高大空間復合氣流送風供暖方式研究

許 琳 張濟辭 劉躍登 曾仕豪

（1.河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院建筑工程學院 南陽 473000；2.中鐵二院工程集團有限責任公司 成都 610031；3.西南交通大學機械工程學院 成都 610031）

0 引言

高大空間建筑的定義是建筑體積超過10000m3，高度超過5m 的公共建筑[1]，最顯著的特征就是豎直方向跨度大，例如體育場館、候車廳、大禮堂等。目前高大空間建筑普遍采用的是送風+地板輻射以及噴口送熱風這些傳統(tǒng)供暖方式，存在造價高昂、維修困難、送風氣流嚴重上浮以及熱量大量浪費等問題，大空間內(nèi)部會出現(xiàn)熱分層，造成活動區(qū)舒適性欠佳，同時也沒有相應(yīng)的送風方案可以減弱熱氣流上浮導致的上述問題[2-3]。張德倫[4]研究了在分層空調(diào)單側(cè)送風方式下，高大空間建筑室內(nèi)的氣流分布情況。李庭逸[5]等研究了在不同送風高度下，玻璃幕墻建筑內(nèi)氣流組織情況。王蒙[6]等對高大空間輻射板導流送風方式進行研究，得到在總送風量和送風溫度相同的情況下，采用輻射板導流送風的氣流組織效果較好，熱舒適性比較高。曾仕豪等[7]對冬季供暖時有無控制氣流作用下的候車廳內(nèi)氣流組織效果進行研究，結(jié)果表明在送風熱射流上部附加控制氣流的方案可以使送風熱射流的垂直射程可以增加40%、水平射程增加70%。劉躍登等[8]提出的復合氣流送風方案可將活動區(qū)平均溫度提高至18.3℃，節(jié)能率達到22.8%。

為解決分層空調(diào)系統(tǒng)冬季送風熱氣流嚴重上浮的問題，本文提出一種高大空間復合氣流送風供暖方案，利用一股等溫氣流壓制送風熱射流，減弱熱射流上浮，提高人員活動區(qū)的平均溫度并減少空調(diào)能耗。本文通過進一步的對比分析，提出不同送風氣流參數(shù)對應(yīng)的最佳控制氣流送風參數(shù)范圍。

1 復合氣流送風方案

傳統(tǒng)噴口送風供暖方式中，受到浮升力與室內(nèi)擾流作用，空間內(nèi)部四周容易形成下沉的冷空氣，造成送風熱氣流過早上浮，送風距離短，無法作用到人員活動區(qū)[9,10]，如圖1 所示。由于熱量無法送入活動區(qū)，大量積累浪費在空間上部非活動區(qū)，導致活動區(qū)局部溫度較低、熱舒適性較差。

圖1 傳統(tǒng)噴口送風Fig.1 Traditional nozzle air supply

本文提出一種復合氣流供暖送風方案，利用一股等溫氣流壓制送風熱射流，減弱熱射流的上浮，示意圖如下圖2 所示。

圖2 復合氣流送風Fig.2 Air supply using coupled airflow

相較傳統(tǒng)噴口送風方式，復合氣流送風供暖方案是在送風氣流噴口上方增加一個裝置，該裝置回收空間上部空氣并將其以一定角度向下噴出，噴出射流稱為控制氣流。由于上部空氣溫度接近室內(nèi)設(shè)計溫度，所以控制氣流溫度與周圍環(huán)境溫度接近，不會像送風氣流一樣明顯上浮。

兩股氣流都存在一定角度，且送風氣流會出現(xiàn)上浮現(xiàn)象，所以兩股氣流在射出一段距離后便會相遇，此時控制氣流中向下的速度分量可以壓制送風氣流的上浮，混合后的氣流與周圍環(huán)境溫差小于原本的送風氣流，風量大于原本的送風氣流，受到的浮升力和室內(nèi)擾流的影響也更小。在以上共同作用下，復合氣流送風方案中的混合氣流上浮情況會弱于傳統(tǒng)噴口送風方式中的送風氣流，混合氣流能夠到達更低更遠的位置。

2 數(shù)值計算模型

本文以西藏拉薩地區(qū)某鐵路客站候車廳為研究對象，具體尺寸為100m×40m×16m，取其1/4 部分進行建模，即50m×20m×16m，其研究結(jié)果可推廣至大型鐵路客站候車廳。

通過對室內(nèi)得熱量及圍護結(jié)構(gòu)和冷風滲透耗熱量的計算，得到該典型客站候車廳冬季熱負荷為84.33kW，單位面積空調(diào)指標為84.33W/m2，通過實地調(diào)研得到了送風氣流參數(shù)的范圍值，如表1 所示。

表1 送風氣流參數(shù)范圍Table 1 Range of supply air flow parameters

2.1 模型的建立

在Fluent 中設(shè)定沿候車廳長度方向為X 軸，沿跨度方向為Z 軸，沿高度方向為Y 軸，具體尺寸為：50m（X）×20m（Z）×16m（Y），如圖3 所示。

圖3 候車廳簡化模型Fig.3 Simplified model of waiting hall in typical railway passenger station

2.2 網(wǎng)格劃分

完整候車廳模型尺寸大，網(wǎng)格數(shù)量多，計算時間長。為了更便捷地研究復合氣流送風特性，選取候車廳中典型的送風單元，即僅包含一個噴口的區(qū)域進行建模如圖4 所示，這樣可保證網(wǎng)格質(zhì)量較高且數(shù)量不會過多。該送風單元Z 方向為20m、X 方向為2m、Y 方向為16m，控制氣流噴口和熱射流噴口直徑大小一致，都為0.25m。熱射流噴口中心距地面4m，控制氣流噴口中心距地面5.5m。下部回風口為尺寸0.2m 的方形，風口中心距地面0.5m；上部回風口為直徑0.25m 的圓形，風口中心距地面6.0m，送風單元模型如圖4 所示，劃分后的網(wǎng)格模型如圖5 所示。

圖4 網(wǎng)格劃分模型Fig.4 Mesh generation model

圖5 劃分后的網(wǎng)格模型Fig.5 Mesh model after division

送風單元模型共計380928 個網(wǎng)格單元。對送風單元模型進行網(wǎng)格無關(guān)性驗證，計算網(wǎng)格數(shù)分別為257664、380928、553474。統(tǒng)計人員活動區(qū)平均速度和平均溫度的變化情況，當網(wǎng)格數(shù)從380928增至553474 時，平均溫度和平均速度的變化率均小于5%，因此認為在網(wǎng)格數(shù)為380928 的基礎(chǔ)上，再增加網(wǎng)格數(shù)量對計算結(jié)果的影響很小，故選取送風單元模型的網(wǎng)格數(shù)為380928。

2.3 參數(shù)設(shè)置

本研究中候車廳外墻以及屋頂采用第二類邊界條件，即等熱流邊界，根據(jù)熱流密度公式確定墻體與屋面的熱流密度分別為-31.23W/m2和-8.94W/m2。本文選擇Realizable k-ε模型作為基本湍流模型。為保證計算結(jié)果準確，本文選用二階迎風格式作為控制方程的離散格式，并選擇求解過程靈活、效率高的SIMPLE 算法作為求解離散方程組。

3 復合氣流模擬研究

本文將單一氣流送風溫度30℃、送風速度4.92m/s 作為典型工況，采用復合氣流送風方案對其進行優(yōu)化，設(shè)定復合氣流送風方案中各影響因素的合理范圍值，利用該候車廳模型研究不同因素改變對復合氣流送風方案效果的影響，以舒適節(jié)能為目標，并對復合氣流的匹配關(guān)系進行優(yōu)化。

3.1 復合氣流基本工況氣流組織模擬研究

在原送風氣流噴口上部1.5m 處設(shè)置控制氣流噴口，具體送風參數(shù)如表2 所示。

表2 送風參數(shù)表Table 2 Air supply parameter table

3.1.1 氣流運動情況

截取X=25m 剖面在不同工況下垂直方向的溫度分層和射流的軸心軌跡圖，如圖6、圖7 所示。

圖6 不同工況下垂直方向的溫度分層圖Fig.6 Vertical temperature stratification diagram under different working conditions

圖7 不同工況下射流軸心軌跡圖Fig.7 Axial trajectory of jet under different working conditions

結(jié)合圖6 和圖7，可以發(fā)現(xiàn)在單一氣流送風工況下，熱射流從噴口射出后的落差高度迅速增大，導致上部非空調(diào)區(qū)溫度上升，加劇了大空間的溫度分層。控制氣流與送風熱射流混合后，射流與活動區(qū)的熱量與動量交換增強，活動區(qū)的溫度顯著增加，同時上部非空調(diào)區(qū)域溫度有所降低，整個建筑室內(nèi)的垂直溫差也有所降低。

3.1.2 舒適性分析

分析不同工況分別在Y=0.1m、1.1m 和1.7m平面的熱舒適狀況，如表3 所示。

表3 不同工況下Y=0.1m 水平剖面的熱舒適狀況表Table 3 Table of thermal comfort of Y=0.1m horizontal profile under different working conditions

觀察表2，相比于單一氣流送風工況，復合氣流送風工況在Y=0.1m 水平面的平均溫度（Mean T）提高到15.1℃，相比單一氣流工況增加了3.6℃，但兩個工況的平均風速（Mean V）都較高，復合氣流送風工況的平均風速甚至達到了0.51m/s。復合氣流送風工況的空氣分布特性指標（ADPI）達到21.54%，該值越大說明感到舒適的人群比例越大。由垂直溫差引起的不滿意率值（PD）高達37.15%，這勢必會加劇人在腳踝處的不舒適程度。

表4 為不同工況下Y=1.1m 水平剖面的熱舒適狀況表，類似在Y=0.1m 水平面的情況，復合氣流送風工況同樣可以有效提高Y=1.1m 水平面的平均溫度，達到19.0℃，超過了18℃的設(shè)計溫度，但復合氣流送風工況并沒有在ADPI 值和PD 值上有所改善。

表4 不同工況下Y=1.1m 水平剖面的熱舒適狀況表Table 4 Table of thermal comfort of Y=1.1m horizontal profile under different working conditions

觀察表5，發(fā)現(xiàn)單一氣流送風工況的平均溫度要比復合氣流送風工況高，Y=1.7m 水平面的平均溫度越高意味著頭腳的垂直溫差越大，人在站立時頭部（Y=1.7m）與腳部（Y=0.1m）的垂直溫差高達8.4℃，而在采用復合氣流送風方案后，人腳踝處的平均溫度提高的同時，人站立時頭部的平均溫度有所降低，頭腳垂直溫差為4.6℃，舒適性效果改善顯著。但同樣的，復合氣流送風工況并沒有很好的改善Y=1.7m 水平面的ADPI 值和PD 值，ADPI值僅高了1.22%，PD 值則高了3.51%。

表5 不同工況下Y=1.7m 水平剖面的熱舒適狀況表Table 5 Table of thermal comfort of Y=1.7m horizontal profile under different working conditions

人員活動區(qū)劃分為候車廳外墻內(nèi)1m、豎直方向地上1.8m 的范圍內(nèi)[11]，以此分析不同工況下活動區(qū)整體的熱舒適狀況，具體如表6 所示。

表6 不同工況下活動區(qū)整體的熱舒適狀況表Table 6 Table of overall thermal comfort of the activity area under different working conditions

從活動區(qū)整體的熱舒適狀況來看，復合氣流送風工況能顯著提高活動區(qū)整體的平均溫度，同時對ADPI 值也有所改善，但平均風速偏高，考慮到近地面氣流流動給活動區(qū)下部尤其是近地面區(qū)域（Y=0.1m）帶來的擾動較大，故認為活動區(qū)平均風速0.3m/s 可以接受。

3.2 不同因素對復合氣流送風效果的影響研究

以下數(shù)值模擬計算是在送風熱射流參數(shù)不變的前提下，采用單因素分析方法，研究不同因素變化對復合氣流送風效果的影響。

3.2.1 控制氣流送風角度的影響

針對典型送風單元，隨著控制氣流送風角度的增加，射流的垂直射程逐漸加大，但控制氣流的送風角度大于30°時會導致射流的送風射程明顯不足，而控制氣流送風角度小于送風氣流送風角度時，復合氣流相互作用的效果不佳，控制氣流的壓制作用會大幅減弱。

現(xiàn)更改控制氣流送風角度為15°和30°，以此研究控制氣流送風角度對該候車廳活動區(qū)熱舒適性的影響。截取X=25m 剖面在不同工況下垂直方向的溫度分層和射流的軸心軌跡圖，如圖8、圖9 所示。

圖8 不同工況下垂直方向的溫度分層圖Fig.8 Vertical temperature stratification diagram under different working conditions

圖9 不同工況下射流軸心軌跡圖Fig.9 Axial trajectory of jet under different working conditions

隨著控制氣流送風角度的加大，送風氣流越接近活動區(qū)，對溫度分層的減輕效果就越明顯。調(diào)整控制氣流送風角度可以改變射流的垂直射程和水平射程，向下傾角越大，壓制作用越強，垂直射程增大，而水平射程會減小。冬季供暖時送風氣流同樣會向下傾斜，當控制氣流傾角小于送風氣流傾角時，壓制作用較弱。因此建議控制氣流傾角略大于送風氣流傾角，采用20°～30°為宜，過大的傾角雖然使射流更貼近活動區(qū)，但是會減少水平射程，并且可能導致活動區(qū)局部風速過大。

3.2.2 控制氣流送風速度的影響

將控制氣流送風速度更改為4m/s 和8m/s，研究對復合氣流送風效果的影響，截取X=25m 在不同工況下垂直方向的溫度分層和射流的軸心軌跡圖，如圖10、圖11 所示。

圖10 不同工況下垂直方向的溫度分層圖Fig.10 Vertical temperature stratification diagram under different working conditions

圖11 不同工況下射流軸心軌跡圖Fig.11 Axial trajectory of jet under different working conditions

隨著控制氣流送風速度從4m/s 增大到8m/s時，送風氣流被控制氣流壓制的現(xiàn)象也就越明顯，射流落差增大，送風射程增加?？刂茪饬魉惋L速度增大至8m/s 時，射流軸心的垂直高度降至1.6m，活動區(qū)溫度因射流的擾動增強而提高并變得更加均勻，同時上部非空調(diào)區(qū)溫度有所降低，有效抑制了垂直溫度分層。

增大送風速度會增強控制氣流壓制作用，使垂直射程和水平射程都增大，提升活動區(qū)溫度，但是也會增大活動區(qū)風速?？刂茪饬魉惋L速度存在一個臨界值，超過臨界值后對室內(nèi)擾流影響較大，壓制效果明顯增強，但也會使活動區(qū)風速過大。在本文研究對象中控制氣流送風速度臨界值約為8m/s，選取6m/s 左右為宜，更小的速度會使活動區(qū)平均溫度和平均風速均降低。

3.2.3 控制氣流噴口與送風氣流噴口間距的影響

研究控制氣流噴口與送風氣流噴口間距設(shè)置為0.5m、1.5m 和2m 對復合氣流送風效果的影響，截取X=25m 剖面在不同工況下垂直方向的溫度分層和射流的軸心軌跡圖，如圖12、圖13 所示。

圖12 不同工況下垂直方向的溫度分層圖Fig.12 Vertical temperature stratification diagram under different working conditions

圖13 不同工況下射流軸心軌跡圖Fig.13 Axial trajectory of jet under different working conditions

當噴口間距為0.5m 和1m 時射流的送風落差最大，噴口間距為1.5m 和2m 時射流的送風落差則相對較小。噴口間距為1.5m 和2m 時上部非空調(diào)區(qū)的溫度要略高，但也只是0.2℃左右的差異，差別很小。

兩噴口間距會影響控制氣流產(chǎn)生壓制作用前的損耗量，距離越小損耗量越少，壓制效果也越好。但是距離過小也會導致兩股射流過早相遇，容易使活動區(qū)局部風速過大，建議兩噴口間距在0.5m～1m內(nèi)選取。

3.3 復合氣流匹配關(guān)系的優(yōu)化

本節(jié)將研究送風氣流參數(shù)更改為送風溫度30℃、送風速度4.92m/s、送風角度保持15°不變的條件下，活動區(qū)的平均溫度隨著控制氣流送風角度、送風速度的增大而變化的情況，如圖14 和圖15 所示。

圖14 不同控制氣流送風速度下活動區(qū)平均溫度的變化Fig.14 Change of Mean V in active area under different control airflow velocity

圖15 不同控制氣流送風角度下活動區(qū)平均溫度的變化Fig.15 Change of Mean V in active area under different control airflow angle

在設(shè)計工況下，活動區(qū)的平均溫度隨著控制氣流送風速度的增大或送風角度的提高而升高。若送風氣流溫度升高或者送風速度減小，氣流受到浮升力以及室內(nèi)擾流影響更大，為避免出現(xiàn)嚴重上浮的情況，應(yīng)適當加大控制氣流送風角度以及送風速度，選擇范圍如表7 所示。

表7 不同送風氣流參數(shù)對應(yīng)的最佳控制氣流送風參數(shù)范圍表Table 7 Table of optimal control air supply parameters corresponding to different air supply parameters

4 結(jié)論

本文通過數(shù)值模擬的研究方法，對高大空間候車廳復合氣流送風供暖方式進行了研究，分析了多種因素變化對其送風效果的影響，并優(yōu)化了復合氣流的匹配關(guān)系，主要得到以下結(jié)論：

（1）控制氣流送風角度和速度對控制氣流壓制效果有明顯影響?？刂茪饬魉俣纫约八惋L氣流速度存在一定限值，超過限值后壓制效果明顯增強，但會導致活動區(qū)風速過大，造成強烈的“吹風感”。

（2）控制氣流噴口與送風氣流噴口間距在0.5m～1m 內(nèi)，控制氣流的壓制效果最好，噴口間距在一定范圍內(nèi)的變化對活動區(qū)熱環(huán)境的影響也較小。

（3）針對復合氣流匹配關(guān)系的優(yōu)化研究，以送風氣流的送風溫度30℃、送風速度4.92m/s 為標準，整理出了不同送風氣流參數(shù)對應(yīng)的最佳控制氣流送風參數(shù)范圍。

（4）復合氣流送風方案對一定尺寸范圍內(nèi)候車廳都有較好的適用性，可以使活動區(qū)平均溫度提高到18℃以上，但部分情況下活動區(qū)平均風速可能過大，送風氣流和控制氣流的協(xié)同優(yōu)化還需要進一步研究。