某建筑复杂中庭基于气流组织CFD模拟的空调设置建议

本项目裙房部分地上层数西侧为四层，东侧为6层，功能为商业，包含商业、影院及餐饮；地下4层，其中地下三四层为车库及设备用房，其中地下四层一部分为六级人防，战时功能为人员掩蔽及物资库，地下一二层为商业，包含餐饮、超市，总深度为-22.2米。

考虑到建筑的商业中庭的空间较大，由一层至六层，且三个中庭相通，中庭顶部和六层中庭顶部侧边全部采用玻璃幕墙，夏季高辐射强度模式时，及冬季烟囱效应影响，其空调设计的人员舒适性不容易满足设计要求，所以我司针对商业中庭的空调系统，进行了CFD流体模拟分析。

2.1分析目的

根据目前施工图的中庭空调设计，通过CFD 软件模拟，商业中庭在空调系统运行期间，确认室内环境是否满足人员的热舒适性要求并提出优化设计。

2.2分析软件介绍

随着计算机软硬件的发展，大型商业化CFD（Computational Fluid Dynamics）软件的开发，使流体对流传热数值模拟得到了越来越普遍的应用。

目前，利用CFD进行模拟正逐步成为了解建筑内部流动和传热状况的重要手段。通过这种数值试验可以充分认识流动和温度分布规律，进行优化设计，并且可以大幅减少实验研究工作量。如果能采用数值模拟的方法，计算出建筑内部流场和温度分布，预先得出各项性能指标，再反复改变各项参数及空调边界条件，如送回风口的位置及送回风温度等，最终得到性能较好的设计，就可以减少开模费用，降低生产成本，具有显著的经济意义。目前应用较多的CFD商用软件有 ANSYS FLUENT、PHOENICS、ICEPAK、STAR-CD等。

2.3分析步骤

利用三维建模软件建立商业中庭立体模型，将三维模型导入网格划分软件，划分网格，并对风口等边界条件处进行网格加密，以确保模拟计算的精度。

设定边界条件，在该模型中分别：根据设计院的施工图设计方案，在模拟模型中对内部风口进行布置，建立风口边界条件。

将生成的网格模型导入CFD软件，根据当地的室外气象参数，在此空调系统中，设置边界条件，建立湍流、辐射模型、分析方法等。设定夏季室外空调设计温度，空调系统对应的参数，如风口的送风风速、温度等参数，太阳辐射等室外设计参数。

模拟计算得出该空调系统在各工况下的速度场、温度场分布情况，经过反复的验算，根据不同的送风风速和热流密度等，找出合理的设备及末端配置，从热舒适角度提出该空调系统的设计运行参数。

图1.中庭气流组织数值模拟思路

3.CFD模拟参数及物理模型

3.1 夏季室外设计参数

当地室外气象参数 —— 来自《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》

     

夏季：

空调室外计算干球温度 33.5℃

空调室外计算湿球温度 26.4℃

通风室外计算温度 29.7℃

室外平均风速 2.1m/s

通风室外计算相对湿度 61%

大气压力 1000.2hPa

冬季：

空调室外计算干球温度 -9.9℃

空调室外计算相对湿度 44%

供暖室外计算干球温度 -7.6℃

通风室外计算温度 -3.6℃

大气压力 1021.7hPa

注： 以上图表数据选自《中国建筑热环境分析专用气象数据集》，数据集以气象资料室收集的全国270个地面气象台站1971年~2003年的实测气象数据为基础。

表1 室内设计参数

3.2 商业中庭物理模型

由于本项目商业中庭空间较大，为三个不规则形状中庭的复杂结构，模拟时网格数目较多，故对物理模型进行了简化，对西侧两个大中庭（见下图红色线框）及每层相连通的走廊共同围合成的一个商业空间，进行CFD模拟（东侧小中庭边界条件与之相似，结论参考西侧大中庭）。与根据实际建筑建立的物理模型如图3所示。

图1.中庭的平面图（首层）

图2.中庭的三维模型

图3.中庭的网格模型

中庭空间采用全空气系统，气流组织为顶送顶回，中庭首层设置侧送风口，回风口设置于与中庭相连的走廊顶部，采用单层百叶回风口集中回风。机组设于空调机房内，与中庭空间相连接的走廊采用全空气系统，采用散流器顶送风。

中庭模型的首层设有一个北门，冬季北门入口处设置地板辐射采暖系统，各层的风口数量、规格见下面说明。

图4.首层北侧中庭送风口位置分布

图5.首层南侧中庭送风口位置分布

表2 首层送风口数量、规格

图6.二~四层北侧中庭送风口位置分布

图7.二~四层南侧中庭送风口位置分布

表3  二~四层送风口数量、规格

图8.五层北侧中庭送风口位置分布  

 图9.五层南侧中庭送风口位置分布

表4  五层送风口数量、规格

4.1 模型建立条件

对计算区域内的空气流动作如下假设：

1）空气流动为不可压缩牛顿黏性流体的稳态流动。

2）符合Boussinesq 假设,除密度外其他物性参数为常熟,，对密度仅考虑动量方程中与体积力有关的项，其余各项中的密度亦作为常熟.在此假设下，密度差可被近似作为纯粹的温度影响因素。

3）送回风口空气温度、速度均匀。本文采用Reyolds平均法对湍流进行求解，采用结果更精确的K-ε标准双方程湍流模型进行数值模拟。模拟软件采用Fluent。

4）模拟时，能量方程的收敛准则取1x10-6，流动方程的收敛准则取1x10-3。

4.2 单值性条件的确定

1）几何条件

中庭整体为不规则形状，内部类似椭圆形，每层的走廊吊顶下净高度和吊顶内空间高度如下表5：

2）物理条件

采用热源均衡分布的方案将人员热负荷和设备热负荷平摊在地表面积上，定义地面恒热流密度为20 W/m2；将灯光照明负荷平摊在走廊壁面和天花板面积上，定义恒热流密度为30W/m2。

3）边界条件

模型中采用的内维护结构属于第一类边界条件（常温），地面和吊顶属于第二类边界条件；外维护结构属于第三类边界条件（定传热系数）。

4.3 CFD模拟结果分析

4.3.1 夏季工况

1）边界条件的设定

风口采用速度边界入口条件，送风气流的角度可以调节。本模拟按照送风气流的方向垂直于风口，回风口的边界条件设置为压力出口。夏季室外温度为33.5度。模拟地点为北京，模拟时间为7月21日，下午3点的日照下的空调情况。

表6  :各层空调机组的风量

送风口的送风工况

2）温度分布模拟结果分析

为了便于较直观的观察室内温度场、速度场的分布情况，特截取一些特殊切面进行观察切面生成温度、风速计算结果。其中：沿Z轴方向，分别截取距地板高1.5米的切面；中庭中间对称轴处做垂直切面。各截面的温度分布图如下。

图10.北侧中庭中间截面的温度分布

 图11.北侧中庭中间截面的温度分布

为了通过云图颜色更加准确查看到对应的温度值，因此将图11中的温度上下限数值从18.5~60度缩小为16~35度，得到温度分布云图12。可以清晰看出中庭顶部区域的温度由于超过最大值35度，从而没有显示出来。

为了通过云图颜色查更加准确查到对应的温度值，因此缩小图17对应的温度上下限数值:18.5~66度改为16~35度。可得温度分布云图如图18。可以看出中庭顶部区域的温度超过最大值35度，导致没有显示出来。

图12.北侧中庭距外墙2米处截面的温度分布

图13.北侧首层高1.5m截面的温度分布(19.8~21.7度)

图14.北侧三层高1.5m截面的温度分布(19.8~21.7度)

图15.北侧五层高1.5m截面的温度分布(27.4~29.3度)

图16.南侧中庭中间截面的温度分布

为了通过云图颜色查更加准确查到对应的温度值，因此缩小图17对应的温度上下限数值:18.5~66度改为16~35度。可得温度分布云图如图18。可以看出中庭顶部区域的温度超过最大值35度，导致没有显示出来。

图17.南侧中庭中间截面的温度分布

图18.南侧首层高1.5m截面的温度分布(19.8~21.7度)

图19.南侧三层高1.5m截面的温度分布(20.8~21.7度)

图20.南侧五层高1.5m截面的温度分布(28.4~30.3度)

图21.两个中庭连廊处的温度分布

根据以上温度分布云图，可以得出模拟结果如下:

a. 首层走廊的温度约为19.8~20.8度，二层走廊的温度分布约为20.8度左右，三层、四层走廊的温度分布约为20.8~21.7度，五层走廊的温度分布约为28.4~31.2度(由于辐射热量大，导致南侧温度偏高)。

b. 由于受到辐射和传热的影响，五层走廊处的空气温度较高，且高出夏季室内设计温度2.4~5.2度。建议增加五层送风口的数量，从而加大制冷量，将温度降至设计温度，满足室内人员需求。

c. 首层~四层的室内温度低于设计温度值，由商业中庭1.5米高切面的温度分布云图可看出温度分布比较均匀，首层中庭人员大部分活动区域温度分布20度左右，可以得出目前的空调系统设计完全满足设计需求，当人员感觉冷时，可以通过自动控制空调机组的冷水水阀开度，降低流量来增大送风温度，以满足设计要求。

d. 由中庭截面分布图可以看出，阳光透过屋面玻璃天窗进入中庭内部，通过辐射产生的热量较大，靠近玻璃幕墙处的局部空间的空气温度值在50度左右，温度很高，由于此处会有人员乘坐扶梯上至屋顶，较高的温度会引起人员的不舒适感，因此建议：

i. 在中庭顶部及侧面玻璃幕墙处增加内遮阳，当太阳辐射强烈的时候，可以较大程度上阻挡太阳辐射热的进入，防止顶部温度过热。

ii. 同时建议在中庭顶层增加排风机，以将聚集在顶层的热气流通过排风的方式排出，从而将冷气流引至顶部，降低此处温度。

e. 中庭外玻璃幕墙针对太阳辐射的模拟参数如下表7，可在采购外幕墙玻璃时进行参考。

表7：

3）风速分布模拟结果分析

为了便于较直观的观察室内温度场、速度场的分布情况，特截取一些特殊切面进行观察切面生成温度、风速计算结果。其中：沿Z轴方向，分别截取距地板高1.5米的切面；中庭中间对称轴处做垂直切面。

图22.北侧中庭截面的风速分布

图23.北侧首层高1.5m截面的风速分布

图24.北侧三层高1.5m截面的风速分布

图25.北侧五层高1.5m截面的风速分布

图26.南侧中庭截面的风速分布

图27.南侧首层高1.5m截面的风速分布

图28.南侧首层高1.5m截面的风速分布

图29.南侧三层高1.5m截面的风速分布

由以上各截面的风速分布图可看出，室内的气流整体分布较为均匀，没有出现死角或者短路旋流，且在人员活动区域的风速分布云图的颜色均为深蓝色，在0m/s~0.50m/s左右波动，仅有距离送风口较近的区域的风速较高，室内的人员不会有吹风感，满足人员活动区舒适性要求。

图23和图27可看出，中庭的送风气流送风射流有效地流向人员活动区域，充分利用了热量，得到了较好地气流组织。

4.3.2冬季工况

1）边界条件的设定

风口采用速度边界入口条件，冬季室外温度为-9.9度，本模拟按照送风气流的方向垂直于风口，回风口的边界条件设置为压力出口。北侧门口设计有地板辐射采暖系统，根据设计负荷参数，地面温度按28℃考虑。

表8： 

2）温度模拟结果分析

为了便于较直观的观察室内温度场、速度场的分布情况，特截取一些特殊切面进行观察切面生成温度、风速计算结果。其中：沿Z轴方向，分别截取距首层、三层、五层地板高1.5米的切面；中庭中间对称轴处做垂直切面；北侧中庭距外墙2米处做切面。

图30.北侧中庭中间截面的温度分布

图31.北侧中庭距外墙2米处截面的温度分布

图32.北侧首层高1.5m截面的温度分布

图33北侧三层高1.5m截面的温度分布

图34.北侧五层高1.5m截面的温度分布

图35.南侧中庭中间截面的温度分布

图36.南侧首层高1.5m截面的温度分布

图37.南侧三层高1.5m截面的温度分布

图38.南侧五层高1.5m截面的温度分布

图39.两个中庭连廊处的温度分布(21~24度)

根据以上温度分布云图，可以得出模拟结果如下:

a. 首层走廊的温度约为22.5~24度，二层、三层、四层走廊的温度分布约为24~25.5度，五层走廊的温度分布约为22.5~24度。人员大部分活动区域温度分布24度左右，可以得出目前的空调系统设计完全满足设计需求。

b. 由于受到外围护结构传热的影响，首层、五层走廊处的空气温度稍微偏低，但同样满足设计要求。

c. 从目前模拟结果来看，冬季烟囱效应不十分明显，分析原因为本项目商业中庭为明显内区，受外门冷风侵入影响较小。如项目围护结构密封性较好，室内保持正压，则对减缓烟囱效应非常有利。

3）风速分布模拟结果分析

图40.北侧中庭截面的风速分布

图41.北侧首层高1.5m截面的风速分布

图42.北侧三层高1.5m截面的风速分布

图43.北侧五层高1.5m截面的风速分布

图44.南侧中庭截面的风速分布

图45.南侧首层高1.5m截面的风速分布

图46.南侧三层高1.5m截面的风速分布

图47.南侧五层高1.5m截面的风速分布

根据以上温度分布云图，可以得出模拟结果如下:

a. 首层走廊的温度约为22.5~24度，二层、三层、四层走廊的温度分布约为24~25.5度，五层走廊的温度分布约为22.5~24度。人员大部分活动区域温度分布24度左右，可以得出目前的空调系统设计完全满足设计需求。

b. 由于受到外围护结构传热的影响，首层、五层走廊处的空气温度稍微偏低，但同样满足设计要求。

c. 从目前模拟结果来看，冬季烟囱效应不十分明显，分析原因为本项目商业中庭为明显内区，受外门冷风侵入影响较小。如项目围护结构密封性较好，室内保持正压，则对减缓烟囱效应非常有利。

4）风速分布模拟结果分析

由以上各截面的风速分布图可看出，室内的气流整体分布较为均匀，没有出现死角或者短路旋流，且在人员活动区域的风速分布云图的颜色均为深蓝色，在0m/s~0.50m/s左右波动，仅有距离送风口较近的区域的风速较高，室内的人员不会有吹风感，满足人员活动区舒适性要求。

通过CFD 软件，分别模拟中庭夏季、冬季工况，可得出：按照本报告提供的空调系统设计，在保证围护结构密封性和室内正压的前提下，冬季可以满足设计要求；夏季顶层及出屋面区域不满足设计要求，温度偏高，建议采取如下措施：

a. 中庭顶部及侧面玻璃幕墙处增设内遮阳，当太阳辐射强烈的时候，打开内遮阳，可较大程度上阻挡太阳辐射热的影响，防止顶部温度过热；

b. 同时建议在中庭顶层设置排风机，夏季温度高时，将聚集在顶层的热气流通过排风的方式排出，从而将冷气流引至顶部，降低顶部区域温度；

c. 考虑太阳辐射对顶层负荷的影响较大，复核顶层空调机组选型，满足设计要求。