结合CFD的EnergyPlus大空间温度分层能耗模拟--《建筑科学》2012年06期
结合CFD的EnergyPlus大空间温度分层能耗模拟
【摘要】：本文探讨了与CFD模拟相结合的EnergyPlus大空间温度分层能耗模拟方法。首先使用Fluent软件对大空间温度分层现象进行了模拟,而后将获得的大空间温度分层数据输入到EnergyPlus Room Air模块,从而精确模拟大空间能耗。结合夏热冬冷地区火车站候车大厅实例,将采用温度分层策略的能耗与普通分层空调系统的能耗进行对比,验证了该模拟方法的可行性,同时证明了大空间采用温度分层策略的节能效果显著。
【作者单位】：
【关键词】：
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【分类号】：TU831【正文快照】：
室内空气密度随温度变化,由于重力作用,密度小的热空气在上、密度大的冷空气在下,形成了一种自然现象,即热分层(thermal stratification)[1]。在高大空间公共建筑中,这种分层现象更为显著。温度分层对于降低建筑能耗具有重要意义,具体系统形式包括分层空调、置换通风以及地板
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3秒自动关闭窗口江苏大擘硕士学位论文；凰５―３７Ｒａｙｔｅｋ红外温度计图５．３８ＹＩＮ；ｏ叫枷●；卜１；围５４０水平截面温度测点布置Ｈｆｕ『一蜂＃；Ｆ始；ｍ送风温度为２９１．２Ｋ；送风速度为４４ｍ／ｓ；（２）窄外千球温度为３０６．３Ｋ；窜外湿球温度为；表５＿６东墙（ｘ＝２４ｍ）各测点的温度（Ｋ）；ｌ＞、１；ｌｍ；３ｍ７ｍ２９９９３００ｌ３０１２３００９１６…３；江苏大学硕士
江苏大擘硕士学位论文
凰５―３７Ｒａｙｔｅｋ红外温度计图５．３８ＹＩＮＧＬＯＮＧ蔫温仪暗５－）９高空作业平台本文测量大厅地面、厅顶以及ｚ＝１．２ｍ、ｚ＝２．０ｍ截面的温度，它们均属于水平截面。山ｆ大厅关于ｘ＝１２ｍ截面几何和边界条件对称，因此测试时水平截面可只测量１／２区域内的参数，稠量点如图５４０所示。送风温度和送风速度的测试位置为送风口的出口中心线上的ｙ＝３．５ｍ、１１．５ｍ以及１９５ｍ的三个测试点，测得后取平均值作为送风温度和送风速度。各墙近似为等热流密度边界，Ｈ需测量位于空调区的墙壁温度，各墙的测量点如同５－１１和５－４２所示。将测量得到的各围护结构面上的各点温度进行甲均处理。得到各围护结构的第一边界条件，再计算为第二边界条件，用于数值模拟。
围５４０水平截面温度测点布置Ｈｆｕ『一蜂＃；Ｆ始戈汁丁＝．ｈ一函雷５－４１东西墙温度测点布■田５－４２南北墙温度■点布置５３．３涮试结果及比较
ｍ送风温度为２９１．２Ｋ；送风速度为４４ｍ／ｓ。
（２）窄外千球温度为３０６．３Ｋ；窜外湿球温度为３０２．６Ｋ．相对湿度为７６．１％０）实际工况下各田护结构各测点的实测温度，如表５－６到５―１ｌ所示。
表５＿６东墙（ｘ＝２４ｍ）各测点的温度（Ｋ）
３ｍ７ｍ２９９９３００ｌ３０１２３００９１６…３们Ｉ３Ｄｍ７２０ｍ２９９７３０００１Ｊ
江苏大学硕士学位论文
＼表５．７西墙（Ｘ＝０ｍ）各测点的温度（Ｋ）
Ｚ＼Ｙ３ｍ７ｍｎ．５ｍ１６ｍ２０ｍ
ｌｍ３００．１３０１．４３０１．９３００．９２９９．５
３ｍ３００．４３００．９３０１．７３００．８２９９．９
＼表５－８南墙（ｙ＝Ｏｍ）各测点的温度（Ｋ）
Ｚ＼Ｘ、＼３ｍ７ｍ１２ｍ
ｌｍ３０２．３３０１．９３０２．９
３ｍ３０２．５３０１．４３０２．７
＼表５－９北墙（ｙ＝２３ｍ）各测点的温度（Ｋ）
ｚ＇－－－－Ｌ３ｍ７ｍ１２ｍ
１ｍ２９９．８２９９．５３００．８
３ｍ２９９．５２９９．２３００．４
＼表５．１０大厅地面（ｚ＝０）各测点的温度（Ｋ）
ｘ＼Ｙ５．５ｍ１１．５ｍ１７．５ｍ
６．５ｍ２９８．１２９９．１２９９．３
１２ｍ２９８．２２９８．７２９８．６
＼ｘ＼表５．１１厅顶（ｚ＝ｌｌｍ）各测点的温度（Ｋ）
５．５ｍ１１．５ｍ１７．５ｍ
６．５ｍ３０９．５３０８．２３１０．８
１２ｍ３０７．９３０６．７３０８．３
（４）实际工况下的截面ｚ＝１．２ｍ、２．０ｍ的各测点实测温度
＼＇表５．１２ｚ＝１．２ｍ截面各测点的温度（Ｋ）
ｘ＇－－－－Ｌ５．５ｍ１１．５ｍ１７．５ｍ
６．５ｍ２９５．９２９６．１２９６．７
１２ｍ２９６．１２９６．３２９７．３
＼＇表５．１３ｚ＝２．０ｍ截面各测点的温度（Ｋ）
ｘ－－－－．－Ｌ５．５ｍ１１．５ｍ１７．５ｍ
６．５ｍ２９５．７２９６．０２９６．５
１２ｍ２９５．８２９６．３２９６．８７５
江苏大学硕士学位论文
（５）截面Ｚ＝－－－１．２ｍ、２．０ｍ的各测点模拟计算温度值＼
１２ｍ表５．１４模拟计算的ｚ＝１．２ｍ截面各测点的温度（Ｋ）５．５ｍ２９７．８２９７．７１１．５ｍ２９７．９２９７．７１７．５ｍ２９７．４２９７．６＼表５．１５模拟计算的ｚ＝２．０ｍ截面各测点的温度（Ｋ）５．５ｍ２９７．５２９７．７ｘ＂－－－－Ｌ１１．５ｍ２９７．６２９７．７１７．５ｍ２９７．１２９７．５
（６）比较分析
实测时人员总数为３６１人，在大厅北部人员较多，人员不是完全平均分布的，因此实测与模拟存在一定的误差，实测的大厅北部温度略高于南部温度。比较ｚ－－－－１．２ｍ、２．０ｍ截面的温度实测值和模拟值（即比较表５．１２、５．１３和表５．１４、５．１５），可以看到数值模拟结果的变化较小，而测试的数值变化较大，但总体上两者的温度是相接近的。
通过上面的分析比较，说明：模拟所建立的模型是比较成功的，网格生成是合乎要求的，模拟的方法是合适的，边界条件的设置方法也是合理的，能够得到稳定的收敛解，从而也证明了数值模拟的可靠性。
Ｓ．４本章小结
本章在前几章所介绍的理论知识的基础上，运用计算流体力学的方法对大厅模型的１１种工况进行了三维稳态数值模拟，并对结果进行了处理和分析。模拟结果表明了送风速度、送风温差、送风高度以及送风Ｅｌ型式对厅内的气流组织和热舒适状况有显著的影响，并表明了采用设计工况（－Ｖ况１）是比较合理的，最后通过实测验证了数值模拟的可靠性。７６
江苏大学硕士学位论文
第六章结论及展望
６．１全文总结
本文采用经浮力项修正的矗ｓ两方程模型、壁面函数法和风口模型相结合建立了分层空调气流组织计算的三维湍流数学模型。以一大厅分层空调为例，应用ＦＬＵＥＮＴ软件，计算夏季空调时的送风速度、送风温差、送风高度以及送风口型式对速度分布、温度分布、ＡＥＴ值分布和ＡＤＰＩ值等的影响，并分析在不同送风参数下的速度分布、温度分布、，ｇＥＴ值分布和ＡＤＰＩ值等的规律。通过实测验证数值模拟的可靠性。本文可以得出以下结论：
（１）利用ＦＬＵＥＮＴ软件进行分层空调空气流动预测的应用是可行的，它具有既经济又快捷、既有效率又能适应不同计算工况的特点；
（２）通过计算机，可以将所求解的速度分布、温度分布和ＡＥＴ值分布以形象、直观的方式表现出来，这样便于技术人员分析和比较，从而针对具体情况选择最合适的空调方式；
（３）影响分层空调效果的因素很多，通过模拟计算，得到送风速度、送风温差、送风高度以及送风口型式对气流组织有重要影响，因此可以通过改变以上的参数来改善分层空调的空调效果；
（４）送风速度是形成分层空调气流分层面的重要因素，当送风速度过小时，在空调区和非空调区之间不能形成分层气流隔断面；当送风速度过大时，送风射流产生碰撞，空调区和非空调区之间的气流流动加强，因此设计时要合理选择送风速度；
（５）送风温差是影响气流温度分布、速度分布、ＡＥＴ值分布和ＡＤＰＩ值的重要因素，当送风温差过小时，，ｇＥＴ平均值较高，人员活动区整体偏热，ＡＤＰＩ值偏小，人员满意率低；当送风温差过大时，ＡＥＴ平均值较高，人员活动区整体偏冷，ＡＤＰＩ值同样偏小，人员满意率低，因此设计时要选取合理的送风温差；
（６）在一定的高度范围内，当送风高度提高时，射流主体向上移动，速度减小，温度降低，ＡＥＴ值增加，因此通过改变送风高度来获得所需的人员活动区空调参数。在满足人员活动区空调参数要求的前提下，送风高度越低越好、越节能；
江苏大学硕士学位论文
（７）当送风冷量一定时，送风口高度对气流温度分布、速度分布、衄ｒ值分布和ＡＤＰＩ值有重要影响，选择合理的送风口高度需要综合考虑气流组织和人体热舒适的各项指标。
６．２展望
由于时间和作者的水平有限，本文还存在一些缺点和不足，有待于进一步研究和探索：
（１）本文通过风口模型来提高模拟结果的准确性，但是在模拟时将风口处的速度分布简化为均匀分布，这与实际情况有所偏差。如果需要清楚地知道风口的平面速度分布，应通过大量的实验来确定；
（２）本文所研究的物理和数学模型较为简单，模拟结果有一定的误差，若想得到较为精确的结果，需建立更接近实际情况的物理模型和数学模型；
（３）研究分层空调室内新的壁面边界条件处理方法；
（４）模拟中对热量的加载采取按面积平均分配的方式，并且没有考虑空间内辐射热的影响，与实际情况存在一定的差异；（５）大厅的人员满意率仅为６０％多，有进一步优化的空间。
包含各类专业文献、各类资格考试、幼儿教育、小学教育、行业资料、专业论文、高等教育、外语学习资料、文学作品欣赏、大空间分层空调系统气流组织CFD数值模拟及热舒适性分析研究_图文38等内容。　
　大空间建筑分层空调适用的气流组织形式主要有四种:1)...( 小于 1 次时, 空调区温度过高, 热舒适性差; ...可以看出: 1)分层空调系统单独运行时,空调区域采用... 　空调房间气流组织数值模拟和优化 气流组织对空调室内...随着计算机技术的发展,CFD技术开始用于空调房间的气流...热舒适性指标和经济性指标及舒适性空调室内空气计算参数... 　双曲型及椭圆型方程进行数值积分的系列程序) ,进行...同时表明该模拟研究对高大空 间建筑空调系统节能与...高大空间建筑空气分层空调气流组织热舒适 CFD 模拟 ... 　系统送风设计的经典案例 索斯系统送风 以往对中央空调系统内气流组织的理解和...同时将此设计在大空间气流 组织实验室中模拟验证。CFD 的数值模拟能使我们更加... 　分层空调气流组织的CFD模拟... 5页 1财富值 高大空间建筑空调气流CFD模... ...对空调系统的要求以舒适性的温湿度控制和保持良好的室内空气品质的两个方面 为主... 　冬季大空间室内热气流上浮,难以满足业主的热舒适性...高大空间的简化物理模型,通过CFD模拟仿真,表明模拟...二楼主展厅是全空 气空调系统,采用分层空调气流组织... 　模拟通风系统的空气流动、空气品质、传热、污染和舒适...速度不均匀系数等数据汇总,并绘制关系曲线,分析各种...新武汉火车站候车厅分层空调气流组织CFD模拟研究[ J... 　由于在节能和热 舒适性方面的优势,分层空调系统迅速...另一种是基于计 算流体动力学(CFD)数值模型分析。...CFD 已被广泛应用于大空间建筑分层 空调气流组织和... 　为提高效率空调系统在大空间建筑设计配置_电力/水利_...利用由计算流体动力学(CFD)所产 生的流场和参数, ...和分层空调的设计可以有效地进行分析,当室内热 舒适...【绿建大讲堂】――微信频道系列讲座是绿建之窗（）独家主办的核心栏目，绿建之窗编辑部每周二、四晚20:00，在绿建之窗微信群中在线进行主题讲座，微信频道系列讲座将会邀请涉及绿色建筑全生命周期链条中的众多专家进行不同领域的知识点解读。如需加入或者申请讲座，请联系绿建之窗微信群管理员：微信号wangchunshan777。
【讲座导读】本期【绿建大讲堂】由经验丰富的绿色建筑模拟专家殷明刚结合实际工程案例介绍CFD在建筑环境领域的应用。
【讲座实录】
&一、模拟驱动设计创造良好的空气环境
图1为某住宅CFD模拟分析的流线图，通过该图可以看出风经过建筑后发生的变化，如绕流、涡流等。
1、CFD的基本介绍和现状
1.1什么是CFD？
CFD=Computational Fluid Dynamics，中文名字计算流体力学
• CFD是流体力学的一个分支
• CFD采用数值方法和算法求解流体问题
1.2 CFD能做什么？
CFD目前已广泛应用于以下行业：航空航天、汽车制造、能源与环境、气象预测、海洋与船舶、动力机械。图2所示分别对应CFD在以上行业的应用。
CFD可简单归结为内流场和外，图2中飞机、汽车为外流畅，图2右下角为类似风机的内流场。
1.3 CFD在建筑环境领域的层次分析
CFD在建筑的不同阶段的应用是不同的。
规划设计阶段：室外风环境、室外热环境、室外污染物扩散
建筑单体或建筑群设计：室内自然通风、室内温度分布、室内污染度浓度、建筑布局、构造的通风效果
机电系统设计：送风管道流动分、大空间空调气流组织、火灾场景评估分析（消防应用）
1.4 CFD模拟基本流程
CFD模拟基本流程可分为图3所示的四个步骤，建模、网格、计算、后处理。应用较为普遍的建模软件有：sketchup、CAD、犀牛等。
1.5建筑环境中主流CFD软件的性能对比
目前，常见的CFD模拟软件有：Fluent、Airpark、scSTREAM、Star-CCM+。如图4表中为各软件功能的部分对比。主要包括各软件对几何模型支持的比较，其中网格是影响计算结果的重要因素。是否支持联机计算和多核计算是提高计算效率节省时间的影响因素。
2、CFD在建筑环境领域应用的思路
CFD在建筑环境领域应用的基本思路为：设计后模拟再分析。分析不达预想目标再重新优化设计，重新模拟直至实现目标要求。结合工程实际实施思路如图5中流程图所示。
提出设计目标后，应结合建筑所在地的气候特征、满足规划局要求符合国家地方标准，更要满足业主的要求。
方案设计阶段：主要关心建筑整体布局，建筑整体布局包括：并列式、错列式和交错式。建筑单体设计（）和建筑朝向设计。
初步设计阶段：主要关心建筑室内布局，包括窗户大小和位置、局部构造等。
施工图设计阶段：CFD主要模拟空调房间的气流组织和对比不用气流组织的通风效果。
3、国内绿色建筑、生态节能形势下的CFD案例分析与研究
3.1 CFD在建筑环境中应用的相关标准：
绿色建筑评价标准GB/T
各地方的绿色建筑评价标准
各地方的绿色设计标准
民用建筑供暖通风与空气调节设计规范
建筑通风效果测试与评价标准
建筑防火设计规范
3.2 案例分析
案例一：南宋之心的风环境分析
图6为南宋之心项目，项目位于杭州市凤凰山脚下，项目是由旧卷烟厂厂房所改造的商业综合体建筑。CFD在本项目中的应用主要解决了室内步行街的夏季通风问题。
图7为模拟出的室内步行街通风问题的示意图。图中可以看出主要的四条通风路径，由于项目位于凤凰山脚下，因此项目情况较为特殊，在做项目风环境模拟的时候，需要将山体对建筑影响的情况考虑进去。杭州夏季的主导风向是西南风，山体位于建筑的西南侧，因此对建筑的影响是不可忽略的。从图7可以看出，山体已经完全改变了西南风的风向。该项目步行街宽度较宽。存在一些通风不畅的问题，经过分析给甲方提供了两个参考方案，如图8所示。
案例二：某住宅小区室外热环境分析
热岛分析/热环境分析在2006,2014/2014质化，如增加架空层，增加绿地面积，改变建筑材料等。
图10为根据06版绿建标准典型日不同时刻的热环境模拟，得出典型日不同时间热环境的平均值。选择夏至日6月21日模拟时间9点、12点、15点，可以看出不同时刻建筑表面、道路、水体、绿化的温度都会发生相应的变化。根据常识可以判断9点温度较低，12点温度适中，可以参照《建筑采光设计标准》GB D）
案例三：建筑平面布局通风效果改善
案例四：建筑构造对通风改善的模拟――南京某展览馆的捕风设计研究
如图13所示，该建筑的主要通风为位于建筑底侧的外窗和位于屋顶捕风窗。该建筑是全幕墙设计，仅对开窗面积进行模拟。
图14上两图反映了底侧窗通风效果，左上角图为0.8米高度的风速云图，右上角为1.5米高处的风速云图。侧窗的窗台高0.6米，窗台高0.6米，因此0.8米处通风效果较好，在人行高度1.5米通风效果反而不好。怎样改善低侧窗通风不畅问题？建议在屋顶设置捕风窗。
图15为增加捕风窗后建筑内部流场图，风通过捕风窗进入建筑后形成一个环路，带动室内空气循环。结合本项目的底侧窗可以形成一个的气流组织。
图16为图15局部放大效果，可以看出，左侧的房间和右侧房间通风窗所带来的效果是不一致的。图16左房间，风为下进上出（底侧窗进风，捕风窗排风），图16右为底侧窗和捕风窗共同作用的效果，可以将更多风引入室内，改善室内通风不畅问题。
案例五：外遮阳对自然通风的影响研究
图17为未设置外遮阳的情况下建筑自然通风的效果图。分别反映的是风速的分布（左上）、建筑室内空气龄变化（右上）、通风流动方向路径（左下）、左下图的局部放大效果（右下）该项目所在地的主导风向是南偏东22.5度，可以看出在西南角办公室会形成明显涡流。
图18为增加了外遮阳后自然通风的效果。依次对应图17。可以看出增加外遮阳后，大部分房间的风速有所提高，空气龄缩短（加快了空气更新换气速度），最后两图可以看出西南方向两个房间的涡流现象明显有所减轻。
案例六：VRF室外机散热分析：
分析目的：
（1）分析室外机散热对周边环境的潜在威胁：位于底层的室外机容易对周边的环境造成明显的影响：对过往行人形成热污染、影响周边植物生长（植物还会影响室外机散热）
（2）分析室外机散热对其本身性能的影响
（3）在不影响其性能下，如何使室外机和建筑立面效果结合起来（通风百叶的孔隙率）。
图19为室外机散热的简单模拟示意图，本次分析主要针对1-5层的室外机散热。从图中可以看出，该项目的室外机外侧设置了遮阳通风百叶。
图20为分析效果图，左上为室外机散热的温度分布情况，右上为不同楼层室外机散热吹吸气流情况，通过模拟可以看出底层的室外机吹出风会不会被上层的室外机吸入。下图为对室外机散热探索性研究,室外机散热42度（根据制冷量、散热度、吹风面积计算得出）降低夏季室外通风温度（如杭州32.7度）所需的距离和范围。右上为流线图，流线图可以比温度图或速度分布图更直观的反映建筑气流变化。通过此图可明显看出底层吹出的热风没有被上层室外机的回风吸入，如果吸入会影响室外机的散热和能效情况，如果能效降低的比较多会造成用电量的增加。我国住宅面积庞大，如果室外机散热不畅，会造成很大的电量浪费，加重国家电网负担。
案例七：某万达放映厅气流组织分析
该项目采用上送上回的气流组织。重点分析对象为位于中间位置的人员热舒适度。
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图23为中间位置送风气流可行性分析，整个风场的速度在0-0.4m/s。图中显示左右两侧各有一个明显的涡流，是项目空调气流组织设计的明显体现，项目气流组织上送上回，气流从上往下吹，经过观众区再返回吊顶回风。可以看出在前10排的风速可及性较高，在最后排可能会形成漩涡，造成不舒适。
4、小结与思考
CFD在建筑环境领域的应用目前还是初级阶段。相信未来会更多的融入建筑环境领域的设计
和改造过程中CFD在建筑环境领域，还有很多问题亟待解决，常见问题是模拟方法和边界设计问题。希望各位同行多多交流，共同提高行业应用水平。
CFD在建筑环境领域的未来发展方向：
• CFD的应用方法需要一个统一的指南
• CFD与BIM技术的结合：目前在CFD和BIM的结合上已经有软件有所发展。Stream软件在revit中有插件，可以将Revit模型直接转换至Stream中，Autodesk的一款CFD软件，官方介绍可以和Revit模型无缝相融。
4.3图书推荐
此书为日本教授村上周三所著，是CFD模拟的启蒙图书。原著为2000年在日本出版，中文版由中国建筑科学研究院组织翻译。尽管原著是日本2000左右，但将通风状况的变化变成书中很多技术在我国还是没有得以应用的，可见日本的CFD模拟技术是远远超前于我国的。Stream软件是日本CFD软件市场份额占据最大的软件，功能强大。这个软件功能强大，集成了日本CFD学者多年的研究成果。
Q：第一个项目山体如何建模？
A：用sketchup根据等高线建模
Q：室内自然通风加重力后能否收敛？
A：增加重力后自然通风依然可以收敛，重力对自然通风的影响较小。如果模拟热压通风，重力是重要的影响因素。
Q：案例的模拟都是使用什么软件做的？
A：除了第二个热环境是用Fluent做的，电影院的案例是用Airpark做的，其他的都是使用Star-CCM+做的。
Q：电影院进风口设置在座椅上空，出风口设置在电影荧幕无人区这样的气流组织会不会好一些？
A：会的。电影院、体育场最好的气流组织就是座椅送风，下送上回。
Q：树木对场地自然通风的影响在模拟的时候怎么处理，是必须建立树木模型吗？
A：因为缺少相关标准规范，造成不同项目的处理方式有所不同，有些项目加了树木，有些项目没有加树木模拟。
Q：室外风速的设置是固定值还是梯度变化值？
A：必须设置梯度风。风速随高度的变化直线增长。
Q：遮阳对自然通风的影响案例中，遮阳是怎么设置的？
A：案例五项目设置的是活动外遮阳，模拟选取的90度位置。如果要全面分析活动外遮阳对室内通风的影响需要做不同的几个典型角度。该项目将外遮阳设置为建筑表面的凸起。
Q：室外风环境不满足绿标中要求，施工图阶段如何调整？
A：第一个原因：项目所在地风速较大，如大连、温州、台州等。第二个原因：建筑本身设置因素或建模过程中没有考虑周边建筑影响。重点检查哪些位置风速超标，分析风速超标原因。可以种树减小风速。
Q：Ecotect怎么样？
A：Ecotect是英国的建筑设计师开发的，定位是辅助建筑师做设计，功能齐全但是每一项功能都不是很强。Ecotect可重点应用在日照、这样、采光和辐射。
QStar-CCM+
AStar-CCM+FluentCFDStreamPhoenics
A AirpakPhoenics Stream
FluentStar-CCM+
Q：一般做几个计算？
A： 6AVA16
【注】讲座实录为绿建之窗出品，如需转载，请注明出处：绿建之窗
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