某厂房气流组织模拟分析

白音夫，敬成君，徐 龙，扈 峥

(四川大学建筑与环境学院,四川成都610065)

随着社会进步和经济的发展，人们的生活水平不断提高，对建筑环境的舒适度有了更高的要求，因而对通风空调技术的要求相应提高，空调效果成了人们关心的重点。而对于工业厂房这类高大空间建筑而言，其特点是体积大、围护结构传热量大、内部热源散热大，空调负荷较大。对于这类特殊空间建筑，科学合理的设计气流组织，确保建筑物空气温度、气流速度及分布满足机器散热的需要，同时又保证空调系统能耗较低、能源利用率高具有重要的意义。送排风方式是影响气流组织的重要因素。合理的送排风方式可以避免涡流、回流，增加空气清新的程度；而送风速度不变的情况下，合理的送排风方式会加大室内风速使得机器与周围环境之间的换热增加，进而节约能源。

目前，对于高大空间公共建筑，其空调气流组织主要有上送风方式、侧送风方式、下送风方式以及多种气流组织合用的方式。对于工业厂房建筑，设计人员多凭经验采用上送风方式或者侧送风方式，回风的位置确定也比较随意，较少利用科学手段优化设计。本文结合工程实际，运用CFD方法，深入研究工业厂房8种气流方式分别为：同侧中送中回、异侧中送中回、同侧上送下回、同侧下送上回、异侧下送上回、异侧上送下回、异侧下送下回、异侧上送上回。探讨常规设计的合理性与局限性，从而为设计人员提供相关的参考。

1 数值模拟

1.1 物理模型

该工业厂房位于四川省绵阳市，其建筑外形尺寸为75 m×9 m×105 m(长×高×宽)，内含6个160 kW的散热源，尺寸为15 m×3.5 m×15 m(长×高×宽)，送风口尺寸为3.6 m×0.25 m(长×高)，排风口尺寸为2.6 m×1.6 m(长×高)，根据以上尺寸，建立8种方案的物理模型。其中X方向为长，Y方向为高，Z方向为宽(见表1)。模型如图1所示。

表1 送风方式

1.2 数学模型

为了简化问题，作如下的假设：

(1)空调室内空气为不可压缩，空气物性为常数，室内空气为辐射透明介质。

(2)流动为稳态湍流。

(3)考虑重力因素，对于浮升力的作用，采用Boussinesq密度假设。

(4)墙壁气密性好，不考虑漏风的影响。

(5)室内人员散热都按一定比例分散到室内热源设备上，其他热源包括建筑得热、照明负荷都按照一定的比例分散到地面、吊顶以及外墙上。

(6)忽略凝结相变造成的影响。

根据实际情况采用由Launder和Spalding等提出的k-ε双方程模型。其控制方程统一写为通用的输运方程形式：

对于速度，按照固体壁面无滑移边界条件处理，对于K和ε则按照壁面函数法来处理。房间围护结构保温性能良好，壁面按第二类边界条件处理，送风口采用速度入口边界条件，排风口采用自由出流边界条件。根据空调设计方案计算结果其边界条件如表2。

表2 边界条件

基于以上的模型和边界条件,在Y轴设置g=-9.8 m/s2的重力加速度，取一个标准大气压，采用有限体积法的一阶差分格式离散控制方程，速度和压力的耦合采SIMPLE算法进行求解。

2 模拟结果与分析

在分析结果前把人体舒适高度简化为距离地面1.5 m，所以以下检测面均为距地面1.5 m处。

2.1 同侧中送中回分析结果

图2可以看出速度场分布大体均匀，边角及散热源遮挡处速度较低，厂房中间及散热源侧面速度较高，最高可达1 m/s，吹风感较强，厂房平均风速为0.3 m/s；由图3可以看出温度分布大体均匀，厂房边角温度较高，温度最高处可达到51℃，厂房中间由于送风无遮挡，温度最低可达24℃，平均温度为26.7℃。

图2 速度场

图3 温度场

由airpak得出的PMV值反映的是人体舒适度，ISO提出-0.5

图4 热感觉

2.2 异侧中送中回分析结果

图5可以看出速度场分布大体均匀，厂房中间速度较低，送风初始方向与回风初始方向速度最高，最高可达0.9 m/s，工作区吹风感较强，厂房平均风速为0.3 m/s；图6可以看出温度分布不均匀，送风边温度较高，温度最高处可达到50℃，厂房中间由于送风无遮挡，温度最低可达22℃，平均温度为25.3℃。

仅以图7工作区PMV值分析，工作区基本所有PMV值为-3，不满足舒适度要求，这说明该厂房使用异侧中送中回送风方式大部分无法满足舒适度要求。

图5 速度场

图6 温度场

图7 热感觉

2.3 同侧上送下回分析结果

图8可以看出速度场分布大体均匀，墙四周速度较低，排风口上方速度最高，最高可达1.7 m/s，工作区风速适中，厂房平均风速为0.3 m/s；图9可以看出温度分布大体均匀，墙四周及散热源温度较高(属正常现象)，温度最高处可达到53℃，厂房中间由于送风无遮挡，温度最低可达24℃，平均温度为26.5℃。

图8 速度场

图9 温度场

仅以图10工作区PMV值分析，工作区PMV值分布平均，平均值为0.4，满足舒适度要求，这说明该厂房使用同侧上送下回送风方式满足舒适度要求。

图10 热感觉

2.4 同侧下送上回结果分析

图11可以看出速度场分布也不均匀，墙四周速度较低，喷口下方速度最高，最高可达4.4 m/s，工作区风速较高，吹风感强烈，厂房平均风速为0.7 m/s；图12可以看出温度分布不均匀，工作区大部分温度较低，温度最低处可达到19℃，平均温度为23.8℃。

图11 速度场

图12 温度场

仅以图13工作区PMV值分析，工作区PMV值分布平均，平均值为-2.5，不满足舒适度要求，这说明该厂房使用同侧下送上回送风方式大部分不满足舒适度要求。

图13 热感觉

2.5 异侧下送上回结果分析

图14可以看出速度场分布不均匀，排风口所在墙速度较低，喷口下方速度最高，最高可达3.7 m/s，工作区风速较高，吹风感强烈，厂房平均风速为0.6 m/s；图15可以看出距地面高1.5 m处温度分布大体均匀，排风口所在墙体温度较高，最高可达50℃，送风口下部温度较低，温度最低处可达到20℃，平均温度为25℃。

仅以图16工作区PMV值分析，工作区PMV值分布平均，平均值为-3，不满足舒适度要求，这说明该厂房使用异侧下送上回送风方式大部分不满足舒适度要求。

图14 速度场

图15 温度场

图16 热感觉

2.6 异侧上送下回结果分析

图17可以看出速度场分布大体均匀，排风口处速度较高，最高可达1.6 m/s，工作区风速均匀，吹风感适中，厂房平均风速为0.3 m/s；图18可以看出温度分布大体均匀，排风口所在墙体温度较高，最高可达51℃，送风口下部温度较低，温度最低处可达到22℃，平均温度为25.5℃。

仅以图19工作区PMV值分析，工作区PMV值分布平均，平均值为0.65，工作区大部分气流组织满足舒适度要求，PMV值较高地方均为散热源表面(属于正常现象)，这说明该厂房使用异侧上送下回送风方式满足舒适度要求。

图17 速度场

图18 温度场

图19 热感觉

2.7 异侧下送下回结果分析

图20可以看出速度场分布不均匀，送风口下部速度较高，最高可达4.1 m/s，排风口所在墙体速度较低，工作区风速不均匀，吹风感强烈，厂房平均风速为0.6 m/s；图21可以看出温度分布不均匀，送风口所在墙体及排风口处温度较高，最高可达51℃，送风口喷口处温度较低，温度最低处可达到22℃，平均温度为26℃。

仅以图22工作区PMV值分布平均，平均值为-2.0，不满足舒适度要求，这说明该厂房使用同侧下送上回送风方式大部分不满足舒适度要求。

图21 温度场

图22 热感觉

2.8 异侧上送上回结果分析

图23可以看出速度场分布大体均匀，个别地方风速较高，最高达0.9 m/s，工作区基本无风，厂房平均风速为0.3 m/s。图24可以看出温度分布大体均匀，排风口所在墙体温度较高，最高可达50℃，中间送风口下部温度较低，温度最低处可达到22℃，平均温度为25.2℃。

仅以图25工作区PMV值分析，工作区PMV值分布平均，平均值为0.56，工作区大部分气流组织满足舒适度要求，PMV值较高地方均为散热源表面(属于正常现象)，但工作区基本无风现象使得工作区空气质量较低，舒适度下降。这说明该厂房使用异侧上送上回送风方式不满足舒适度要求。

图23 速度场

图24 温度场

图25 热感觉

3 结论

通过数值模拟，对该工业厂房采用八种送排风方式进行了气流组织的综合比较，结果表明：

(1)针对本例中的厂房采用同侧上送下回和异侧上送下回的送风方式基本可以满足室内舒适度要求，同侧上送下回的方式PMV值更接近0，对于整个厂房来说舒适度更好一些，但就工作区而言，异侧上送下回方式中工作区的温度比同侧上送下回的温度要更舒适一些。

(2)针对本例中的厂房采用同侧或异侧下送风方式的时候工作区的风速过大，气温过低，均不满足室内舒适度的要求。

[1] 王军,张旭.建筑室内温度分布特性对交叉扩散水平的影响[J].同济大学学报：自然科学版,2010,38(4):504-508

[2] 全柏铭.基于CFD技术的大空间建筑气流组织分析[J].制冷与空调，2011(10)

[3] 张莉,魏兵.大空间分层空调不同气流组织方式下流场的数值模拟[J].制冷与空调,2009,23(6):106-110

[4] 陈露，郝学军，任毅.高大空间建筑不同送风形式气流组织研究[J].北京建筑工程学院学报，2010(4)

[5] 宋岩,钟如军,孟繁宇.超大空间气流组织CFD模拟[J].黑龙江科技学院学报,2004,14(5):293-296