關于大空間水世界空調氣流組織模擬研究與優化

陳欣 崔娜 趙巖

摘 要：針對目前國內蓬勃發展的室內水樂園特點，通過CFD氣流模擬，對全空氣空調系統不同氣流組織下室內冬夏季溫度分布情況進行了分析，為今后室內水樂園空調形勢的選擇及空調系統的排布設計提供參考。

關鍵詞：室內水樂園;CFD氣流模擬;氣流組織

中圖分類號：TU831? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：2096-6903（2022）09-0094-03

0引言

近年來，隨著國內文旅產業的蓬勃發展，各類室內水樂園類項目在全國各大城市不斷投入建設和運營。室內水樂園項目不同于傳統泳池項目。首先，室內水樂園一般屬于高大空間，常規水樂園凈高在30～35 m之間，且一般為鋼結構屋面;其次，室內水樂園的涉水面積遠大于游泳池的水面面積;再次，水樂園的冬季室內設計溫度一般比游泳池高2℃～3℃;最后，室內水樂園業態復雜，多包括餐飲、休息、商業等多種形式，與傳統泳池單一的泳池區有所區別。

從空調專業角度考慮，針對室內水樂園以上幾個特點，空調系統的氣流組織在空調設計中尤為重要，對于高大空間，一般采用分層空調的形式，送風口的位置和形式需要同時考慮室內溫度場的分布和節能兩個方面的因素，鋼結構屋面結露問題更為突出。室內涉水面積大，意味著室內空調濕負荷相當可觀，室內熱濕比遠小于常規建筑。如果將空調系統和除濕系統相結合，空調的氣流組織對改善室內熱濕環境尤為重要，避免干區和濕區互相干擾的情況出現。

通過對不同送風形式對室內溫度場的模擬，探討氣流組織對于大空間水世界空調系統效果的影響，從而優化氣流組織，達到舒適和節能的目的。

1 幾何模型的建立

因為研究對象體型較為復雜，為了更容易確定建筑和風口的相對位置，每小時幾何模型簡化為立方體：230.0 m×108.0 m×29.8 m。

CFD計算軟件充分考慮影響網格劃分和網格質量的因素，對于建筑空間先進行網格粗分，然后對空間中速度梯度較大的建筑壁面、門窗洞口和風口位置進行網格加密，HY-CFD通過設置最小細分級數和最大細分級數對建筑表面進行網格加密，通過遠場和近場區域對建筑附近進行網格加密，通過門窗位置加密和風口位置加密對門窗和風口位置進行加密。

2 邊界條件

空調送風的主要邊界有送風口邊界、回風口邊界和建筑表面邊界。在室內設計溫度為30℃，相對濕度為70%的設計條件下計算總送風量為860 000 m3/h。送風口設置為速度進口，風口大小為φ630 mm，送風口設計風速8 m/s，冬季工況送風溫度為38.5℃，夏季工況送風溫度為23.5℃，頂送風口高度為25 m，側送風口中心高度為10 m，共100個。回風口邊界設置為壓力邊界，大小為1 4000 mm×2 000 mm，底標高1.000 m，共4個。建筑外墻的熱邊界設置為由室外溫度和傳熱系數組成的第三類邊界;地板或者樓板如果有熱源設置為恒定熱流的第二類邊界，如果沒有熱源設置為絕熱邊界[1]。

建筑物表面湍動能和湍流耗散率采用壁面函數法進行處理。

湍流動能壁面函數：? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

湍動能耗散率壁面函數：? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

其中，εp為邊界位置湍流耗散率。

3控制方程及計算方法

空調送風模擬分析需要計算溫度，考慮空氣密度隨溫度變化，認為空氣是可壓縮流體，主要控制方程主要包括連續性方程、動量方程、能量方程和理想氣體狀態方程。

連續性方程：

（3）

動量方程：

（4）

能量方程：

（5）

其中h為流體比焓，K為流體動能。

氣體狀態方程：

（6）

其中，M為空氣分子量，R為理想氣體狀態方程常數。

選用standard k-ε湍流模型，控制方程中對流項采用一階迎風格式，擴散項采用二階中心差分格式，梯度項采用一階迎風格式，壓力速度耦合算法采用SIMPLE算法。

4 模擬結果分析

4.1 夏季模擬結果分析

圖1為夏季工況下風口位置的剖面圖，由側送下回和頂送下回在Z=1.5 m 處的溫度場可以看出，人員活動區域截面溫度的均勻性頂送方式比側送方式更好，在相同點處頂送的溫度比側送低些，更加接近設計溫度 30℃，部分區域的溫度在 29℃左右;側送方式空間中央人員活動區域溫度較高，在31℃左右。出現這種現象的主要原因為頂送時，由于回風口位于下側，加速了冷空氣向下運動，使得冷量能夠得到充分利用，而側送有部分冷空氣受熱上浮，未能到達人員活動區域，冷空氣量部分未得到利用，使得室內溫度偏高。為解決這個問題可以在空間中部位置設置送風島，以使整個區域溫度更均勻。溫度在高度方向出現分層現象，下面溫度低，上面溫度高。側送在高度方向上的溫度差在2℃左右，頂送在3℃左右。

由圖2夏季工況的速度場可以看出，人員活動區域的速度場頂送下回比側送下回更均勻，頂送方式在Z=1.5 m處風速在0.09～0.25 m/s之間，側送下回在Z=1.5 m處風速在0.09～0.32 m/s之間;側送在回風口區域周圍出現了渦流，且渦流的速度較其它區域的大，應避免休息區設置在此處。

4.2 冬季模擬結果分析

圖3為冬季工況下風口位置的剖面圖，由側送下回和頂送下回在 Z=1.5 m 處的溫度場可以看出，人員活動區域截面溫度的均勻性頂送方式比側送方式更好，但總體上側送的溫度比頂送高些，這是因為冬季送風溫度高于室內溫度，熱空氣上浮形成了渦流，這必然使得部分熱空氣不能夠到達人員區域，頂送方式的熱空氣損失更大一些。雖然側送也存在部分熱空氣上升現象，由于回風口位于下側，加速了熱空氣向下運動，使得側送方式人員活動區域溫度更高些。溫度在高度方向均出現分層現象，但是溫度差不大。

由圖4冬季工況的速度場可以看出，人員活動區域的速度場頂送下回比側送下回更均勻，頂送方式在Z=1.5 m處風速在0.07～0.29 m/s之間，側送下回在Z=1.5 m處風速在0.09～0.34 m/s之間;側送方式在送風口上部出現了渦流區域。

5 結語

空調全空氣系統采用上供下回的送風方式夏季溫度場分布更為均勻，側送下回的送風方式冬季溫度場分布更為均勻。但是就室內水樂園的運營特點和人員熱舒適度感覺角度而言，冬季對于室內溫度更為敏感，因此大空間室內水樂園采用側送下回的方式對室內溫度場的分布更為有利。

參考文獻

[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（第二版），2008.