定了計算的精度和結果，對超市模型采用非結構四面體網格進行了劃分，其中對送風口，回風口與排風口等溫度，速度梯度較大的地方進行了局部網格加密，如圖3所示。模型總體網格數為814673。

圖3 風口處加密網格放大圖（局部）

采用二階迎風格式對控制方程進行離散，其中連續性方程與動量方程的殘差小于10-3，能量方程的殘差小于10-6。

在影響人體熱舒適性的環境因素中，溫度和速度是與氣流組織密切相關的兩個重要參數，室內空氣的溫度場與速度場是研究及評價空調房間內氣流組織的基礎[4]。室內熱環境模擬選取離地面1.5 m人行高度處為分析面，得出超市室內溫度、風速的分布圖并進行分析。

6 模擬結果及分析

6.1 溫度場模擬結果及分析

圖4為夏季超市地面上1.5 m 處的溫度分布，可以看出室內人員活動區溫度分布較為均勻，大致處于24.5～27.5℃之間，符合超市夏季空調設計溫度要求。送風口正下方受冷氣流的影響溫度相對較低，超市部分角落處受氣流的影響較小使得溫度較高，靠近外墻處由于受到外界氣溫的影響使得溫度較高，但 影響人群主要活動區域。

圖4 夏季超市室內1.5 m處溫度分布云圖

圖5 為冬季超市地面上 1.5 m 處的溫度分布，可以看出室內人員活動區溫度分布較為均勻，大致處于17.5 ℃～20.5 ℃之間，符合超市冬季空調設計溫度要求。與夏季不同的是，在冬季時，燈光、人員及設備所產生的熱量能夠起到減小熱負荷的效果。靠近外墻處及部分角落處由于受到外界氣溫的影響溫度較低，但不影響人群主要活動區域。

圖5 冬季超市室內1.5 m處溫度分布云圖

6.2 速度場模擬結果及分析

圖6為超市夏季地面上1.5 m 處速度分布圖，由圖可以看出在人員活動范圍內送風氣流分布均勻，除了送風口正下方的少部分區域氣流相對較強且風速較高外，其余大部分區域的風速均小于 0.3m/s，超市室內人員不會有強烈的吹風感，滿足人體夏季吹風感的舒適度要求。

圖6 夏季超市室內1.5 m處風速分布云圖

圖7 為超市冬季地面上 1.5 m 處速度分布圖中，可以看出在人員活動范圍內送風氣流分布均勻，由于冬季熱風的密度小，浮 升力作用明顯，在超市區域內形成的氣流流速較低，滿足冬季室內不大于0.2 m/s的風速限值要求，不會使人體產生吹風感。在圖中回/排風口正下方，由于集中回/排風量大的原因使得該處的風速相對較大，但不會影響人員主要活動區域。

圖7 冬季超市室內1.5 m處風速分布云圖

6.3 測點分析

為了更加準確地了解超市內主要位置的熱環境參數。如圖8所示，本文在區域內1.5 m平面處均勻地選取10個測點，分別得出了這些測點的模擬溫度與速度值。

圖8 超市室內1.5 m平面處的模擬測點分布

圖9 超市室內1.5 m平面處模擬測點溫度與速度值曲線

從圖 9 可以看出，在夏季工況時，超市內部主要位置的溫度分布大致波動于25.2～27.2℃，風速范圍在0.12～0.25 m/s，兩者均處于人體舒適范圍內；從圖 9可以看出，在冬季工況時，超市內部主要位置的溫度分布大致波動于 17.4～19.9 ℃，風速范圍在0.02～0.12 m/s，兩者均處于人體舒適范圍內。

7 結論

本文采用計算流體力學軟件Fluent，對超市夏季與冬季的室內熱環境進行了模擬計算，通過對室內人員主要活動區域的溫度、風速進行分析，得出了以下結論：

1）超市室內氣流分布均勻，夏季人員活動區域的溫度基本處于 24.5～27.5 ℃之間，風速基本處于0.3 m/s以下；冬季溫度基本處于 17.5～20.5 ℃之間，風速基本處于 0.2 m/s 以下，滿足國家標準 《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》 GB50736-2012 第3.0.2 條室內設計參數的要求。因此，項目空調系統設計選型合理，送回風口布置合理，從送風口吹出的氣流在超市內能形成良好的回流，使室內人員達到良好的舒適感，室內氣流組織滿足熱環境參數設計標準要求。

2）超市內部分角落處由于送風氣流循環較弱的原因，與主要區域的熱環境參數存在差異，然而此處并非室內人員主要活動區域。結合溫度、風速分布，可以考慮在這些地方合理布置超市內貨架及其他設備。