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摘要：针对目前铁路调度楼调度大厅室内热环境要求较高，对调度大厅室内气流组织采用CFD软件进行模拟，通过对两种方案比较，得出最佳送回风形式，从而为类似工程提供参考。
关键词：CFD；气流组织；热环境
1.项目简介：
某调度楼共有11层，其中十一层为调度大厅。大厅面积约890㎡，送风口高度确定为5.5m，送风口配合装修要求，采用双层百叶风口送风。
此次研究以国内主流CFD软件[1]PHOENICS作为分析工具，该软件开发的FLAIR模块是针对暖通空调系统（HVAC）专门开发的CFD计算模块。用来预测建筑物或封闭空间中的空气流动、温度分布、热舒适评价等具有较好的准确度。
2.设计要求及边界条件
2.1 设计要求
调度大厅要求24小时办公，对室内热舒适度要求较高。
温湿度满足我国规范[2]要求：温度为24～26（℃）、风速≤0.25（m/s）、相对湿度40～60（%）。
热舒适度等级满足我国规范[3]要求：-0.5≤PMV≤0.5、PPD≤10%。
2.2 初始边界条件
（1）送风参数及送回风形式
送风口尺寸：风口采用双层百叶，800×600mm；送回风形式为上送侧回。
（2）热源设定
人员散湿量96g/h，散热量134W，人员68人，室内总负荷202.6kW，湿负荷0.0018kg/s，围护结构冷指标见表2.2-1。
表2.2-1 围护结构冷指标
热源位置 显热量 冷负荷指标
东北外墙 4.684kW 5.00W/m2
西南外墙 1.476kW 1.58W/m2
东南外墙 8.936kW 9.54W/m2
屋顶 7.292kW 7.78W/m2
（3）CO2浓度的设定
设定大气环境中CO2背景浓度为385ppm，人员呼吸产生的CO2为0.01g/（人·s），整个调度大厅共计68人，新风量为6800m3/h。
（4）模型尺寸
调度大厅模型尺寸：L×W×H=43m×21.8m×5.5m；CFD模型如图2.2-1所示。
图2.2-1 调度大厅CFD模型
2.3 研究流程
此次对室内热环境的研究思路如图2.3-1所示：
图2.3-1 研究流程图
2.4 各方案边界条件简介
各方案边界条件调整如下。
初始方案：根据以上边界条件进行模拟分析，采用上送侧回形式，其中室内风口布置如下图3.1-1，风口的送风温度为16℃，风速为0.63m/s，模拟结果如下图3.1-2所示。
上送侧回的改进方案：根据初始方案的计算结果，此次方案中将内墙侧风口数量减少，风口总量变为77个，风口的送风温度为16℃，风口尺寸为800x600mm；室内最初设计温度为24～26℃，根据热平衡进行计算，将送风速度设为1.1m/s；
上送上回方案的对比分析：由于初设方案已经基本能够满足设计要求，此次计算以初始方案的风口布置为基础，将回风口置于房间顶部与初始方案进行对比计算，送风口布置及数量保持不变，风口的送风温度为16℃。
3.室内温度及风速分析
3.1 初始方案
根据以上边界条件进行模拟分析，其中室内风口布置如下图3.1-1所示，风口的送风温度为16℃，风速为0.63m/s，模拟结果如下图3.1-2所示。
图3.1-1 初始方案空调送风口布置 图3.1-2 1.0m高度温度分布
从图3.2-1模拟结果可以看出，此方案室内温度场均匀性基本能够满足要求，但中间区域温度仍偏高，约在29℃左右。
3.2 上送侧回的改进方案
根据初始方案的计算结果，此次方案中将内墙侧风口数量减少，风口总量变为77个，风口的送风温度为16℃，风口尺寸为800x600mm，如下图3.2-1所示；室内最初设计温度为24～26℃，根据热平衡进行计算，将送风速度设为1.1m/s；
改进方案计算结果如下图3.2-2～3.2-4所示：
图3.2-1 风口布置 图3.2-2 1.0m高度温度分布
图3.2-3 调度大厅竖直温度分布一 图3.2-4 调度大厅竖直温度分布二
温度计算结果表明，对送风口数量及送风速度进行调整后，调度大厅的温度场已经能够满足设计要求，调度人员座位附近温度基本维持在24～25℃之间。
室内风速分布如下图3.2-5所示：
图3.2-5 1.0m高度风速分布
人员活动区大部位区域风速在0.2～0.46m/s左右，略高于设计要求中关于风速的要求。
3.3 上送上回方案的对比分析
由于改进方案已经基本能够满足设计要求，此次计算改进方案的风口布置为基础，将回风口置于房间顶部与改进方案进行对比计算，送风口布置及数量保持不变，风口的送风温度为16℃，风口布置如下图3.3-1所示。
图3.3-1 上送上回方案风口布置 图3.3-2 1.0m高度温度分布
图3.3-3 竖直温度分布一 图3.3-4 竖直温度分布二
由图3.3-2～3.3-4所示，改变回风口位置后，调度大厅的温度场分布更加均匀，区域温差有所减小，人员座位区域基本维持在24℃；过道及靠近内墙区域温度偏低，约为22℃。
室内风速分布如下图3.3-5所示：
图3.3-5 1.0m高度风速分布 人员活动区大部位区域风速在0.03～0.25m/s左右，基本满足设计要求中关于风速的要求。
由此可见，上送上回方案要优于上送侧回方案。
4.室内热舒适评价
丹麦学者Fanger提出用PMV-PPD指标以及美国ASHRAE采用的有效温度ET*指标来衡量室内的热舒适状况[4]。
PMV指标预计了大多数人群在同样环境下的平均热感觉。但是由于个体的差异，不可能存在某中任何人都感觉舒适的热环境。为了确定不舒适的人数，Fanger用PPD（预计不满意百分比）来描述。
4.1 初始方案
室内人员采用坐姿时，活动高度处PMV、PPD分布如下图4.1-1、图4.1-2所示：
图4.1-1 1.0m高度PMV分布 图4.1-2 1.0m高度PPD分布
从以上模拟结果可以看出，室内温度场均匀性基本满足要求，但PMV值仍有部分区域超过了0.5，故该方案仍需进一步改进。
4.2 上送侧回的改进方案
活动高度处PMV、PPD分布如下图4.2-1、图4.2-2所示：
图4.2-1 1.0m高度PMV分布 图4.2-2 1.0m高度PPD分布
从以上模拟结果可知，人员主要活动区域PMV值基本能够满足-0.5≤PMV≤0.5的要求，风口正下方PPD不满意率高于其他区域，但由于风口布置错开了人员座位，故主要人员活动区域PPD≤10%。基本满足设计要求中的规定，但仍有少量人员活动区域PPD达到了15%。此时，该区域CO2浓度如下图4.2-3所示。
图4.2-3 1.0m高度CO2分布
各区域CO2浓度变化不大，基本保持在640ppm～700ppm之间，满足室内人员卫生标准要求。
可见，改进方案较初始方案有了提高，人员主要逗留区域风速略高于设计标准要求，部分区域PPD大于10%，但已经基本能够满足设计要求。
4.3 上送上回方案的对比分析
活动高度处PMV、PPD分布如下图4.3-1、图4.3-2所示：
图4.3-1 1.0m高度PMV分布 图4.3-2 1.0m高度PPD分布
从以上模拟结构可知，人员主要活动区域PMV值在0.17～-0.37之间，基本能够满-0.5≤PMV≤0.5的要求，风口正下方PPD不满意率高于其他区域，但主要人员活动区域PPD≤10%。满足设计要求中的有关规定。此时，该区域CO2浓度如下图4.2-3所示。
图4.2-3 人员活动区高度CO2分布
各区域CO2浓度变化不大，基本保持在520ppm～720ppm之间，满足室内人员卫生标准要求。
综合PMV-PPD和CO2浓度场的结果，上送上回方案要优于上送侧回方案。
5.研究结论
调度所调度大厅属于对空气环境要求高且24h 工作的场所，通过对不同风口布置及不同风口数量情况下的室内温度场、速度场、PMV-PPD和CO2浓度场进行模拟分析，得出以下结论：
1.设计中充分考虑了人员所需新风量，设计值100m3/h·人能较好的改善室内空气质量，室内稳定状态时CO2人员活动区最高浓度在720ppm以下，满足设计规范[5]中CO2浓度小于1000ppm中规定的的标准。
2.计算中对风口的尺寸、布置及数量进行了对比分析，结果表明，采用百叶风口时，宜采用较多风口数量，风口尺寸应较大以降低风速（降低气流噪声），满足人员活动区风速要求。最优方案中，确定送风口尺寸为800mm x 600mm，送风风速为1.1m/s，负荷较大的外侧区域送风口宜保证每个座位一个送风口，内侧区域负荷较小，可适当减少风口数量以保证温度场的均匀性。
3.从温度场的均匀性、室内风速、PMV-PPD和CO2浓度场等指标来看，通过采用上送上回与上送侧回方案对比分析可知，采用上送上回方案时，十一层调度大厅室内环境均能满足要求，故确定上送上回方案为最终空调方案。
参考文献：
[1] 王福军.计算流体动力学分析—CFD软件原理与应用.北京：清华大学出版社，2005
[2] 《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》GB50736-2012
[3] 《中等热环境 PMV 和PPD 指数的测定及热舒适条件的规定》GB/T 18049
[4] 朱颖心.建筑环境学.北京：中国建筑工业出版社，2005
[5] 《室内空气质量标准》GB/T 18883-2002
关键词：CFD；气流组织；热环境
1.项目简介：
某调度楼共有11层，其中十一层为调度大厅。大厅面积约890㎡，送风口高度确定为5.5m，送风口配合装修要求，采用双层百叶风口送风。
此次研究以国内主流CFD软件[1]PHOENICS作为分析工具，该软件开发的FLAIR模块是针对暖通空调系统（HVAC）专门开发的CFD计算模块。用来预测建筑物或封闭空间中的空气流动、温度分布、热舒适评价等具有较好的准确度。
2.设计要求及边界条件
2.1 设计要求
调度大厅要求24小时办公，对室内热舒适度要求较高。
温湿度满足我国规范[2]要求：温度为24～26（℃）、风速≤0.25（m/s）、相对湿度40～60（%）。
热舒适度等级满足我国规范[3]要求：-0.5≤PMV≤0.5、PPD≤10%。
2.2 初始边界条件
（1）送风参数及送回风形式
送风口尺寸：风口采用双层百叶，800×600mm；送回风形式为上送侧回。
（2）热源设定
人员散湿量96g/h，散热量134W，人员68人，室内总负荷202.6kW，湿负荷0.0018kg/s，围护结构冷指标见表2.2-1。
表2.2-1 围护结构冷指标
热源位置 显热量 冷负荷指标
东北外墙 4.684kW 5.00W/m2
西南外墙 1.476kW 1.58W/m2
东南外墙 8.936kW 9.54W/m2
屋顶 7.292kW 7.78W/m2
（3）CO2浓度的设定
设定大气环境中CO2背景浓度为385ppm，人员呼吸产生的CO2为0.01g/（人·s），整个调度大厅共计68人，新风量为6800m3/h。
（4）模型尺寸
调度大厅模型尺寸：L×W×H=43m×21.8m×5.5m；CFD模型如图2.2-1所示。
图2.2-1 调度大厅CFD模型
2.3 研究流程
此次对室内热环境的研究思路如图2.3-1所示：
图2.3-1 研究流程图
2.4 各方案边界条件简介
各方案边界条件调整如下。
初始方案：根据以上边界条件进行模拟分析，采用上送侧回形式，其中室内风口布置如下图3.1-1，风口的送风温度为16℃，风速为0.63m/s，模拟结果如下图3.1-2所示。
上送侧回的改进方案：根据初始方案的计算结果，此次方案中将内墙侧风口数量减少，风口总量变为77个，风口的送风温度为16℃，风口尺寸为800x600mm；室内最初设计温度为24～26℃，根据热平衡进行计算，将送风速度设为1.1m/s；
上送上回方案的对比分析：由于初设方案已经基本能够满足设计要求，此次计算以初始方案的风口布置为基础，将回风口置于房间顶部与初始方案进行对比计算，送风口布置及数量保持不变，风口的送风温度为16℃。
3.室内温度及风速分析
3.1 初始方案
根据以上边界条件进行模拟分析，其中室内风口布置如下图3.1-1所示，风口的送风温度为16℃，风速为0.63m/s，模拟结果如下图3.1-2所示。
图3.1-1 初始方案空调送风口布置 图3.1-2 1.0m高度温度分布
从图3.2-1模拟结果可以看出，此方案室内温度场均匀性基本能够满足要求，但中间区域温度仍偏高，约在29℃左右。
3.2 上送侧回的改进方案
根据初始方案的计算结果，此次方案中将内墙侧风口数量减少，风口总量变为77个，风口的送风温度为16℃，风口尺寸为800x600mm，如下图3.2-1所示；室内最初设计温度为24～26℃，根据热平衡进行计算，将送风速度设为1.1m/s；
改进方案计算结果如下图3.2-2～3.2-4所示：
图3.2-1 风口布置 图3.2-2 1.0m高度温度分布
图3.2-3 调度大厅竖直温度分布一 图3.2-4 调度大厅竖直温度分布二
温度计算结果表明，对送风口数量及送风速度进行调整后，调度大厅的温度场已经能够满足设计要求，调度人员座位附近温度基本维持在24～25℃之间。
室内风速分布如下图3.2-5所示：
图3.2-5 1.0m高度风速分布
人员活动区大部位区域风速在0.2～0.46m/s左右，略高于设计要求中关于风速的要求。
3.3 上送上回方案的对比分析
由于改进方案已经基本能够满足设计要求，此次计算改进方案的风口布置为基础，将回风口置于房间顶部与改进方案进行对比计算，送风口布置及数量保持不变，风口的送风温度为16℃，风口布置如下图3.3-1所示。
图3.3-1 上送上回方案风口布置 图3.3-2 1.0m高度温度分布
图3.3-3 竖直温度分布一 图3.3-4 竖直温度分布二
由图3.3-2～3.3-4所示，改变回风口位置后，调度大厅的温度场分布更加均匀，区域温差有所减小，人员座位区域基本维持在24℃；过道及靠近内墙区域温度偏低，约为22℃。
室内风速分布如下图3.3-5所示：
图3.3-5 1.0m高度风速分布 人员活动区大部位区域风速在0.03～0.25m/s左右，基本满足设计要求中关于风速的要求。
由此可见，上送上回方案要优于上送侧回方案。
4.室内热舒适评价
丹麦学者Fanger提出用PMV-PPD指标以及美国ASHRAE采用的有效温度ET*指标来衡量室内的热舒适状况[4]。
PMV指标预计了大多数人群在同样环境下的平均热感觉。但是由于个体的差异，不可能存在某中任何人都感觉舒适的热环境。为了确定不舒适的人数，Fanger用PPD（预计不满意百分比）来描述。
4.1 初始方案
室内人员采用坐姿时，活动高度处PMV、PPD分布如下图4.1-1、图4.1-2所示：
图4.1-1 1.0m高度PMV分布 图4.1-2 1.0m高度PPD分布
从以上模拟结果可以看出，室内温度场均匀性基本满足要求，但PMV值仍有部分区域超过了0.5，故该方案仍需进一步改进。
4.2 上送侧回的改进方案
活动高度处PMV、PPD分布如下图4.2-1、图4.2-2所示：
图4.2-1 1.0m高度PMV分布 图4.2-2 1.0m高度PPD分布
从以上模拟结果可知，人员主要活动区域PMV值基本能够满足-0.5≤PMV≤0.5的要求，风口正下方PPD不满意率高于其他区域，但由于风口布置错开了人员座位，故主要人员活动区域PPD≤10%。基本满足设计要求中的规定，但仍有少量人员活动区域PPD达到了15%。此时，该区域CO2浓度如下图4.2-3所示。
图4.2-3 1.0m高度CO2分布
各区域CO2浓度变化不大，基本保持在640ppm～700ppm之间，满足室内人员卫生标准要求。
可见，改进方案较初始方案有了提高，人员主要逗留区域风速略高于设计标准要求，部分区域PPD大于10%，但已经基本能够满足设计要求。
4.3 上送上回方案的对比分析
活动高度处PMV、PPD分布如下图4.3-1、图4.3-2所示：
图4.3-1 1.0m高度PMV分布 图4.3-2 1.0m高度PPD分布
从以上模拟结构可知，人员主要活动区域PMV值在0.17～-0.37之间，基本能够满-0.5≤PMV≤0.5的要求，风口正下方PPD不满意率高于其他区域，但主要人员活动区域PPD≤10%。满足设计要求中的有关规定。此时，该区域CO2浓度如下图4.2-3所示。
图4.2-3 人员活动区高度CO2分布
各区域CO2浓度变化不大，基本保持在520ppm～720ppm之间，满足室内人员卫生标准要求。
综合PMV-PPD和CO2浓度场的结果，上送上回方案要优于上送侧回方案。
5.研究结论
调度所调度大厅属于对空气环境要求高且24h 工作的场所，通过对不同风口布置及不同风口数量情况下的室内温度场、速度场、PMV-PPD和CO2浓度场进行模拟分析，得出以下结论：
1.设计中充分考虑了人员所需新风量，设计值100m3/h·人能较好的改善室内空气质量，室内稳定状态时CO2人员活动区最高浓度在720ppm以下，满足设计规范[5]中CO2浓度小于1000ppm中规定的的标准。
2.计算中对风口的尺寸、布置及数量进行了对比分析，结果表明，采用百叶风口时，宜采用较多风口数量，风口尺寸应较大以降低风速（降低气流噪声），满足人员活动区风速要求。最优方案中，确定送风口尺寸为800mm x 600mm，送风风速为1.1m/s，负荷较大的外侧区域送风口宜保证每个座位一个送风口，内侧区域负荷较小，可适当减少风口数量以保证温度场的均匀性。
3.从温度场的均匀性、室内风速、PMV-PPD和CO2浓度场等指标来看，通过采用上送上回与上送侧回方案对比分析可知，采用上送上回方案时，十一层调度大厅室内环境均能满足要求，故确定上送上回方案为最终空调方案。
参考文献：
[1] 王福军.计算流体动力学分析—CFD软件原理与应用.北京：清华大学出版社，2005
[2] 《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》GB50736-2012
[3] 《中等热环境 PMV 和PPD 指数的测定及热舒适条件的规定》GB/T 18049
[4] 朱颖心.建筑环境学.北京：中国建筑工业出版社，2005
[5] 《室内空气质量标准》GB/T 18883-2002