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大空间空调系统优化设计及气流组织研究摘要：剧场作为一类欣赏现场表演艺术的高规格大空间建筑，对于其内部空调系统有着较高的设计要求，适当的气流组织设计对剧场空间温度场和速度场的分布有着重要的影响。
本文根据剧场空间的结构特点，在原空调设计方案的基础上进行了优化，随后采用FLUENT软件，对不同空间的空调系统物理模型进行了计算模拟，得出相应的温度场和速度场。
通过对模拟得到的空间温度场和速度场的分析研究，评估其空调系统气流组织的特点，并将方案进行对比，得出相关结论。
关键词：大空间；CFD；温度场；速度场0引言伴随着经济的快速发展，人们的文化生活日益丰富，许多城市新建了剧场、音乐厅、体育馆等一系列高标准的大空间建筑。
这类建筑集高层、大尺度、综合性、多功能性等特征于一身，且在负荷构成，传热特性，室内气流组织、空调方式、防排烟、室内空气品质等诸多方面与一般建筑不同。
为了充分发挥这类建筑的功能并且保证人体舒适度和节约能源，空调系统的气流组织设计对其效果的优劣起着至关重要的作用，它直接影响到室内的温度场、速度场以及污染物的分布等，是保证室内拥有良好空气品质的重要因素。
FLUENT是目前功能最全面、使用最广泛的CFD软件之一，基于CFD软件群的思想，从用户角度出发，针对各种复杂流动的物理现象采用不同的离散格式和数值方法，在特定领域内使计算速度、稳定性和精度等方面达到最佳的组合，从而达到高效地解决各个领域复杂流动计算问题的目的[1]。
1工程概况本文研究对象为南方某市800人剧院。
该建筑剧场空间空调面积为898㎡，长46m（舞台部分长17m，观众区长29m），宽22m，高20.4m，分为三层，属于高大空间建筑。
原设计方案中，舞台区采用上送下回和侧送风的混合送风方式，使用两台组合式空调处理机，每台机组的额定制冷量为140KW，额定送风量为18000m?/h。
观众区采用上送下回的送风方式，共有2台空调机组，每台机组的额定制冷量为132KW，额定送风量为22000m?/h。
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四、气流组织的设计计算气流组织设计的任务是合理地组织室内空气的流动与分布、确定送风口的型式、数量和尺寸，使工作区的风速和温差满足工艺要求及人体舒适感的要求。
气流组织的效果可以用空气分布特性指标ADPI （Air Diffusion Performance Index ）来评价，它定义为工作区内各点满足温度、湿度和风速要求的点占总点数的百分比。
可以通过实测来确定。
以下介绍几种气流组织的设计方法。
气流组织设计一般需要的已知条件如下：房间总送风量0L (m 3／S )；房间长度L (m )；房间宽度W (m )；房间净高H (m)；送风温度0t (℃)；房间工作区温度n t (℃)；送风温差0t ∆(℃)。
气流组织设计计算中常用的符号说明如下:ρ——空气密度，取1.2 (kg/m 3)；p C ——空气定压比热容，取1.01 kJ ／(kg ·℃)；0L ——房间总送风量(m 3／S)；L ——房间长度(m)；W ——房间宽度(m)；H ——房间净高(m)；x ——要求的气流贴附长度(m)，x 等于沿送风方向的房间长度减去1 m ；0t ——送风温度(℃)；n t ——房间工作区温度(℃)；0/d F n ——射流自由度，其中n F 为每个风口所管辖的房间的横截面面积(m 2)；0d ——风口直径，当为矩形风口时，按面积折算成圆的直径(m)。
（一）侧送风的计算除了高大空间中的侧送风气流可以看做自由射流外，大部分房间的侧送风气流都是受限射流。
侧送方式的气流流型宜设计为贴附射流，在整个房间截面内形成一个大的回旋气流，也就是使射流有足够的射程能够送到对面墙(对双侧送风方式，要求能送到房间的一半)，整个工作区为回流区，避免射流中途进人的工作区。
侧送贴附射流流型如图6-10所示 (图中断面I-I 处，射流断面和流量都达到了最大，回流断面最小，此处的回流平均速度最大即工作区的最大平均速h υ)。
这样设计流型可使射流有足够的射程，在进人工作前其风速和温差可以充分衰减，工作区达到较均匀的温度和速度；使整个工作区为回流区，可以减小区域温差。
四、气流组织的设计计算气流组织设计的任务是合理地组织室内空气的流动与分布、确定送风口的型式、数量和尺寸，使工作区的风速和温差满足工艺要求及人体舒适感的要求。
气流组织的效果可以用空气分布特性指标ADPI （Air Diffusion Performance Index ）来评价，它定义为工作区内各点满足温度、湿度和风速要求的点占总点数的百分比。
可以通过实测来确定。
以下介绍几种气流组织的设计方法。
气流组织设计一般需要的已知条件如下：房间总送风量0L (m 3／S)；房间长度L (m)；房间宽度W (m)；房间净高H (m)；送风温度0t (℃)；房间工作区温度n t (℃)；送风温差0t ∆(℃)。
气流组织设计计算中常用的符号说明如下:ρ——空气密度，取1.2 (kg/m 3)；p C ——空气定压比热容，取1.01 kJ ／(kg ·℃)；0L ——房间总送风量(m 3／S)；L ——房间长度(m)；W ——房间宽度(m)；H ——房间净高(m)；x ——要求的气流贴附长度(m)，x 等于沿送风方向的房间长度减去1 m ；0t ——送风温度(℃)；n t ——房间工作区温度(℃)；0/d F n ——射流自由度，其中n F 为每个风口所管辖的房间的横截面面积(m 2)；0d ——风口直径，当为矩形风口时，按面积折算成圆的直径(m)。
（一）侧送风的计算除了高大空间中的侧送风气流可以看做自由射流外，大部分房间的侧送风气流都是受限射流。
侧送方式的气流流型宜设计为贴附射流，在整个房间截面内形成一个大的回旋气流，也就是使射流有足够的射程能够送到对面墙(对双侧送风方式，要求能送到房间的一半)，整个工作区为回流区，避免射流中途进人的工作区。
侧送贴附射流流型如图6-10所示 (图中断面I-I 处，射流断面和流量都达到了最大，回流断面最小，此处的回流平均速度最大即工作区的最大平均速h υ)。
这样设计流型可使射流有足够的射程，在进人工作前其风速和温差可以充分衰减，工作区达到较均匀的温度和速度；使整个工作区为回流区，可以减小区域温差。
高大空间建筑室内气流组织分析高大空间建筑有其各自的特点，对于体育馆、音乐厅等建筑，其室内气流组织是空调系统设计的重点。
本文结合工程实例，介绍了工程的计算区域及设计参数，围绕垂直温度分布、垂直速度分布、气流分布特点及送风能耗比较这几方面对计算结果进行分析，为高大空间建筑室内环境的改善提供依据。
标签高大空间；建筑室内；设计参数；气流组织；分析随着我国社会经济建设步伐的不断加快，体育馆、音乐厅等高大空间建筑数量日益增加，逐渐成为城市建设的时代标志。
这些建筑具有体积大、围护结构传热量大、人员灯光密集，空调负荷较大等特点，其室内热环境状态参数随时可能发生变化，选取合理的气流组织方式对空调系统的设计有着重要的影响。
大空间气流组织指的是对气流流向和均匀度按一定要求进行组织，主要采用的方式有分层空调、置换通风、地板送风以及碰撞射流，如图1所示。
目前我国建筑室内空调系统的气流组织设计仍处于发展的阶段，并没有完善的理论体系和试验结论。
因此，通过对高大空间建筑室内气流组织的分析，确定合理的气流组织设计，对改善建筑室内的环境具有重要意义。
图1 大空间四种空调方式示意图1 计算区域及设计参数某公共建筑，结构南北对称，计算区域选取北边一半，计算区域层高约12m，占地面积约7450m2，属高大空间建筑。
计算区域按非结构网格划分。
人员工作区（高度0～2m）气流扰动较大，网格较密，非人员工作区网格相对稀疏。
根据FLUENT软件选取RNGk-ε两方程紊流模型，近壁面区域则选用标准壁面函数法，速度-压力耦合采用SIMPLE算法。
边界条件见表1，照明、设备及外墙负荷指标均参照原设计计算书选取，其中人员散热量均布在地面上。
为达到夏季室内人员工作区的要求设计温度25±0.5℃，参考相关文献资料，计算得到四种空调方式各自的设计参数，汇总于表2。
2 结果分析2.1 垂直温度分布不同高度上的平均温度值汇总于图2。
可以看出，四种空调方式都满足人员工作区的设计温度25±0.5℃，且分层效果明显。
第10章室内气流分布10、1对室内气流分布得要求与评价10、1、1概述空气分布又称为气流组织。
室内气流组织设计得任务就就是合理得组织室内空气得流动与分布，使室内工作区空气得温度、湿度、速度与洁净度能更好得满足工艺要求及人们舒适感得要求。
空调房间内得气流分布与送风口得型式、数量与位置，回风口得位置，送风参数，风口尺寸，空间得几何尺寸及污染源得位置与性质有关。
下面介绍对气流分布得主要要求与常用评价指标。
10、1、2对温度梯度得要求在空调或通风房间内，送入与房间温度不同得空气，以及房间内有热源存在，在垂直方向通常有温度差异，即存在温度梯度。
在舒适得范围内，按照ISO7730标准，在工作区内得地面上方1、1m与0、1m 之间得温差不应大于3C (这实质上考虑了坐着工作情况)；美国ASHRAE55-9标准建议1. 8m与0. 1m之间得温差不大于3C (这就是考虑人站立工作情况)。
10、1、3工彳乍区得风速工作区得风速也就是影响热舒适得一个重要因素。
在温度较高得场所通常可以用提高风速来改善热舒适环境。
但大风速通常令人厌烦。
试验表明，风速v0、5m/s时，人没有太明显得感觉。
我国规范规定：舒适性空调冬季室内风速〉0、2m/s,夏季〉0、3m/So工艺性空调冬季室内风速〉0、3m/s,夏季宜采用0、2-0> 5m/So10、1、4吹风感与气流分布性能指标吹风感就是由于空气温度与风速(房间得湿度与辐射温度假定不变)引起人体得局部地方有冷感，从而导致不舒适得感觉。
1・有效吹风温度EDT美国ASHRAB有效吹风温度EDT(Effective Draft Temperature) 来判断就是否有吹风感，定义为EDT (txtm) 7.8(x0.15) (10-1)式中tx,t卄室内某地点得温度与室内平均温度，C； v X-室内某地点得风速，m/s。
对于办公室，当EDT=-1. 7~IC,VxV0、35m/s时，大多数人感觉就是舒适得，小于下限值时有冷吹风感。
