机场高大空间分层空调中自然通风效果的探讨

摘要：本文通过对典型机场建筑利用CFD手段分析了高大空间在分层空调送风方式下，如何合理的利用自然通风，从而消除上部热空气滞留现象，达到节能与舒适性要求。

一 引言：

对 于剧场，体育馆，科技馆，机场办票厅等高大空间的空调通风设计，传统概念上的全室均匀混合气流组织已不适用，以保证人员活动区域满足设计条件为基准，可以 脱开思路，积极采用高效节能的气流组织方式，例如可分层空调方式。根据国内外有关文献介绍，分层空气调节与全空气调节相比，最大可节省冷量50％，最小亦 达14％。但是分层空调由于存在上部热空气滞留，有可能以热辐射形式对空间下部人员活动区的热舒适性产生一定的影响。利用高大空间上部设置可开启的天窗等 措施，可以改善上部空间的通风条件，缓解上部热空气层滞留问题。本文针对机场建筑的实际工程设计，利用CFD模拟手段考察和分析典型夏季工况下，屋顶天窗 的开启率、开启位置对消除上部热空气滞留的效果。

二 研究对象概要

本 文以常见的机场办票大厅空间为研究对象实施CFD模拟分析。以一工程事例为例，办票大厅建筑面积为54540 m2，体积大约在1100000 m3，办票大厅外围护结构基本上为玻璃幕墙，屋面为铝制屋面加天窗的形式，玻璃幕墙的热工性能对空调负荷及室内热舒适影响较大，设计要求幕墙K值需小于 1.8w/m2.℃,太阳吸收系数小于0.2。空调系统采用单风机全空气系统，送风为喷口+罗盘+周边送风方式相结合的方式。

空调室外设计参数为：夏季：夏季空调干球温度34.0℃ 湿球温度28.2℃，平均风速为3.2m/s,主导风向为东南东。

室内设计参数为：干球温度25℃，相对湿度为55%。

根据本文分析目的，将办票大厅空间适当简化，建立CFD计算模型如图1（取半对称空间为计算对象）。屋面天窗分布形式如图2。

图1 内部空间（半对称）

图2 屋面天窗分布形式

考虑到计算机能力及负荷限制，在不影响分析目的的前提下，对原始设计图纸中的建筑物形状进行了一定程度的简化，取半对称空间进行计算，大天窗面积为170 m2，总共为3400 m2，小天窗单个面积为75 m2，总共为1500 m2。

三 CFD计算条件

办票大厅采用喷口送风，总送风量为1540000 m3/h，罗盘送风量为360000 m3/h，其他喷口送风量为120000 m3/h，夹层地板上送风和下送风采用条缝型送风方式送风量为320000m3/h。

外周区地板上送风形式起到空气幕的作用，送风量为100000m3/h，总送风量为2440000m3/h，送风温度为16.5℃，相对湿度86%，总负荷为8200KW。

计算边界条件简化入下：

围护结构传热的热量：虽然大部分为玻璃幕墙，本计算简化为热流束流边界条件（暂不考虑直接日射）。

人员负荷，机械设备发热量：发热分摊于地面附近。考虑到灯光负荷的对流与辐射的综合作用（辐射部分最终以对流热形式散发于地面），将其热量按1/3的比例分配到地面和屋顶。

屋顶天窗处采用压力边界条件，其压力值由外场计算结果获得（限于篇幅，本文中省略）在本模型中通过外场风环境模拟分析，大天窗表面平均压强为-1.25Pa,小天窗外表面的平均压力为-0.8Pa。

计算采用标准的紊流方程。对天窗在不同开启率及开启位置时的室内温度分布进行CFD模拟，以把握天窗的合理的开启率以及天窗开启的位置。计算条件如表1及图3。

表1 大厅天窗开启的通风效果CFD模拟（夏季工况）条件

计算编号	CASE-1	CASE-2	CASE-3	CASE-4	CASE-5
开窗率	15%	30%	35%	50%	100%
开启条件窗型/位置	大天窗部分开启	大/小天窗部分开启	大窗部分开启	大/小天窗各开启半数	大/小天窗全部

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