1、高大空間四種氣流組織的比較李琳1楊洪海2中國海誠工程科技股份有限公司上海東華大學環境科學與工程學院摘要：高大空間建筑常采用的有四種，即分層空調、置換通風、地板送風以及碰撞射流。本文以一航站樓為工程案例，借助FLUENT軟件，對這四種室內氣流組織進行模擬計算，比較各自的氣流分布特性及送風能耗，為高大空間空調系統室內熱環境的改善和節能提供依據。關鍵詞：高大空間空調方式氣流組織數值模擬ComparisonofFourKindsofAirConditioningSystemsinaBuildingwithHighandLargeSpaceLILin1,YANGHong-hai21ChinaHaisum

2、EngineeringCo.Ltd.2SchoolofEnvironmentalScienceandEngineering,DonghuaUniversityAbstract:Fourkindsofairconditioningsystems,i.e.stratificatedairconditioning,displacementventilation,under-floorairdistributionandimpingingjetventilation,areusuallyadoptedinthebuildingswithlargeandhighspace.Here,theTermina

3、lofAirportwasselectedasanexample,tocomparetheircharactersofindoorairdistributionandenergyconsumingforventilation,bymeansofnumericalsimulationwithFLUENTsoftware.Theresultsareusefultoimprovetheindoorthermalenvironmentandenergysavingforbuildingswithhighandlargespace.Keyword:highandlargespace,airconditi

4、oningsystem,airdistribution,numericalsimulation收稿日期：2011-10-10作者簡介：李琳（1985）,女,碩士,工程師；上海徐匯區寶慶路21號2408室（200031）;E-mail: HYPERLINK mailto:lilin851124 lilin8511240引言對于體育館、影劇院、會堂、高大廠房等高大空間建筑，有體積大、空調負荷大、能源消耗量大、對空調質量要求高等特點，使得大空間建筑內的氣流組織方式和空調節能問題尤顯重要。目前大空間氣流組織多采用分層空調12、置換通風34、地板送風56及碰撞射流78，如圖1所示。其中，分層空調以送風口

5、為分層面，將高大空間建筑在垂直方向分為空調區域和非空調區域；置換通風依靠密度差所產生的壓差為動力來實現室內空氣的置換，主導氣流是由室內熱源所控制的；地板送風將經處理后的空氣由地板下的靜壓箱和送風散流器從下至上送入房間，與室內空氣混合，消除余熱余濕后從房間頂部排風口排出；碰撞射流通風通過噴口將具有較高動量的空氣在距地面一定距離處向下送到地面，氣流碰撞到地面時動量急劇衰減并向四周擴散，但仍有足夠的動量到達較遠的地方來改善室內空氣質量，克服了置換通風有些地方氣流無法到達的缺點。(a)分層空調(b)置換通風(c)地板送風(d)碰撞射流圖1大空間四種空調方式示意圖對于高大空間空調系統的氣流組織設計，目前

6、尚無成熟的理論和實驗結論，主要研究手段是將氣流分析和數值模擬相結合9。采用氣流數值模擬方法，可以綜合考慮室內各種可能的內擾、邊界條件和初始條件等，全面反映室內氣流分布情況，便于確定最優氣流組織方案。1計算區域及設計參數如圖2所示為某航站樓一層大廳，包括行李提取廳和迎客廳，建筑結構南北對稱，計算區域選取北邊一半，計算區域層高約12m,占地面積約7450m2，屬高大空間建筑。圖2計算區域計算區域按非結構網格劃分。人員工作區（高度02m）氣流擾動較大，網格較密，非人員工作區網格相對稀疏。根據FLUEN軟件】。11選取RNGk-兩方程紊流模型，近壁面區域則選用標準壁面函數法，速度-壓力耦合采用SIMP

7、LE算法。邊界條件見表1,照明、設備及外墻負荷指標均參照原設計計算書選取，其中人員散熱量均布在地面上。為達到夏季室內人員工作區的要求設計溫度25C0.5，參考相關文獻資料18,計算得到四種空調方式各自的設計參數，匯總于表2。表1邊界條件匯總名稱面積（m2）邊界條件類型數值地板7310常熱流26W/m2照明設備3700常熱流15W/m2行李轉盤設備1440常熱流15W/m2外墻989常熱流60W/m2內墻4177常壁溫28C墻表2設計參數匯總空調方式分層空調（噴口高度4m）置換通風地板送風碰撞射流（噴口高度1m）送風口總面積（m2）9.889168.9571.6816送風速度（m/s）4100.

8、30.92送風溫度（C）16221816相對濕度（）90658090回風方式outflowoutflowoutflowoutflow注：在FLUENT中回風口設置成outflow類型。結果分析3.1垂直溫度分布不同高度上的平均溫度值匯總于圖3。可以看出，四種空調方式都滿足人員工作區的設計溫度25C0.5,且分層效果明顯。其中，分層空調在噴口4m以下的空調區溫度基本呈等溫特性，非空調區溫度從分層面起逐漸上升；置換通風在02m高度區間溫度平穩，且略低于分層空調在該區域的溫度，在2m高度處溫度突增，后溫度緩慢上升；地板送風垂直溫度分布基本呈等梯度的逐漸上升；碰撞射流溫度上升較快，梯度較大，從高度2m

9、處起，溫度先急劇升高后緩慢攀升，同比其他3.2垂直速度分布不同高度上的平均速度值匯總于圖4。可以看出，四種空調方式的速度分布曲線峰值都在靠近地面和房頂處，與這兩個位置存在較強自然對流有關，分層空調的另一個峰值出現在噴口高度4m處。人員工作區平均風速分別為分層空調0.5m/s、置換通風0.25m/s、地板送風0.13m/s、碰撞射流0.3m/s。因此，分層空調速度值高于推薦指標0.3m/s12其它三種空調方式滿足要求。另外，采用分層空調方式的垂直速度分布曲線下降較快，在09m高度范圍內風速明顯高于其他三種空調方式。圖4垂直速度分布曲線3.3氣流分布特性評價對氣流組織性能有多種評價指標，如溫度不均

10、勻系數和速度不均勻系數，計算公式如下13：k=u（1）buuu2)式中：K為不均勻系數；u為多個測點的平均溫度（或速度）值，為某個測點的溫度（或速度）,uin為所測點數。各空調方式下在FLUENT計算模型中的1.7m高度工作面上，選取不同的10個測點,計算得到溫度及風速不均勻系數如表3所示。結果表明，碰撞射流的速度和溫度的不均勻系數最小也即氣流分布最均勻。3.4送風能耗比較四種空調方式都能滿足人員工作區要求的設計溫度25C土0.5及相對濕度55%60%,然而，由于各自的送風方式、送風溫度及氣流組織不同，所需的送風量及送風負荷不同12，其中所需風量是由各個進風口的送風速度和風口面積相乘累加得到；

11、送風負荷是由所需風量和送風狀態點及室內工作區狀態點的焓差相乘得到。計算結果如表3所示。可以看出，碰撞射流所需風量最少，地板送風其次，而置換通風及分層空調所需風量則較大；置換通風所需負荷最少，碰撞射流其次，而地板送風及分層空調所需負荷最大。表3氣流分布特性評價及送風能耗比較空調方式速度不均勻系數K溫度不均勻系數K所需風量(m3/h)送風負荷(kW)分層空調0.54770.0022287204.41053.08置換通風0.45790.0033281610.0375.48地板送風0.54810.0023232243.2650.28碰撞射流0.31160.0013130071.6476.92綜上所述，

12、將四種空調方式下的氣流組織及送風能耗等進行比較，結果匯總于表4。表4四種空調方式綜合比較空調方式溫度分層效果工作區風速速度均勻性溫度均勻性送風能耗碰撞射流好好好較小置換通風好較好差小地板送風較好差一般一般分層空調一般一般較好大結論通過數值模擬，對該航站樓采用四種大空間空調方式(即置換通風、地板送風、分層空調及碰撞射流)進行了氣流組織及節能性的綜合比較。結果表明：四種空調方式都有溫度分層現象，其中碰撞射流分層效果最明顯；分層空調方式在人員工作區的風速高于推薦指標，其它三種空調方式能滿足設計要求；碰撞射流在同一水平高度的風速均勻性最好，其次是置換通風，地板送風最差；碰撞射流在同一水平高度的溫度均勻

13、性最好，其次是分層空調，置換通風最差；置換通風的送風能耗最小，其次是碰撞射流，分層空調的送風能耗最大。參考文獻鄒月琴，王師白，彭榮，等.分層空調熱轉移負荷計算方法的研究J.暖通空調，1983,(2):11-18鄒月琴，王師白，彭榮，等.分層空調氣流組織計算方法的研究J.暖通空調,1983,(3):1-6余院生，張國偉.地板輻射供冷與置換通風空調房間熱環境模擬與分析J.制冷空調與電力機械，2008，(1):11-16李強民.置換通風原理、設計及應用J.暖通空調,2000，30(5):41-46肖瑋，蔡亮.地板送風房間的氣流組織與熱舒適性J.工業建筑,2008,38:41-43FredSBauman.UnderfloorAirDistributionDesignGuideM.北京:中國建筑工業出版社，2006李曉冬，董磊.碰撞射流通風方式的研究A.見：全國暖通空調制冷2006年學術年會論文集C.2006:68-70董磊.碰撞射流通風系統在辦公類建筑中應用的探討D.哈爾濱：哈爾濱工業大學,