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
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。
气流组织_精品文档
混合流(局部单向流)洁净室
4.1 非单向流式气流组织
作用原理
当一股干净气流从送风口 送入室内时，迅速向四周 扩散、混合。同时把差不 多同样数量的气流从回风 口排走，这股干净气流稀 释着室内污染的空气，把 原来含尘浓度很高的室内 空气冲淡了，一直达到平 衡。所以气流扩散的越快 ，越均匀，那么稀释的效 果当然越好。 非单向流洁净室的原理就 是稀释作用。
4.2 单向流式气流组织
作用原理
在单向流洁净室内， 干净气流充满全室断 面，所以这种洁净室 不是靠掺混作用，而 是靠推出作用将室内 脏空气沿整个断面排 至室外，从而达到净 化室内空气的目的。 单向流洁净室的原理 就是“活塞”作用。
特点
单向流式气流组织方式要求室内断面保持一定的 风速，其折算的换气次数高达每小时数百次（200 ～600次/h），为非单向流的10～20倍，故可以使 室内达到较高的洁净度。洁净气流本身对污染源 会产生隔离作用，抑止了尘菌等污染物向房间的 扩散。
③当污染气流与送风气流逆向时，送风气流能 把污染气流抑制在必要的距离之内；
④在全室被污染的情况下，足以在合适的时间 内迅速使室内污染空气自净。
下限风速建议值
洁净室 下限风速 （m/s）
条
件
《医药工业洁净厂
房设计规范》值（ m/s）
垂直 单向流
0.12 0.3 不大于0.5
平时无人或很少有人进出，无明显热源
乱流度是为了说明速度场的集中和离散程 度而定义的，用于不同的速度场的比较。 《洁净室施工及验收规范》中规定乱流度 的计算式为：
（3）下限风速 下限风速主要式为了保证洁净室能控制以下四 种污染而制定的。
①当污染气流多方位扩散时，送风气流要能有 效控制污染的范围；
大空间建筑空调气流组织计算方法
大空间建筑空调气流组织计算方法下载提示：该文档是本店铺精心编制而成的，希望大家下载后，能够帮助大家解决实际问题。
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室内通风的气流组织与性能评价
置换通风与冷却顶板系统
• 冷负荷的比例分配
– 冷却顶板所占比例增大，垂直温差变小，提高热舒适 – 实验结果：冷负荷比例<60% – 国外实验和工程表明： 50%~55%
• 最大冷负荷
– 冷负荷为50W/m2时，热舒适性好 – 冷负荷越大，置换通风消除的冷负荷占的比例也越大
• 室内湿度与结霉问题
办公建筑案例
单空间建筑自然通风
• 一维二区模型分类
– 无热分层单区水模型 – 热分层二区水模型 – 热分层二区无梯度空气模型 – 热分层二区线性梯度空气模型
单空间建筑自然通风
• 无热分层单区水模型
单空间建筑自然通风
• 热分层二区水模型
单空间建筑自然通风
• 热分层二区无梯度空气模型
单空间建筑自然通风
• 热分层二区线性梯度空气模型
• 混合通风特点
– 高速气流与室内空气充分混合 – 稀释室内污染物（包括余热、余湿） – 温度和污染物浓度均匀一致
第三节 置换式通风
置换通风
• 特点与应用
– 送风温度低，冷空气下沉到地表面 – 送风速度为0.2-0.5m/s左右 – 垂直温度梯度：热源引起的热对流气流。 – 排风温度：高于室内工作温度 – 主导气流：由室内热源所控制
办公建筑案例
• 置换通风：呼出水蒸气为污染物， • 呼吸区相对湿度为55% • 送风相对湿度为68.8% • 排风相对湿度为42.7% • V=0.2m/s，F=0.66m2 • 1个送风口，F=0.66m2
办公建筑案例
• 设计计算结果汇总 送风量 送风温度 送风湿度 送风温差 排风温度 呼吸区CO2浓度 新风比 人均新风量 送风口面积 480m3/h 20℃ 68.8% 4℃ 28.5℃ 1.63g/m3 15% 36m3/h 0.66m2
大空间建筑气流组织PPT课件
剧场、音乐厅、会场的气流组织问题
• 侧送下回：从观众厅两侧（高度3米左右） 水平方向的喷口送风，造价便宜。
剧场、音乐厅、会场的气流组织问题
• 后部喷口送风：利用密集排列的直径100～ 150mm的圆喷口从观众席后部向平台方向送风， 出口风速<8m/s。回风口设在同一侧，使观众 处于回流区。对电影院比较适合。
长 时 间 停 剧场观众
○
△
□
△
○
留且对舒
厅
适要求高
教堂
的场合
大教室
长时间停
体育馆
○
×
○
△
□
留 且 对 舒 室内棒球
适要求不
场
太高
大工场
短 时 间 停 空港大厅
○
×
○
□
×
留的场合
门厅
注：○不论规模大小均适宜；△仅小规模适用；□按实际场合的使用性质作决定；×不适当。
剧场、音乐厅、会场的气流组织问题
• 上送下回：以垂直向下的顶送为主。根 据控制高度不同，可采用普通的散流器 和下送喷口。考虑冷热射流的区别，很 多工程采用可调射程和方向的送风口
空调方式对温度梯度的影响
空调送回风方式对负荷率的影响
高大空间一般采用分层空调
• 原则：
• 供冷时，冷风只送到工作区。利用室外空 气或回风形成上部非空调空间。
• 供热时，送风温差宜小，且送到工作区。 有条件时与辐射采暖相结合。
空调送风方式的总体选择
分类
例
顶棚喷口
顶 棚 散 流 横向喷口 器
横 向 散 流 向上送风 器
建 筑 拱顶球场
场 所 物馆
会 场 大 会 议 厅 、 讲 堂 、 宗 教 教堂、寺院
算例气流组织设计
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。
气流组织设计
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。
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回风
送风
组成 作用
气流Ⅰ
气流Ⅱ
小容量送风机A 小口径管道B 定向喷嘴C
大送风机（或空调器D） 短送风管E 普通送风口F
高冲力（～6kgm/s2，50m/s的流速）热湿处理、换气 诱导气流Ⅱ
第三讲 大空间建筑室内气流组织设计
主要设计条件： 1. 室内温湿度、速度设计参数 2. 建筑几何结构，建筑空间设计允许情况
主要设计要点： 1. 设计区域满足温度、速度要求（无吹风感） 2. 观众看台上下部温差＜2℃ 3. 找最不利点进行校核计算
设计参数：
有资料分析表明：夏季室内计算温度由26提高至28℃，冷负荷 可减少21-23%，冬季22 ℃将为20℃，则热负荷可减少26-31%
3. 校核计算结果，不满足下述条件，重设t0，或y和x 重复计算直至下述条件满足。
d0≤≥0.2~0.8m，v0＞10m/s 4. d0、v0L0 喷嘴个数N
L总 5. 远程和近程两排喷口侧送 计算原则： 1）一般远程为水平送风负责远距离送风，
风量为总送风的2/3，近程喷口以一定角度送 风负责近距离区域，一般为总送风的1/3 2）两排风口侧送分别单独计算
室内风速及其它设计参数：
羽毛球、乒乓球、冰球：风速≤0.2m/s（国外有0.15m/s) 观众席：0.15-0.30m/s 其他：工作区高度（乒乓房）：10-11m 换气次数：现行规范规定：高大空间建筑的换气次数：≤5次/h 送风温差：6-8℃ 目前我国建成的体育馆风量一般都在31～39m3/h 噪声标准：NC45-NC50
冷热指标：
观众密度：2-2.5人/m2 比赛场照明负荷：大型：100-200W/M2；中小型：50-70W/m2 一般：冷负荷估算指标：180-470W/m2
热负荷估算指标：120-180W/m2 通常：人员负荷、照明负荷＞新风负荷＞围护结构负荷(＜20%)
空调系统特点
送风管风速：低速：＜15m/s，高速系统：＞ 15m/s， 使用特点：容积大、净空高、人员密度高、热湿负荷大、新风
3. 计算步骤与上述相同，存在着 计算校核重设参数校核——符合要求
大空间建筑送风系统常见节能设计
1. 夏季上排风排除热量——自然或机械排风系统 2. 冬季上排风回收热量——板式空气热回收系统
3. 冬夏季两用送风口
大空间建筑送风系统常见节能设计
4. 冬夏季两用送风口
5. Dirivent系统
k——风口特性系数，尽可能由厂家提供
De
4
Af
l (0.22 31.3 vp )x k Lpvc
下送风方式设计原则
1. 按每个观众所需风量和送风速度设计确定风口个数
v0 2m / s t0 1 ~ 3C 送风诱导比 1 ~ 2
2. 下送风方式除了座椅送风外，还有座椅下台阶侧面 送风、梁式送风等形式
可调、出风速度＜6.5m/s
座椅送风
下送上回方式
节能 新风充足
特点
风口型式复杂
座
地板灰尘二次飞扬
椅
柱
送
风
座椅背送风
梁式通风座椅
大阪中央体育馆
？
分区送风：考虑满足不同区域功能要求
功能要求不同。如观众区和比赛场，观众区与池区
回风口设置：考虑气流均匀性
考虑送风方式的组合：上送下回；下送上回
排风口设置：考虑排除热量
量大、间歇使用 系统形式：一般采用集中式、定风量、单风道、全空气低速空
调系统 系统类型：一次回风系统、可全新风系统
送风方式
上送下回方式
散流器上送下回
喷口上送下回
旋流风口上送下回
孔板或条缝上送下回
卷吸混 合强
侧送下回方式
分区域送风
喷口侧送下回
双排喷口喷口侧送下回
百叶封口或条缝侧送下回
双排百叶风口侧送下回
考虑照明负荷、人员负荷，并结合新风量要求
喷口射流送风计算步骤
1. 确定计算参数,射程x,落差y,工作区域风速vx,送风温差t
x 30 ~ 50 d0 v p / vx 0.5
多股
y d0
vx v0
x tg
d0
3.347
Ar00.8.11427Ar1d.x10561dx.5012.5如果A是r扁平g射v0t20流Td、0 并
行射流，则应用相应
的射流计算公式
2. 利用上述公式求解风口直径d0、送风速度v0
射流平送时ห้องสมุดไป่ตู้ d0 0.064(T / t0)0.015 x0.302 y0.687vx1.23
v0 4.295(T / t0)0.561 x1.124 y0.533vx0.132
喷口射流送风计算步骤
非等温垂直送风（上送风）计算
1. 单股垂直射流计算式
vx k d0 [11.9 Ar ( x )8 ]1/ 3
v0
x
k d0
2. 多股垂直射流计算式
vx k de [1 0.02( x )3] /( x )
v0 De
De
De
de——风口当量直径
De——每个风口管辖的断面积Af的当量直径