空調(diào)房間的氣流組織直接影響到建筑的通風(fēng)空調(diào)效果,借助CFD軟件可以模擬房間內(nèi)的空氣分布詳細(xì)情況，從而更好的指導(dǎo)設(shè)計。本文利用CFD軟件分別對某建筑復(fù)雜中庭的冬、夏季工況下的氣流組織進(jìn)行模擬，并對模擬結(jié)果進(jìn)行了分析，提出了合理的空調(diào)風(fēng)口布置方案。

1.概況

本項(xiàng)目裙房部分地上層數(shù)西側(cè)為四層，東側(cè)為6層，功能為商業(yè)，包含商業(yè)、影院及餐飲；地下4層，其中地下三四層為車庫及設(shè)備用房，其中地下四層一部分為六級人防，戰(zhàn)時功能為人員掩蔽及物資庫，地下一二層為商業(yè)，包含餐飲、超市，總深度為-22.2米。

考慮到建筑的商業(yè)中庭的空間較大，由一層至六層，且三個中庭相通，中庭頂部和六層中庭頂部側(cè)邊全部采用玻璃幕墻，夏季高輻射強(qiáng)度模式時，及冬季煙囪效應(yīng)影響，其空調(diào)設(shè)計的人員舒適性不容易滿足設(shè)計要求，所以我司針對商業(yè)中庭的空調(diào)系統(tǒng)，進(jìn)行了CFD流體模擬分析。

2.分析方法

2.1分析目的

根據(jù)目前施工圖的中庭空調(diào)設(shè)計，通過CFD 軟件模擬，商業(yè)中庭在空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行期間，確認(rèn)室內(nèi)環(huán)境是否滿足人員的熱舒適性要求并提出優(yōu)化設(shè)計。

2.2分析軟件介紹

隨著計算機(jī)軟硬件的發(fā)展，大型商業(yè)化CFD（Computational Fluid Dynamics）軟件的開發(fā)，使流體對流傳熱數(shù)值模擬得到了越來越普遍的應(yīng)用。

目前，利用CFD進(jìn)行模擬正逐步成為了解建筑內(nèi)部流動和傳熱狀況的重要手段。通過這種數(shù)值試驗(yàn)可以充分認(rèn)識流動和溫度分布規(guī)律，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，并且可以大幅減少實(shí)驗(yàn)研究工作量。如果能采用數(shù)值模擬的方法，計算出建筑內(nèi)部流場和溫度分布，預(yù)先得出各項(xiàng)性能指標(biāo)，再反復(fù)改變各項(xiàng)參數(shù)及空調(diào)邊界條件，如送回風(fēng)口的位置及送回風(fēng)溫度等，最終得到性能較好的設(shè)計，就可以減少開模費(fèi)用，降低生產(chǎn)成本，具有顯著的經(jīng)濟(jì)意義。目前應(yīng)用較多的CFD商用軟件有 ANSYS FLUENT、PHOENICS、ICEPAK、STAR-CD等。

2.3分析步驟

利用三維建模軟件建立商業(yè)中庭立體模型，將三維模型導(dǎo)入網(wǎng)格劃分軟件，劃分網(wǎng)格，并對風(fēng)口等邊界條件處進(jìn)行網(wǎng)格加密，以確保模擬計算的精度。

設(shè)定邊界條件，在該模型中分別：根據(jù)設(shè)計院的施工圖設(shè)計方案，在模擬模型中對內(nèi)部風(fēng)口進(jìn)行布置，建立風(fēng)口邊界條件。

將生成的網(wǎng)格模型導(dǎo)入CFD軟件，根據(jù)當(dāng)?shù)氐氖彝鈿庀髤?shù)，在此空調(diào)系統(tǒng)中，設(shè)置邊界條件，建立湍流、輻射模型、分析方法等。設(shè)定夏季室外空調(diào)設(shè)計溫度，空調(diào)系統(tǒng)對應(yīng)的參數(shù)，如風(fēng)口的送風(fēng)風(fēng)速、溫度等參數(shù)，太陽輻射等室外設(shè)計參數(shù)。

模擬計算得出該空調(diào)系統(tǒng)在各工況下的速度場、溫度場分布情況，經(jīng)過反復(fù)的驗(yàn)算，根據(jù)不同的送風(fēng)風(fēng)速和熱流密度等，找出合理的設(shè)備及末端配置，從熱舒適角度提出該空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計運(yùn)行參數(shù)。

圖1.中庭氣流組織數(shù)值模擬思路

3.CFD模擬參數(shù)及物理模型

3.1 夏季室外設(shè)計參數(shù)

當(dāng)?shù)厥彝鈿庀髤?shù) —— 來自《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》

夏季：

空調(diào)室外計算干球溫度 33.5℃

空調(diào)室外計算濕球溫度 26.4℃

通風(fēng)室外計算溫度 29.7℃

室外平均風(fēng)速 2.1m/s

通風(fēng)室外計算相對濕度 61%

大氣壓力 1000.2hPa

冬季：

空調(diào)室外計算干球溫度 -9.9℃

空調(diào)室外計算相對濕度 44%

供暖室外計算干球溫度 -7.6℃

通風(fēng)室外計算溫度 -3.6℃

大氣壓力 1021.7hPa

注：以上圖表數(shù)據(jù)選自《中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集》，數(shù)據(jù)集以氣象資料室收集的全國270個地面氣象臺站1971年~2003年的實(shí)測氣象數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)。

表1 室內(nèi)設(shè)計參數(shù)

3.2 商業(yè)中庭物理模型

由于本項(xiàng)目商業(yè)中庭空間較大，為三個不規(guī)則形狀中庭的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，模擬時網(wǎng)格數(shù)目較多，故對物理模型進(jìn)行了簡化，對西側(cè)兩個大中庭（見下圖紅色線框）及每層相連通的走廊共同圍合成的一個商業(yè)空間，進(jìn)行CFD模擬（東側(cè)小中庭邊界條件與之相似，結(jié)論參考西側(cè)大中庭）。與根據(jù)實(shí)際建筑建立的物理模型如圖3所示。

圖1.中庭的平面圖（首層）

圖2.中庭的三維模型

圖3.中庭的網(wǎng)格模型

中庭空間采用全空氣系統(tǒng)，氣流組織為頂送頂回，中庭首層設(shè)置側(cè)送風(fēng)口，回風(fēng)口設(shè)置于與中庭相連的走廊頂部，采用單層百葉回風(fēng)口集中回風(fēng)。機(jī)組設(shè)于空調(diào)機(jī)房內(nèi)，與中庭空間相連接的走廊采用全空氣系統(tǒng)，采用散流器頂送風(fēng)。

中庭模型的首層設(shè)有一個北門，冬季北門入口處設(shè)置地板輻射采暖系統(tǒng)，各層的風(fēng)口數(shù)量、規(guī)格見下面說明。

圖4.首層北側(cè)中庭送風(fēng)口位置分布

圖5.首層南側(cè)中庭送風(fēng)口位置分布

表2 首層送風(fēng)口數(shù)量、規(guī)格

項(xiàng)目

數(shù)量/個

規(guī)格/（凈尺寸mm x mm）

北側(cè)中庭連廊 下送風(fēng)口

12

500x400

北側(cè)中庭 側(cè)送風(fēng)口

10

500x500

南側(cè)中庭連廊 下送風(fēng)口

15

500x400

南側(cè)中庭 側(cè)送風(fēng)口

16

500x500

回風(fēng)口

4

4000x500

圖6.二~四層北側(cè)中庭送風(fēng)口位置分布

圖7.二~四層南側(cè)中庭送風(fēng)口位置分布

表3? 二~四層送風(fēng)口數(shù)量、規(guī)格

項(xiàng)目

數(shù)量/個

規(guī)格/（凈尺寸mm x mm）

北側(cè)中庭連廊 下送風(fēng)口

17

500x400

南側(cè)中庭連廊 下送風(fēng)口

18

500x400

回風(fēng)口

2

4500x500

圖8.五層北側(cè)中庭送風(fēng)口位置分布??

?圖9.五層南側(cè)中庭送風(fēng)口位置分布

表4? 五層送風(fēng)口數(shù)量、規(guī)格

項(xiàng)目

數(shù)量/個

規(guī)格/（凈尺寸mm x mm）

北側(cè)中庭連廊 下送風(fēng)口

21

500x400

南側(cè)中庭連廊 下送風(fēng)口

18

500x400

回風(fēng)口

2

7000x500/4500x500

4.CFD模擬及結(jié)果分析

4.1 模型建立條件

對計算區(qū)域內(nèi)的空氣流動作如下假設(shè)：

1）空氣流動為不可壓縮牛頓黏性流體的穩(wěn)態(tài)流動。

2）符合Boussinesq 假設(shè),除密度外其他物性參數(shù)為常熟,，對密度僅考慮動量方程中與體積力有關(guān)的項(xiàng)，其余各項(xiàng)中的密度亦作為常熟.在此假設(shè)下，密度差可被近似作為純粹的溫度影響因素。

3）送回風(fēng)口空氣溫度、速度均勻。本文采用Reyolds平均法對湍流進(jìn)行求解，采用結(jié)果更精確的K-ε標(biāo)準(zhǔn)雙方程湍流模型進(jìn)行數(shù)值模擬。模擬軟件采用Fluent。

4）模擬時，能量方程的收斂準(zhǔn)則取1x10-6，流動方程的收斂準(zhǔn)則取1x10-3。

4.2 單值性條件的確定

1）幾何條件

中庭整體為不規(guī)則形狀，內(nèi)部類似橢圓形，每層的走廊吊頂下凈高度和吊頂內(nèi)空間高度如下表5：

層數(shù)

層高/m

吊頂下凈高/m

吊頂內(nèi)的高度/m

首層

6.5

4

2.5

二層

5.4

3.5

1.9

三層

5.4

3.5

1.9

四層

6

3.5

2.5

五層

6

3.5

2.5

中庭頂

4.2/4.9

/

?/

2）物理?xiàng)l件

采用熱源均衡分布的方案將人員熱負(fù)荷和設(shè)備熱負(fù)荷平攤在地表面積上，定義地面恒熱流密度為20 W/m2；將燈光照明負(fù)荷平攤在走廊壁面和天花板面積上，定義恒熱流密度為30W/m2。

3）邊界條件

模型中采用的內(nèi)維護(hù)結(jié)構(gòu)屬于第一類邊界條件（常溫），地面和吊頂屬于第二類邊界條件；外維護(hù)結(jié)構(gòu)屬于第三類邊界條件（定傳熱系數(shù)）。

4.3 CFD模擬結(jié)果分析

4.3.1 夏季工況

1）邊界條件的設(shè)定

風(fēng)口采用速度邊界入口條件，送風(fēng)氣流的角度可以調(diào)節(jié)。本模擬按照送風(fēng)氣流的方向垂直于風(fēng)口，回風(fēng)口的邊界條件設(shè)置為壓力出口。夏季室外溫度為33.5度。模擬地點(diǎn)為北京，模擬時間為7月21日，下午3點(diǎn)的日照下的空調(diào)情況。

表6? :各層空調(diào)機(jī)組的風(fēng)量

項(xiàng)目

空調(diào)機(jī)組數(shù)量/臺

空調(diào)機(jī)組風(fēng)量/m3/h

F1

4

35000

F2~F4

2

25000

F5

2

32000/25000

送風(fēng)口的送風(fēng)工況

項(xiàng)目

側(cè)送風(fēng)口

下送風(fēng)口

送風(fēng)速度，m/s

5

2.5

F1風(fēng)溫度，度

16

16

F2~F4送風(fēng)溫度，度

/

16

F5送風(fēng)溫度，度

/

15

2）溫度分布模擬結(jié)果分析

為了便于較直觀的觀察室內(nèi)溫度場、速度場的分布情況，特截取一些特殊切面進(jìn)行觀察切面生成溫度、風(fēng)速計算結(jié)果。其中：沿Z軸方向，分別截取距地板高1.5米的切面；中庭中間對稱軸處做垂直切面。各截面的溫度分布圖如下。

圖10.北側(cè)中庭中間截面的溫度分布

?圖11.北側(cè)中庭中間截面的溫度分布

為了通過云圖顏色更加準(zhǔn)確查看到對應(yīng)的溫度值，因此將圖11中的溫度上下限數(shù)值從18.5~60度縮小為16~35度，得到溫度分布云圖12?？梢郧逦闯鲋型ロ敳繀^(qū)域的溫度由于超過最大值35度，從而沒有顯示出來。

為了通過云圖顏色查更加準(zhǔn)確查到對應(yīng)的溫度值，因此縮小圖17對應(yīng)的溫度上下限數(shù)值:18.5~66度改為16~35度?？傻脺囟确植荚茍D如圖18?？梢钥闯鲋型ロ敳繀^(qū)域的溫度超過最大值35度，導(dǎo)致沒有顯示出來。

圖12.北側(cè)中庭距外墻2米處截面的溫度分布

圖13.北側(cè)首層高1.5m截面的溫度分布(19.8~21.7度)

圖14.北側(cè)三層高1.5m截面的溫度分布(19.8~21.7度)

圖15.北側(cè)五層高1.5m截面的溫度分布(27.4~29.3度)

圖16.南側(cè)中庭中間截面的溫度分布

為了通過云圖顏色查更加準(zhǔn)確查到對應(yīng)的溫度值，因此縮小圖17對應(yīng)的溫度上下限數(shù)值:18.5~66度改為16~35度?？傻脺囟确植荚茍D如圖18。可以看出中庭頂部區(qū)域的溫度超過最大值35度，導(dǎo)致沒有顯示出來。

圖17.南側(cè)中庭中間截面的溫度分布

圖18.南側(cè)首層高1.5m截面的溫度分布(19.8~21.7度)

圖19.南側(cè)三層高1.5m截面的溫度分布(20.8~21.7度)

圖20.南側(cè)五層高1.5m截面的溫度分布(28.4~30.3度)

圖21.兩個中庭連廊處的溫度分布

根據(jù)以上溫度分布云圖，可以得出模擬結(jié)果如下:

a.首層走廊的溫度約為19.8~20.8度，二層走廊的溫度分布約為20.8度左右，三層、四層走廊的溫度分布約為20.8~21.7度，五層走廊的溫度分布約為28.4~31.2度(由于輻射熱量大，導(dǎo)致南側(cè)溫度偏高)。

b.由于受到輻射和傳熱的影響，五層走廊處的空氣溫度較高，且高出夏季室內(nèi)設(shè)計溫度2.4~5.2度。建議增加五層送風(fēng)口的數(shù)量，從而加大制冷量，將溫度降至設(shè)計溫度，滿足室內(nèi)人員需求。

c.首層~四層的室內(nèi)溫度低于設(shè)計溫度值，由商業(yè)中庭1.5米高切面的溫度分布云圖可看出溫度分布比較均勻，首層中庭人員大部分活動區(qū)域溫度分布20度左右，可以得出目前的空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計完全滿足設(shè)計需求，當(dāng)人員感覺冷時，可以通過自動控制空調(diào)機(jī)組的冷水水閥開度，降低流量來增大送風(fēng)溫度，以滿足設(shè)計要求。

d.由中庭截面分布圖可以看出，陽光透過屋面玻璃天窗進(jìn)入中庭內(nèi)部，通過輻射產(chǎn)生的熱量較大，靠近玻璃幕墻處的局部空間的空氣溫度值在50度左右，溫度很高，由于此處會有人員乘坐扶梯上至屋頂，較高的溫度會引起人員的不舒適感，因此建議：

i.在中庭頂部及側(cè)面玻璃幕墻處增加內(nèi)遮陽，當(dāng)太陽輻射強(qiáng)烈的時候，可以較大程度上阻擋太陽輻射熱的進(jìn)入，防止頂部溫度過熱。

ii.同時建議在中庭頂層增加排風(fēng)機(jī)，以將聚集在頂層的熱氣流通過排風(fēng)的方式排出，從而將冷氣流引至頂部，降低此處溫度。

e.中庭外玻璃幕墻針對太陽輻射的模擬參數(shù)如下表7，可在采購?fù)饽粔ΣＡr進(jìn)行參考。

表7：

吸收率

透射率

可見光

0.3

可見光

0.5

紅外部分

0.2

紅外部分

0.3

漫射半球

0.2

漫射半球

0.5

3）風(fēng)速分布模擬結(jié)果分析

為了便于較直觀的觀察室內(nèi)溫度場、速度場的分布情況，特截取一些特殊切面進(jìn)行觀察切面生成溫度、風(fēng)速計算結(jié)果。其中：沿Z軸方向，分別截取距地板高1.5米的切面；中庭中間對稱軸處做垂直切面。

圖22.北側(cè)中庭截面的風(fēng)速分布

圖23.北側(cè)首層高1.5m截面的風(fēng)速分布

圖24.北側(cè)三層高1.5m截面的風(fēng)速分布

圖25.北側(cè)五層高1.5m截面的風(fēng)速分布

圖26.南側(cè)中庭截面的風(fēng)速分布

圖27.南側(cè)首層高1.5m截面的風(fēng)速分布

圖28.南側(cè)首層高1.5m截面的風(fēng)速分布

圖29.南側(cè)三層高1.5m截面的風(fēng)速分布

由以上各截面的風(fēng)速分布圖可看出，室內(nèi)的氣流整體分布較為均勻，沒有出現(xiàn)死角或者短路旋流，且在人員活動區(qū)域的風(fēng)速分布云圖的顏色均為深藍(lán)色，在0m/s~0.50m/s左右波動，僅有距離送風(fēng)口較近的區(qū)域的風(fēng)速較高，室內(nèi)的人員不會有吹風(fēng)感，滿足人員活動區(qū)舒適性要求。

圖23和圖27可看出，中庭的送風(fēng)氣流送風(fēng)射流有效地流向人員活動區(qū)域，充分利用了熱量，得到了較好地氣流組織。

4.3.2冬季工況

1）邊界條件的設(shè)定

風(fēng)口采用速度邊界入口條件，冬季室外溫度為-9.9度，本模擬按照送風(fēng)氣流的方向垂直于風(fēng)口，回風(fēng)口的邊界條件設(shè)置為壓力出口。北側(cè)門口設(shè)計有地板輻射采暖系統(tǒng)，根據(jù)設(shè)計負(fù)荷參數(shù)，地面溫度按28℃考慮。

表8：?

項(xiàng)目

側(cè)送風(fēng)口

下送風(fēng)口

送風(fēng)速度，m/s

5

2.5

送風(fēng)溫度，度

28

28

2）溫度模擬結(jié)果分析

為了便于較直觀的觀察室內(nèi)溫度場、速度場的分布情況，特截取一些特殊切面進(jìn)行觀察切面生成溫度、風(fēng)速計算結(jié)果。其中：沿Z軸方向，分別截取距首層、三層、五層地板高1.5米的切面；中庭中間對稱軸處做垂直切面；北側(cè)中庭距外墻2米處做切面。

圖30.北側(cè)中庭中間截面的溫度分布

圖31.北側(cè)中庭距外墻2米處截面的溫度分布

圖32.北側(cè)首層高1.5m截面的溫度分布

圖33北側(cè)三層高1.5m截面的溫度分布

圖34.北側(cè)五層高1.5m截面的溫度分布

圖35.南側(cè)中庭中間截面的溫度分布

圖36.南側(cè)首層高1.5m截面的溫度分布

圖37.南側(cè)三層高1.5m截面的溫度分布

圖38.南側(cè)五層高1.5m截面的溫度分布

圖39.兩個中庭連廊處的溫度分布(21~24度)

根據(jù)以上溫度分布云圖，可以得出模擬結(jié)果如下:

a.首層走廊的溫度約為22.5~24度，二層、三層、四層走廊的溫度分布約為24~25.5度，五層走廊的溫度分布約為22.5~24度。人員大部分活動區(qū)域溫度分布24度左右，可以得出目前的空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計完全滿足設(shè)計需求。

b.由于受到外圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱的影響，首層、五層走廊處的空氣溫度稍微偏低，但同樣滿足設(shè)計要求。

c.從目前模擬結(jié)果來看，冬季煙囪效應(yīng)不十分明顯，分析原因?yàn)楸卷?xiàng)目商業(yè)中庭為明顯內(nèi)區(qū)，受外門冷風(fēng)侵入影響較小。如項(xiàng)目圍護(hù)結(jié)構(gòu)密封性較好，室內(nèi)保持正壓，則對減緩煙囪效應(yīng)非常有利。

3）風(fēng)速分布模擬結(jié)果分析

圖40.北側(cè)中庭截面的風(fēng)速分布

圖41.北側(cè)首層高1.5m截面的風(fēng)速分布

圖42.北側(cè)三層高1.5m截面的風(fēng)速分布

圖43.北側(cè)五層高1.5m截面的風(fēng)速分布

圖44.南側(cè)中庭截面的風(fēng)速分布

圖45.南側(cè)首層高1.5m截面的風(fēng)速分布

圖46.南側(cè)三層高1.5m截面的風(fēng)速分布

圖47.南側(cè)五層高1.5m截面的風(fēng)速分布

根據(jù)以上溫度分布云圖，可以得出模擬結(jié)果如下:

a.首層走廊的溫度約為22.5~24度，二層、三層、四層走廊的溫度分布約為24~25.5度，五層走廊的溫度分布約為22.5~24度。人員大部分活動區(qū)域溫度分布24度左右，可以得出目前的空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計完全滿足設(shè)計需求。

b.由于受到外圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱的影響，首層、五層走廊處的空氣溫度稍微偏低，但同樣滿足設(shè)計要求。

c.從目前模擬結(jié)果來看，冬季煙囪效應(yīng)不十分明顯，分析原因?yàn)楸卷?xiàng)目商業(yè)中庭為明顯內(nèi)區(qū)，受外門冷風(fēng)侵入影響較小。如項(xiàng)目圍護(hù)結(jié)構(gòu)密封性較好，室內(nèi)保持正壓，則對減緩煙囪效應(yīng)非常有利。

4）風(fēng)速分布模擬結(jié)果分析

由以上各截面的風(fēng)速分布圖可看出，室內(nèi)的氣流整體分布較為均勻，沒有出現(xiàn)死角或者短路旋流，且在人員活動區(qū)域的風(fēng)速分布云圖的顏色均為深藍(lán)色，在0m/s~0.50m/s左右波動，僅有距離送風(fēng)口較近的區(qū)域的風(fēng)速較高，室內(nèi)的人員不會有吹風(fēng)感，滿足人員活動區(qū)舒適性要求。

5.結(jié)語

通過CFD 軟件，分別模擬中庭夏季、冬季工況，可得出：按照本報告提供的空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計，在保證圍護(hù)結(jié)構(gòu)密封性和室內(nèi)正壓的前提下，冬季可以滿足設(shè)計要求；夏季頂層及出屋面區(qū)域不滿足設(shè)計要求，溫度偏高，建議采取如下措施：

a.中庭頂部及側(cè)面玻璃幕墻處增設(shè)內(nèi)遮陽，當(dāng)太陽輻射強(qiáng)烈的時候，打開內(nèi)遮陽，可較大程度上阻擋太陽輻射熱的影響，防止頂部溫度過熱；

b.同時建議在中庭頂層設(shè)置排風(fēng)機(jī)，夏季溫度高時，將聚集在頂層的熱氣流通過排風(fēng)的方式排出，從而將冷氣流引至頂部，降低頂部區(qū)域溫度；

c.考慮太陽輻射對頂層負(fù)荷的影響較大，復(fù)核頂層空調(diào)機(jī)組選型，滿足設(shè)計要求。

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