1. 引言

21世纪以来，随着科技的发展和工业化进程的加快，大量的温室气体排放导致全球气候变暖、海平面上升、能源危机等问题日益严峻。全球范围内低碳环保和可持续发展的理念已深入人心。近几年，我国民用建筑正朝着功能多样化发展，高大空间建筑数量快速增加，导致建筑业能耗大幅度增加。有关研究显示，我国建筑业全过程所消耗能源排放的二氧化碳量约占全国二氧化碳排放量的51.3% [1]。空调系统能耗占建筑总能的50%~60% [2]。在我国推行“双碳”战略目标的背景下，大力推进低能耗、节能环保型建筑是当前建筑行业的主要发展趋势。

高大空间建筑空调系统能耗高，其空间跨度大、结构功能多样化、室内热环境复杂，不合理的空调气流组织方式不仅会造成室内人员的舒适度降低，还会造成极其严重的能源浪费，所以气流组织的设计尤为重要。但对于高大建筑气流组织的方案选择还没有非常成熟的理论和实验经验，需要借助相应的模拟软件对气流数值进行模拟分析，根据分析结果选择出最合理的方案。目前运用最广泛的技术是CFD (Computational Fluid Dynamics)技术，它因具有高效率、低成本、数据详细等优点而被研究人员所青睐，已成为解决空调系统设计中问题的重要手段。梁爽运用CFD模拟仿真和对比择优法对某大空间制药厂的空调系统送风形式进行优化设计，达到包装车间内温度控制在25℃以下、气流组织分布均匀及工作环境改善的目的[2]。范洁静运用CFD技术对展厅内大空间建筑进行了气流组织方案模拟优化。分别对比了旋流型送风口在不同叶片旋流角度、送风风速、送风温度下，夏季和冬季工况下的室内热环境情况。给室内气流组织方案模拟优化提供了有效的参考借鉴[3]。王丽莎对工业车间原置换通风 + 顶部风机盘管送风的气流组织方式进行了数值模拟，对该气流组织进行改进分析[4]。申颖对某中学体育馆球形喷口冬季工况和夏季工况进行了模拟分析，研究了室内分层空调的空气分布特点，给分层空调的设计提供有效的参考信息，从而充分发挥分层空调的作用[5]。

本文拟运用CFD技术对北京某综合政务中心内中庭气流组织方案进行模拟优化，并分析其方案是否满足设计要求。

2. 研究对象描述

该中庭贯穿了建筑二、三、四层，每层层高4.5 m，共13.5 m。中庭四周均不与外界直接接触，屋顶有一面玻璃幕墙尺寸为：12.9 m × 7.3 m。建立模型尺寸为长 × 宽 × 高：22 m × 12.75 m × 13.5 m，东西方向长度12.75 m，南北方向长度22 m。送风口：采用双层百叶风口，尺寸为300 × 200 mm，东西侧墙各布置6个，送风口总共12个，工况一布置在离地2.5 m高的侧墙上，工况二为离地3 m高，工况三为离地3.5米高。回风口：尺寸为600 mm × 500 mm，中庭首层东西侧墙各布置3个，总共6个回风口。均匀布置在离地0.5 m高度处。屋顶玻璃幕墙上设置有一个尺寸1500 × 600 mm的排风口，以排除上部热空气。

3. 模型的建立及模拟方法

3.1. 数学模型的建立

本次模拟采用Fluent软件进行模拟分析，对模型构建见图1中庭模型：

Figure 1. Atrium model

图1. 中庭模型

3.2. 模拟方法

模型网格采用六面体非结构性网格，六面体网格相比于四面体网格其精度更高、更快速收敛、单元数量少，能极大地减少计算时间，但网格的生成相对复杂[6]。为更精确地模拟，对速度梯度和温度梯度变化较大的区域如：送风口、回风口、人员周围、近壁面区域进行网格加密，其余区域不进行加密，从而减少了计算时间。送风口设为速度入口，回风口为压力出口，室内热源包括人员、灯具、设备等均作定热流计。墙体壁面外墙体做定热流计、内墙为等壁温26℃，静止壁面、无滑移。

本次模拟采用RNG k-ɛ两方程模型，RNG k-ɛ模型考虑了湍流漩涡，提高了计算精度，同时可以处理近壁面低雷诺数，故在高大空间气流模拟中具有广泛的应用。采用标准壁面函数，辐射模型采用Surface to Surface (S2S)模型。考虑重力因素，重力方向为Y轴向下−9.8 m/s²。压力–速度耦合方程采用SIMPLEC方案，梯度插值算法采用Least Squares Cell Based。压力插值算法采用Second Order，动量和能量采用二阶迎风格式，湍流动能和湍流耗散率采用一阶迎风格式。

4. 数值模拟计算结果及数据分析

4.1. 模拟结果

模拟工况划分见表1所述，由于中庭内人员停留时间短，人员不固定，为分析对应工况下中庭内人员活动区的温度、风速分布情况，截取了室内典型断面进行分析，分别截取人员活动区离地1.7 m平面即Y = 1.7 m，送风口断面竖直方向上即Z = 12.35 m云图进行分析。

4.2. 数据分析

1) 人员活动区温度场结果分析

如图2为工况一室内离地1.7 m平面的温度分布情况，从模拟结果可以看出，室内温度波动在22.64℃~26.88℃之间，温度最低处出现在射流交汇处，并向两周扩散，温度最高处出现在西面侧墙墙角处。此处墙角温度高于其余墙角，是因为该区域靠近太阳辐射直射地面处，以及墙角空气流动受阻。但该区域属于非人员逗留区域，不影响人员的舒适感。该平面平均温度为23.42℃。

Table 1. Table of simulated working conditions

表1. 模拟工况表

Figure 2. Working condition 1: Y = 1.7 m temperature cloud image

图2. 工况一：Y = 1.7 m温度云图

Figure 3. Working condition 2: Y = 1.7 m temperature cloud image

图3. 工况二：Y = 1.7 m温度云图

Figure 4. Working condition 3: Y = 1.7 m temperature cloud image

图4. 工况三：Y = 1.7 m温度云图

Figure 5. Working condition 1: Y = 1.7 m velocity cloud image

图5. 工况一：Y = 1.7 m速度云图

Figure 6. Working condition 2: Y = 1.7 m velocity cloud image

图6. 工况二：Y = 1.7m速度云图

Figure 7. Working condition 3: Y = 1.7 m velocity cloud image

图7. 工况三：Y = 1.7 m速度云图

Figure 8. Working condition 1: Z = 12.35 m temperature cloud image

图8. 工况一：Z = 12.35 m温度云图

Figure 9. Working condition 2: Z = 12.35 m temperature cloud image

图9. 工况二：Z = 12.35 m温度云图

Figure 10. Working condition 3: Z = 12.35 m temperature cloud image

图10. 工况三：Z = 12.35 m温度云图

图3为工况二室内离地1.7 m平面的温度分布情况，从模拟结果可以看出，室内温度波动在22.71℃~27℃之间，温度最低处同样出现在射流交汇处，并向两周扩散，温度最高处出现在西面侧墙墙角处。该平面平均温度为23.65℃。

图4为工况三室内离地1.7米平面的温度分布情况，从模拟结果可以看出，室内温度波动在23℃~27.16℃之间，温度最高处出现在西面侧墙墙角处。该平面平均温度为24℃。

三个工况下离地1.7 m处平面的温度均满足设计温度26℃的要求。由此可知，三种送风高度对人员活动区的温度影响不大，可满足要求。

2) 人员活动区速度场结果分析

为满足人员舒适性要求，舒适性空调夏季空气调节区风速应 ≤ 0.3 m/s，但相关文献中提到[7]，对于中庭这类人员密度小且停留时间短的建筑，允许局部风速稍高，风速在0.5 m/s以下对人员不会造成明显的不适感。

如图5为工况一离地1.7 m平面的速度云图，室内最大风速出现在房间中间射流交汇处，此处局部风速过大，风速大于了0.5 m/s。同时在西侧墙角处，由于此处受太阳透过幕墙直射，送风口送风射流一部分贴壁送出，故在此处会有局部风速大于其余区域。室内其余区域风速均衰减到0.5 m/s以下，该平面平均风速为：0.184 m/s。

如图6为工况二离地1.7 m平面的速度云图，室内最大风速同样出现在房间中间射流交汇处，此处局部风速过大，风速大于了0.5 m/s。但相比于工况一，风速过大区域面积有明显减小。同样在西侧墙角处，由于此处受太阳透过幕墙直射，送风口送风射流一部分贴壁送出，故在此处会有局部风速大于其余区域。室内其余区域风速相比于工况一也有明显的减小，风速更小的区域面积增加。该平面平均风速为：0.162 m/s。

如图7为工况三离地1.7 m平面的速度云图，从图中可以看出，相比于工况一和工况二，室内整体风速均小于0.5 m/s，只有在西侧墙角处风速略大于0.5 m/s，但此处属于非人员活动区域，故不影响室内人员舒适感。室内最大风速同样出现在房间中间射流交汇处，但此处局部风速较大的区域也都小于了0.5 m/s。室内人员不会有明显的不适感。该平面平均风速为：0.148 m/s。

通过三个工况对比发现，送风位置高度，对室内人员活动区的风速有较大的影响，相同送风温度、相同速度下，当送风高度越低时到达人员活动区的平均风速越大，随着高度增加，平均风速减小，经过对比发现当送风高度为3.5 m时，效果更好，人员活动区舒适性更高。

3) 送风断面竖直面温度模拟结果分析：从图8、图9、图10可以看出，三个工况下中庭空调区和非空调区具有明显的温度分层现象，有利于空调系统节能。竖直面上最大温度梯度为5℃，随着送风口高度的增加，分层高度增加，人员活动区域的平均温度也稍有变化，送风高度为2.5 m、3 m、3.5 m时人员活动区平均温度分别为23.42℃、23.65℃、24℃。在靠近屋顶幕墙处，由于壁面温度较高，该处空气被加热故而温度较高。

5. 结论

本文主要以北京市某综合政务中心中庭为研究对象，利用CFD计算软件Fluent，对大空间建筑室内气流组织进行数值模拟计算，得到以下结论：对比了不同送风高度下中庭人员活动区温度、风速分布情况。通过对比发现，在送风温度和速度都相同的前提下，不同送风高度下，中庭人员活动区域温度均能满足设计要求。但2.5 m和3 m高度送风时，中庭人员活动区域的区域风速大于0.5 m/s，此时人员会有明显的不适感，而当送风高度为3.5米时，中庭内人员活动区域整体风速均小于0.5 m/s，人员舒适性更高，故从人员舒适性方面考虑，3.5 m高度送风效果更好。

基金项目

国家自然科学基金项目(52378103)：基于声聚并与水汽凝结的油性细颗粒长大机理及净化效率提升研究；机械工业联合会机械工业创新平台建设项目(2019SA-10-07)。

参考文献