陳欣 崔娜 趙巖
摘 要:針對目前國內(nèi)蓬勃發(fā)展的室內(nèi)水樂園特點,通過CFD氣流模擬,對全空氣空調(diào)系統(tǒng)不同氣流組織下室內(nèi)冬夏季溫度分布情況進行了分析,為今后室內(nèi)水樂園空調(diào)形勢的選擇及空調(diào)系統(tǒng)的排布設(shè)計提供參考。
關(guān)鍵詞:室內(nèi)水樂園;CFD氣流模擬;氣流組織
中圖分類號:TU831? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼:A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號:2096-6903(2022)09-0094-03
0引言
近年來,隨著國內(nèi)文旅產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展,各類室內(nèi)水樂園類項目在全國各大城市不斷投入建設(shè)和運營。室內(nèi)水樂園項目不同于傳統(tǒng)泳池項目。首先,室內(nèi)水樂園一般屬于高大空間,常規(guī)水樂園凈高在30~35 m之間,且一般為鋼結(jié)構(gòu)屋面;其次,室內(nèi)水樂園的涉水面積遠大于游泳池的水面面積;再次,水樂園的冬季室內(nèi)設(shè)計溫度一般比游泳池高2℃~3℃;最后,室內(nèi)水樂園業(yè)態(tài)復(fù)雜,多包括餐飲、休息、商業(yè)等多種形式,與傳統(tǒng)泳池單一的泳池區(qū)有所區(qū)別。
從空調(diào)專業(yè)角度考慮,針對室內(nèi)水樂園以上幾個特點,空調(diào)系統(tǒng)的氣流組織在空調(diào)設(shè)計中尤為重要,對于高大空間,一般采用分層空調(diào)的形式,送風(fēng)口的位置和形式需要同時考慮室內(nèi)溫度場的分布和節(jié)能兩個方面的因素,鋼結(jié)構(gòu)屋面結(jié)露問題更為突出。室內(nèi)涉水面積大,意味著室內(nèi)空調(diào)濕負荷相當(dāng)可觀,室內(nèi)熱濕比遠小于常規(guī)建筑。如果將空調(diào)系統(tǒng)和除濕系統(tǒng)相結(jié)合,空調(diào)的氣流組織對改善室內(nèi)熱濕環(huán)境尤為重要,避免干區(qū)和濕區(qū)互相干擾的情況出現(xiàn)。
通過對不同送風(fēng)形式對室內(nèi)溫度場的模擬,探討氣流組織對于大空間水世界空調(diào)系統(tǒng)效果的影響,從而優(yōu)化氣流組織,達到舒適和節(jié)能的目的。
1 幾何模型的建立
因為研究對象體型較為復(fù)雜,為了更容易確定建筑和風(fēng)口的相對位置,每小時幾何模型簡化為立方體:230.0 m×108.0 m×29.8 m。
CFD計算軟件充分考慮影響網(wǎng)格劃分和網(wǎng)格質(zhì)量的因素,對于建筑空間先進行網(wǎng)格粗分,然后對空間中速度梯度較大的建筑壁面、門窗洞口和風(fēng)口位置進行網(wǎng)格加密,HY-CFD通過設(shè)置最小細分級數(shù)和最大細分級數(shù)對建筑表面進行網(wǎng)格加密,通過遠場和近場區(qū)域?qū)ㄖ浇M行網(wǎng)格加密,通過門窗位置加密和風(fēng)口位置加密對門窗和風(fēng)口位置進行加密。
2 邊界條件
空調(diào)送風(fēng)的主要邊界有送風(fēng)口邊界、回風(fēng)口邊界和建筑表面邊界。在室內(nèi)設(shè)計溫度為30℃,相對濕度為70%的設(shè)計條件下計算總送風(fēng)量為860 000 m3/h。送風(fēng)口設(shè)置為速度進口,風(fēng)口大小為φ630 mm,送風(fēng)口設(shè)計風(fēng)速8 m/s,冬季工況送風(fēng)溫度為38.5℃,夏季工況送風(fēng)溫度為23.5℃,頂送風(fēng)口高度為25 m,側(cè)送風(fēng)口中心高度為10 m,共100個?;仫L(fēng)口邊界設(shè)置為壓力邊界,大小為1 4000 mm×2 000 mm,底標(biāo)高1.000 m,共4個。建筑外墻的熱邊界設(shè)置為由室外溫度和傳熱系數(shù)組成的第三類邊界;地板或者樓板如果有熱源設(shè)置為恒定熱流的第二類邊界,如果沒有熱源設(shè)置為絕熱邊界[1]。
建筑物表面湍動能和湍流耗散率采用壁面函數(shù)法進行處理。
湍流動能壁面函數(shù):? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? (1)
湍動能耗散率壁面函數(shù):? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? (2)
其中,εp為邊界位置湍流耗散率。
3控制方程及計算方法
空調(diào)送風(fēng)模擬分析需要計算溫度,考慮空氣密度隨溫度變化,認為空氣是可壓縮流體,主要控制方程主要包括連續(xù)性方程、動量方程、能量方程和理想氣體狀態(tài)方程。
連續(xù)性方程:
(3)
動量方程:
(4)
能量方程:
(5)
其中h為流體比焓,K為流體動能。
氣體狀態(tài)方程:
(6)
其中,M為空氣分子量,R為理想氣體狀態(tài)方程常數(shù)。
選用standard k-ε湍流模型,控制方程中對流項采用一階迎風(fēng)格式,擴散項采用二階中心差分格式,梯度項采用一階迎風(fēng)格式,壓力速度耦合算法采用SIMPLE算法。
4 模擬結(jié)果分析
4.1 夏季模擬結(jié)果分析
圖1為夏季工況下風(fēng)口位置的剖面圖,由側(cè)送下回和頂送下回在Z=1.5 m 處的溫度場可以看出,人員活動區(qū)域截面溫度的均勻性頂送方式比側(cè)送方式更好,在相同點處頂送的溫度比側(cè)送低些,更加接近設(shè)計溫度 30℃,部分區(qū)域的溫度在 29℃左右;側(cè)送方式空間中央人員活動區(qū)域溫度較高,在31℃左右。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因為頂送時,由于回風(fēng)口位于下側(cè),加速了冷空氣向下運動,使得冷量能夠得到充分利用,而側(cè)送有部分冷空氣受熱上浮,未能到達人員活動區(qū)域,冷空氣量部分未得到利用,使得室內(nèi)溫度偏高。為解決這個問題可以在空間中部位置設(shè)置送風(fēng)島,以使整個區(qū)域溫度更均勻。溫度在高度方向出現(xiàn)分層現(xiàn)象,下面溫度低,上面溫度高。側(cè)送在高度方向上的溫度差在2℃左右,頂送在3℃左右。
由圖2夏季工況的速度場可以看出,人員活動區(qū)域的速度場頂送下回比側(cè)送下回更均勻,頂送方式在Z=1.5 m處風(fēng)速在0.09~0.25 m/s之間,側(cè)送下回在Z=1.5 m處風(fēng)速在0.09~0.32 m/s之間;側(cè)送在回風(fēng)口區(qū)域周圍出現(xiàn)了渦流,且渦流的速度較其它區(qū)域的大,應(yīng)避免休息區(qū)設(shè)置在此處。
4.2 冬季模擬結(jié)果分析
圖3為冬季工況下風(fēng)口位置的剖面圖,由側(cè)送下回和頂送下回在 Z=1.5 m 處的溫度場可以看出,人員活動區(qū)域截面溫度的均勻性頂送方式比側(cè)送方式更好,但總體上側(cè)送的溫度比頂送高些,這是因為冬季送風(fēng)溫度高于室內(nèi)溫度,熱空氣上浮形成了渦流,這必然使得部分熱空氣不能夠到達人員區(qū)域,頂送方式的熱空氣損失更大一些。雖然側(cè)送也存在部分熱空氣上升現(xiàn)象,由于回風(fēng)口位于下側(cè),加速了熱空氣向下運動,使得側(cè)送方式人員活動區(qū)域溫度更高些。溫度在高度方向均出現(xiàn)分層現(xiàn)象,但是溫度差不大。
由圖4冬季工況的速度場可以看出,人員活動區(qū)域的速度場頂送下回比側(cè)送下回更均勻,頂送方式在Z=1.5 m處風(fēng)速在0.07~0.29 m/s之間,側(cè)送下回在Z=1.5 m處風(fēng)速在0.09~0.34 m/s之間;側(cè)送方式在送風(fēng)口上部出現(xiàn)了渦流區(qū)域。
5 結(jié)語
空調(diào)全空氣系統(tǒng)采用上供下回的送風(fēng)方式夏季溫度場分布更為均勻,側(cè)送下回的送風(fēng)方式冬季溫度場分布更為均勻。但是就室內(nèi)水樂園的運營特點和人員熱舒適度感覺角度而言,冬季對于室內(nèi)溫度更為敏感,因此大空間室內(nèi)水樂園采用側(cè)送下回的方式對室內(nèi)溫度場的分布更為有利。
參考文獻
[1] 陸耀慶.《實用供熱空調(diào)設(shè)計手冊》[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社(第二版),2008.