第三讲 大空间建筑室内气流组织设计

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。

四、气流组织的设计计算气流组织设计的任务就是合理地组织室内空气的流动与分布、确定送风口的型式、数量与尺寸,使工作区的风速与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、湿度与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瞧做自由射流外,大部分房间的侧送风气流都就是受限射流。

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,射流断面与流量都达到了最大,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与温差可以充分衰减,工作区达到较均匀的温度与速度;使整个工作区为回流区,可以减小区域温差。

第一章气流组织设计7.4.1 空调区的气流组织设计，应根据空调区的温湿度参数、允许风速、噪声标准、空气质量、温度梯度以及空气分布特性指标(ADPI)等要求，结合内部装修、工艺或家具布置等确定；复杂空间空调区的气流组织设计，宜采用计算流体动力学(CFD)数值模拟计算。

7.4.2空调区的送风方式及送风口选型，应符合下列规定：1 宜采用百叶、条缝型等风口贴附侧送；当侧送气流有阻碍或单位面积送风量较大，且人员活动区的风速要求严格时，不应采用侧送；2 设有吊顶时，应根据空调区的高度及对气流的要求，采用散流器或孔板送风。

当单位面积送风量较大，且人员活动区内的风速或区域温差要求较小时，应采用孔板送风；3 高大空间宜采用喷口送风、旋流风口送风或下部送风；4 变风量末端装置，应保证在风量改变时，气流组织满足空调区环境的基本要求；5 送风口表面温度应高于室内露点温度；低于室内露点温度时，应采用低温风口。

7.4.3采用贴附侧送风时，应符合下列规定：1 送风口上缘与顶棚的距离较大时，送风口应设置向上倾斜10°～20°的导流片；2 送风口内宜设置防止射流偏斜的导流片；3 射流流程中应无阻挡物。

7.4.4采用孔板送风时，应符合下列规定：1 孔板上部稳压层的高度应按计算确定，且净高不应小于0.2m；2 向稳压层内送风的速度宜采用3 m／s～5m／s。

除送风射流较长的以外，稳压层内可不设送风分布支管。

稳压层的送风口处，宜设防止送风气流直接吹向孔板的导流片或挡板；3 孔板布置应与局部热源分布相适应。

7.4.5采用喷口送风时，应符合下列规定：1 人员活动区宜位于回流区；2 喷口安装高度，应根据空调区的高度和回流区分布等确定；3 兼作热风供暖时，宜具有改变射流出口角度的功能。

7.4.6采用散流器送风时，应满足下列要求：1 风口布置应有利于送风气流对周围空气的诱导，风口中心与侧墙的距离不宜小于1.0m；2 采用平送方式时，贴附射流区无阻挡物；3 兼作热风供暖，且风口安装高度较高时，宜具有改变射流出口角度的功能。

大空间办公室室内气流组织模拟分析摘要：风机盘管侧吹的距离较小，常与空间净高或装修要求相冲突，本次模拟计算得出：合理布置送排风口位置，合理设计风口类型尺寸、选择适当风速大小，可有效的增大风机盘管的送风距离，使人员活动区处在回风区，同时有效控制风速与噪声在合理区间。

关键字：气流组织；风机盘管；新风；风速一、建筑概况本次模拟分析采用Phoenics软件中的FLAIR模块，分析在不同送风方式下室内气流组织的分布情况，本次着重对室内温度，风速和风压三个指标进行分析说明。

大空间办公室尺寸为9m*18m*4.5m，其中18米为长，宽为9米，高为4.5米，在9米的两边上各装2台风机盘管，采用侧送风对吹方式，回风采用在风盘下部，风机盘管吊装在梁底，方案送风口高度为3.40m，回风口高度为3.15m，本次模拟分析采用四种不同布置方案。

1.1方案一送风口尺寸为1200*150，风量为1800CMH，按1次/h的换气次数进行设计计算；在走廊侧设有面积约为1m2的新风口，采用缝隙渗透的进风方式。

该方案送风口高度为3.40m,回风口高度为3.15m,盘管间隔3m,盘管距离长边外墙约为2.7m，送风口距离短边外墙为1.5m，回风口距离短边外墙1.2m。

排风口尺寸为0.35*0.25m,距离长边墙1.8m,高度为3.4m，间隔3m。

平面示意图1.3方案三新风采用机械送风，并经冷却处理，新风口与风盘同高，新风口尺寸为400*150，风速为2.95m/s；风盘送风口尺寸为900*150，风速为2.95m/s，布置形式为对吹方式；回风口尺寸为2200*300，风速为1.75m/s。

在阳台及走廊处各设有1台排风风机，按1次/h的换气次数进行设计计算。

1.4方案四新风采用机械送风，并经冷却处理，新风口与风盘同高，新风口尺寸为600*130，风速为2.95m/s；风盘送风口尺寸为900*130，风速为2.95m/s，布置形式为对吹方式；回风口尺寸为1200*300，两侧布置，风速为1.75m/s。

大空间建筑气流组织模拟及优化分析宣湟;丁剑红;曹毅然【摘要】以上海市某新建大空间项目为例,结合CFD模拟技术,对室内看台区的制冷系统气流设计进行方案比选和优化分析.项目最终选定的"座椅送风+局部上送风"的气流组织设计方案有效解决了常规空调模式送风效率低、温度控制能力弱的问题,也优化了普通座椅送风方式下,局部走道和连廊区域热舒适性差的弊端.本研究内容对于利用CFD模拟技术对大空间公共建筑及居住建筑的气流组织进行优化设计方面具有显著的应用意义.【期刊名称】《住宅科技》【年(卷),期】2017(037)002【总页数】4页(P39-42)【关键词】大空间建筑;CFD;气流组织;节能【作者】宣湟;丁剑红;曹毅然【作者单位】上海交通大学;伊尔姆环境资源管理咨询(上海)有限公司;上海众材工程检测有限公司第一事业部【正文语种】中文建筑节能是国家实现节能减排总体目标的重要组成部分。

大空间建筑制冷能耗巨大，特别是其中的风机能耗，节能潜力很大，是建筑节能领域研究的重点之一。

大空间建筑的气流组织设计一直是制冷系统设计的重点，也是难点，传统的空调设计方法在该类型建筑中受到挑战。

以计算流体力学（CFD）模拟为代表的新技术手段正越来越多地应用到制冷系统气流组织设计中去，通过准确的建模和模拟计算，较高精度地定量分析不同设计方案的预期实施效果，从而进行方案比选和优化，不仅确保了设计方案的有效性，还提高了设计工作效率。

在以剧场为代表的大空间公共建筑中，CFD模拟技术的作用尤为突出，对于解决大空间公共建筑典型的上热下冷温度分层问题和提高制冷系统整体运行效率，发挥了重要作用。

本文将以上海市某新建大空间项目为例，结合CFD模拟技术，对室内看台区的制冷系统气流进行方案比选和优化，并最终得到了一套有效的解决方案。

1.1 项目概况上海市某新建大空间项目，总用地面积约5.6hm2，总建筑面积约15万m2。

项目的核心部分是一座可容纳1 500人的高级室内剧场。

大空间室内气流组织的数值模拟与设计应用摘要：本文根据计算流体动力学（computational fluid mechanics， cfd）理论，利用基于控制体积的数值模拟方法对大空间区域的气流组织进行模拟计算，通过比较分析冬、夏两个季节的设备余压、送风风速以及送风角度等参数，获得优化的空调设计条件：选用机外余压为120pa的vrv空调室内机，风量、风速在一定范围内可调，采用可调式球型喷口作为送风风口，百叶风口作为回风口，侧送上回的气流组织形式。

关键词：vrv空调系统；气流组织；cfd；数值模拟；射流1 引言随着现代人们生活水平的提高，高大空间在建筑物内应用越来越广泛，人们对大空间的室内环境也提出了更高的要求。

建筑空间内的气流组织形式决定了空调区人员的舒适性以及空调能耗的多少，因此各种气流组织形式在高大空间中的应用引起了广泛讨论。

李琳等对分层空调、置换通风、地板送风以及碰撞射流等四种形式作了相应分析和比较[1～6]。

为了评价空气入流条件对空气流动情况的影响，赵彬等提出应用于空气流动数值模拟的风口模型新思路[7]；罗卓英等应用n点风口模型模拟百叶风口在空调房间内的影响[8]；任荣等比较了喷口风口和喷口加二次气流送风形式对冬季分层空调的影响[9]。

本文以江苏淮安玖珑湾商务中心销售大厅作为研究对象（图1），借助cfd软件进行数值模拟计算，得出最优的空调设计条件。

2 项目概况江苏省淮安市玖珑湾项目商务中心，总建筑面积5979.22平方米，建筑高度18.4米，共3层高，属于一类公共建筑。

主要功能包括销售大厅、餐饮、恒温游泳池、运动健身区、展厅等。

根据建筑使用功能、使用时间以及业态管理方式的不同，结合当地不同季节的冷、热需求特点，以及空调系统布置位置的局限，选用变制冷剂流量（variable refrigerant volume，vrv）空调系统，进行夏季供冷，冬季供暖。

由于业主装修的方案，限制该空间只能使用侧送上回的气流组织形式，故采用数值模拟的方法来进行辅助分析，帮助解决暖通设计中设备机外余压、风口选型、风口出流速度及出流角度等参数问题。