CN102930145B - 基于cfd信息技术的中庭室内热环境分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于CFD信息技术的中庭室内热环境分析方法，首先根据建筑结构设计图建立室内热环境模型，确定室内热环境气流组织方式，设定室内热环境的边界条件和初始条件，然后通过CFD模拟计算出温度场、风速场、空气龄、PMV值及PPD值；判断热舒适是否满足预设值，如果否，则对热环境模型进行修改调整；最后确定并输出室内热环境模型的最终方案。本发明采用现代信息技术计算流体力学CFD技术模拟大型购物中心建筑的中庭室内热环境，分别进行分析、比较和评价，选出最优方式，可改善设计，指导现场空调***施工调试，对设计不当的地方提出修改意见，满足购物中心建筑物对人员的舒适性、健康性、安全性等的要求。

Description

基于CFD信息技术的中庭室内热环境分析方法

技术领域

本发明涉及建筑室内热环境模拟计算技术领域，特别涉及一种基于CFD信息技术的中庭室内热环境分析方法。

背景技术

随着经济的迅速发展，城市现代化建设也随之蓬勃发展，出现了许多复杂、多样和大型的现代建筑。人们对生活和工作环境要求的不断提高，大空间建筑室内热环境及其舒适性逐渐为人们所关注。仅凭实验和理论分析的方法对室内外热环境进行精确分析，已很难实现。

对于同样的***装置和设备，可因不同的气流及温度分布而产生不同的效果，同时对该***的节能亦具有重要作用。因此，如果能够在规划和设计阶段即可正确而详细进行预测和评价室内气流及温度分布，可实现现代暖通空调***的优化设计和运行管理。利用CFD(ComputationalFluidDynamics)技术可以对室内空气流动形成的速度场、温度场、湿度场、有害物浓度场等进行模拟和预测，这对于保证良好的暖通空调***设计方案、提高室内空气品质IAQ(IndoorAirQuality)以及减少建筑物能耗都有重要的指导意义。在国外，CFD数值模拟技术已被广泛应用在工程领域，成为设计上不可缺少的技术手段；而在国内CFD技术的研究和应用也已逐步受到重视。

由于购物中心中庭大空间结构的复杂性、多样性及室内外各种因素的影响，使得室内气流分布变得相当复杂，按传统方法施工不能满足课题的室内环境控制要求，温度、湿度及风场均匀性不足以满足人员和购物中心环境的要求，所以采用现代信息技术CFD数值模拟技术手段，细化各层风口的送风量，按模拟结果指导风***施工成为最佳选择，课题的施工方法及成果也可为类似高大空间课题的空调施工提供借鉴意义和指导作用。

但是，如果在中心购物商场还没有建设完成时，需要对空调***风场分布进行实验研究，就必须建立风洞模型和建筑室内模型，这使得研究过程复杂，成本昂贵，精确度也不高；因此工程师或建筑师们希望在规划设计阶段就能预测室内空气的分布情况，从而制定出最佳的通风空调方案。

发明内容

有鉴于此，本发明所要解决的技术问题是提供一种基于CFD信息技术的中庭室内热环境分析方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明提供的基于CFD信息技术的中庭室内热环境分析方法，包括以下步骤：

S1：根据建筑结构设计图建立室内热环境模型；

S2：确定室内热环境气流组织方式；

S3：设定室内热环境的边界条件和初始条件；

S4：根据室内热环境模型的气流组织方式、边界条件和初始条件通过CFD模拟计算出热舒适值；

S5：判断热舒适值是否满足预设值，如果是，则转入步骤S7；

S6：如果否，则返回步骤S1对热环境模型进行修改调整；

S7：确定并输出室内热环境模型的最终方案。

进一步，所述气流组织方式包括以下三种方式中任一种：1）双层百叶风口上送，单层百叶风口上回；2）双层百叶风口侧送，单层百叶风口上回；3）球形喷口送风，单层百叶风口上回。

进一步，所述边界条件包括围护结构材料参数、送风量、送风温度、回风量、回风温度和排风量；所述初始条件包括围护结构初始温度、围护结构初始负荷以及空气温湿度。

进一步，所述热舒适值包括温度场、风速场、空气龄、PMV值和PPD值。

进一步，所述预设值为温度场的取值范围为25±0.5℃、风速场的速度值范围为≤1.0m/s、空气龄的取值范围为≤900s、PMV值为-1～+1和PPD值为≤20%。

进一步，所述步骤S6中对热环境模型进行修改调整是通过调整热环境模型中的送回风口的尺寸大小、数量多少、位置以及送风口送风量的方式来实现的。

进一步，所述CFD模拟计算采用改进压力校正法，所述改进压力校正法的实现具体包括以下步骤：

S41：预设热环境模型中与速度场相关联的流体压力场；

S42：根据流体压力场和当前速度场计算动量离散方程得到速度场；

S43：用所得速度场计算热环境模型中的连续性方程，得到压力场的修正值；

S44：调整更新压力场和速度场，求解湍流方程和其他标量方程；

S45：判断当前时间步骤上的计算是否收敛，若不收敛，返回到步骤S42，迭代计算；

S46：若收敛，返回步骤S41重复计算下一时间步骤的物理量。

本发明的优点在于：本发明采用现代信息技术计算流体力学（CFD）技术模拟大型购物中心建筑的中庭室内热环境。根据设计方案对全空气***即各层顶部布置风口（双层百叶风口或球形喷口）、气流场（送风、排风气流组织情况）、空气龄的气流组织方式进行室内CFD模拟，经过模拟计算后，得出室内温度场、湿度场、PMV值及PPD值，再分别进行分析、比较和评价，选出最优方式，因此，研究过程简单、成本低、精确度高；可进一步改善设计，指导现场空调***施工调试，对设计不当的地方提出修改意见，满足购物中心建筑物对人员的舒适性、健康性、安全性等的要求。

本发明的其它优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其它优点可以通过下面的说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1为本发明实施例提供的基于CFD信息技术的中庭室内热环境分析方法流程图；

图2为本发明实施例提供的二维流场改进压力修正法流程图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述；应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

实施例1

图1为本发明实施例提供的基于CFD信息技术的中庭室内热环境分析方法流程图，如图所示：本发明提供的基于CFD信息技术的中庭室内热环境分析方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：根据建筑结构设计图建立室内热环境模型；

S2：确定室内热环境气流组织方式；所述气流组织方式包括以下三种方式中任一种：1）双层百叶风口上送，单层百叶风口上回；2）双层百叶风口侧送，单层百叶风口上回；3）球形喷口送风，单层百叶风口上回。

S3：设定室内热环境的边界条件和初始条件；所述边界条件包括围护结构材料参数、送风量、送风温度、回风量、回风温度和排风量；所述初始条件包括围护结构初始温度、围护结构初始负荷以及空气温湿度。

S4：根据室内热环境模型的气流组织方式、边界条件和初始条件通过CFD模拟计算出热舒适值；所述热舒适值包括温度场、风速场、空气龄、PMV值和PPD值。

所述CFD模拟计算采用改进压力校正法，所述改进压力校正法的实现具体包括以下步骤：

S41：预设热环境模型中与速度场相关联的流体压力场；

S42：根据流体压力场和当前速度场计算动量离散方程得到速度场；

S43：用所得速度场计算热环境模型中的连续性方程，得到压力场的修正值；

S44：调整更新压力场和速度场，求解湍流方程和其他标量方程；

S45：判断当前时间步骤上的计算是否收敛，若不收敛，返回到步骤S42，迭代计算；

S46：若收敛，返回步骤S41重复计算下一时间步骤的物理量。

S5：判断热舒适值是否满足预设值，如果是，则转入步骤S7；所述预设值为温度场的取值范围为25±0.5℃、风速场的速度值范围为≤1.0m/s、空气龄的取值范围为≤900s、PMV值为-1～+1和PPD值为≤20%。

S6：如果否，则返回步骤S1对热环境模型进行修改调整；所述步骤S6中对热环境模型进行修改调整是通过调整热环境模型中的送回风口的尺寸大小、数量多少、位置以及送风口送风量的方式来实现的。

S7：确定并输出室内热环境模型的最终方案。

实施例2

本实施例2与实施例1的区别仅在于以下内容：下面详细说明热舒适值的具体计算，所述热舒适值包括温度场、风速场、空气龄、PMV值和PPD值，计算过程如下：

其中，u、v、w分别表示x，y,z方向的速度分量，是三维直接坐标系求解的情况；u、v分别x，y方向的速度分量，是二维直接坐标系求解的情况。

根据CFD数值模拟分析法，建立质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程；这些方程中包含速度、温度、压力、几何量等多种基本参数，要求解空间上这些参数分布，将质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程、（实际/理想）气体状态方程以及湍流流动方程（湍动能方程和扩散率方程）进行联立数值求解。

（1）计算温度场和风速场

根据连续微分方程、动量守恒微分方程（x、y、z三个方向）、能量守恒微分方程、湍流动能微分方程和湍流耗散微分方程联立求解速度、压力、温度、湍流动能、湍流耗散率等参数，得到各参数三维分布场。所有求解方程通用形式：

$\mathrm{div}\left(\mathrm{\σ}\stackrel{\→}{U}\mathrm{\φ}\right)=\mathrm{div}\left({\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{\φ}}\mathrm{grad}\mathrm{\φ}\right)+S_{\mathrm{\φ}}$

式中，φ为通用变量，在各控制方程中代表求解量1、u、v、w、T、C、k、ε；Γ_φ为变量φ对应的扩散系数；S_φ为变量φ对应的源项。左边一项为对流项，右边第一项为扩散项，第二项为广义源项。

表1三维直角坐标下通用方程的扩散系数和源项

其中，μ_e＝μ+μ_tμ_t＝C_μρk²/ε

Γ_e＝μ/p_r+μ_t/σ_tΓ_c＝μ/p_r+μ_t/σ_c

Γ_k＝μ+μ_t/σ_kΓ_ε＝μ+μ_t/σ_ε

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\ϵ}}=\frac{k^2}{(C_2-C_1)C_{\mathrm{\μ}}^{1/2}}$

$G_k={\mathrm{\μ}}_t\{2{[\left(\frac{\∂u}{\∂x}\right)}^2+{\left(\frac{\∂v}{\∂y}\right)}^2+{\left(\frac{\∂w}{\∂z}\right)}^2]+{(\frac{\∂u}{\∂y}+\frac{\∂v}{\∂x})}^2+{(\frac{\∂u}{\∂z}+\frac{\∂w}{\∂x})}^2+{(\frac{\∂v}{\∂z}+\frac{\∂w}{\∂y})}^2\}$

$G_B=\mathrm{\βg}\frac{{\mathrm{\μ}}_t}{{\mathrm{\σ}}_t}\frac{\∂T}{\∂y}$

表2k-ε模型中的经验常数

Cμ	CD	C1	C2	σc	σk	σt
							0.09	1.0	1.44	1.92	0.9	1.0	0.9

（2）计算空气龄

空气龄是房间内某点处空气在房间内已经滞留的时间，反映了室内空气的新鲜程度，它可以综合衡量房间的通风换气效果，是评价室内空气品质的重要指标。也可用以上通用方程求解。

（3）计算PMV值和PPD值

PMV-PDD热舒适模型是丹麦的范格尔（P.O.Fanger）教授提出评价室内热舒适度的模型。PMV是的表征人体热反应（冷热感）的评价指标，热感觉与PMV对应值见表3。PPD是对于热不满意的人数给出定量的预计值。

表3PMV热感觉的标尺

热感觉	冷	凉	微凉	适中	微暖	暖	热
								PMV值	-3	-2	-1	0	1	2	3

PMV可根据以下公式得出：

PMV

＝(0.303exp(-0.036M)+0.028){(M-W)-3.05×10^-3

×[5733-6.99(M-W)-P_a]-0.42[(M-W)-58.15]

-1.7×10^-5M(5867-P_a)-0.0014M(34-T)-3.96

×10^-8f_c1[(T_c1+273)⁴-(T_mrt+273)⁴]-f_c1h_c(T_c1-T)}

其中，M——人体代谢率，W/m²；

W——人体所做的机械功，W/m²；

p_a——水蒸气分压力，单位为P_a；

f_c1——服装表面系数，%；

T_c1——服装外表面温度，单位为℃；

T_mrt——环境平均辐射温度，单位为℃；

h_c——对流换热系数，单位为W/(m²·kP_a)；

T——人体周围空气温度，单位为℃；

式中，M、W、p_a和T为已知量，T_mrt在MRTEMP子模块中计算得到，T_c1、h_c和f_c1由以下公式计算出：

T_c1＝35.7-0.028(M-W)-I_c1(3.96×10^-8f_c1)

×[(T_c1+273)⁴-(T_mrt+273)⁴]+f_c1h_c(T_c1-T)；

h_c与空气流速V_r有关，

当 $2.38{(T_{c1}-T)}^{0.25}>12.1\sqrt{V_r},$ h_c＝2.38(T_c1-T)^0.25 $2.38{(T_{c1}-T)}^{0.25}<12.1\sqrt{V_r},$ $h_c=12.1\sqrt{V_r};$

f_c1与服装热阻I_c1有关

当I_c1≤0.078m²·℃/W，f_c1＝1.00+1.290I_c1

I_c1＞0.078m²·℃/W，f_c1＝1.05+0.645I_c1

当确定PMV值之后，根据以下公式计算出PPD值：

PPD＝100-95exp(-(0.03353)PMV⁴+0.2179PMV²)

所述预设值为温度场的取值范围为25±0.5℃、风速场的速度值范围为≤1.0m/s、空气龄的取值范围为≤900s、PMV值为-1～+1和PPD值为≤20%。

具体调整过程如下：如果室内人员主要活动区域的热舒适判定指标不在预定范围，则应通过调整送回风口尺寸、数量和位置，送风口送风量等方式优化优化室内气流组织方式。

（1）温度＜24.5℃，可考虑减少局部送风量；温度＞25.5℃，可考虑增加局部送风量；

（2）速度＞1.0m/s，可考虑增大送风口尺寸或调整送风口形式，或调整安装高度等；

（3）空气龄>900s，可考虑调整送风口风量、送回风口位置等；

（4）PMV>+1，需综合考虑温度、速度和空气龄值做出调整，一般情况，可增加送风口数量或局部送风量；PMV<-1，需综合考虑温度、速度和空气龄值做出调整，一般情况，可减少送风口数量或局部送风量

（5）PPD＞20%，需综合考虑温度、速度、空气龄和PMV做出调整.

所述步骤S6中对热环境模型进行修改调整是通过调整热环境模型中的送回风口的尺寸大小、数量多少、位置以及送风口送风量的方式来实现的。

实施例3

本实施例3与实施例1的区别仅在于以下内容：

S41：预设热环境模型中与速度场相关联的流体压力场；

S42：根据流体压力场和当前速度场计算动量离散方程中的系数a和常数项b得到速度场，流体微元动量的变化量是重力、各个表面压力差、粘性力的共同作用，以二维为例x和y方向动量离散方程可表示如下：

$a_{i,J}{u}_{i,J}^{*}=\mathrm{\&Sigma;}{a}_{\mathrm{nb}}{u}_{\mathrm{nb}}^{*}+(p_{I-1,J}^{*}-p_{I,J}^{*})A_{i,J}+b_{i,j};$

$a_{I,j}{v}_{I,j}^{*}=\mathrm{\&Sigma;}{a}_{\mathrm{nb}}{v}_{\mathrm{nb}}^{*}+(p_{I,J-1}^{*}-p_{I,J}^{*})A_{I,j}+b_{I,j};$

其中，上述方程中的a下标（I,j,nb）即为系数a，b下标（I,j,nb）即为常数项b。

S43：用所得速度场计算热环境模型中每个单元的连续性差，所述连续性差为每个单元的流入量减去流出量的差值；

通过以下动量离散方程计算u^*，v^*：

$a_{i,J}{u}_{i,J}^{*}=\mathrm{\&Sigma;}{a}_{\mathrm{nb}}{u}_{\mathrm{nb}}^{*}+(p_{I-1,J}^{*}-p_{I,J}^{*})A_{i,J}+b_{i,j};$

$a_{I,j}{v}_{I,j}^{*}=\mathrm{\&Sigma;}{a}_{\mathrm{nb}}{v}_{\mathrm{nb}}^{*}+(p_{I,J-1}^{*}-p_{I,J}^{*})A_{I,j}+b_{I,j};$

其中，u^*表示某面处x方向的速度分量，v^*表示某面处y方向的速度分量，i和I为x方向位置下标，j和J为y方向位置下标，nb为节点位置下标，当x和y方向的位置下标都为大写字母时，表示节点的位置，否则，表示控制面的位置。

a_i，J表示控制面（x=i,y=J）处的复合系数，表示控制面（x=i,y=J）处x方向的速度分量，a_nb表示节点nb的复合系数，表示节点nb在x方向的速度分量，表示节点（x=I-1,y=J）处的压力值，节点（x=I,y=J）处的压力值，A_i，J表示控制面（x=i,y=J）的面积值；b_i，j表示控制面（x=i,y=j）处的源项值；a_I，j表示控制面（x=i,y=j）处的复合系数，表示控制面（x=I,y=j）处x方向的速度分量，a_nb表示节点nb处的复合系数，表示节点nb处y方向的速度分量，表示节点（x=I,y=J-1）处的压力值，节点（x=I,y=J）处的压力值，A_I,j表示控制面（x=I，y=j）的面积值，b_I，j表示控制面（x=I，y=i）的源项值；

S44：根据速度u^*、v^*按以下公式来计算压力修正方程并得到P′：

$a_{I,J}{p}_{I,J}^{\&prime;}=a_{I+1,J}{p}_{I+1,J}^{\&prime;}+a_{I-1,J}{p}_{I-1,J}^{\&prime;}+a_{I,J+1}{p}_{I,J+1}^{\&prime;}+a_{I,J-1}{p}_{I,J-1}^{\&prime;}+b_{I,J}^{\&prime;};$

其中，a_I,J表示节点（x=I，y=J）的复合系数，表示节点（x=I,y=J）处的压力修正值；a_I+1,J表示节点（x=I+1,y=J）的复合系数，表示节点（x=I+1,y=J）处的压力修正值；a_I-1,J表示节点（x=I-1,y=J）的复合系数，表示节点（x=I-1,y=J）处的压力修正值；a_I,J+1表示节点（x=I,y=J+1）的复合系数，表示节点（x=I,y=J+1）处的压力修正值；a_I,J-1表示节点（x=I,y=J-1）的复合系数，表示节点（x=I,y=J-1）处的压力修正值；表示节点（x=I,y=J）处的源项。

S45：通过以下公式调整压力场和速度场，获得速度场新值；

$p_{I,J}=p_{I,J}^{*}+p_{I,J}^{\&prime;},$

$u_{i,J}=u_{i,J}^{*}+d_{j,J}(p_{I-1,J}^{\&prime;}-p_{I,J}^{\&prime;}),$

$v_{I,j}=v_{I,j}^{*}+d_{I,j}(p_{I,J-1}^{\&prime;}-p_{I,J}^{\&prime;}),$

其中，p_I,J表示本次迭代计算时节点（x=I,y=J）处的压力值，表示上次迭代计算时节点（x=I,y=J）处的压力值，表示节点（x=I，y=J）处的压力修正值，u_i,J表示控制面，表示上次迭代计算时控制面（x=i,y=J）处x方向的速度分量，表示本次迭代计算时控制面（x=i,y=J）处x方向的速度分量的修正值，v_I，j表示本次迭代计算时控制面（x=I,y=j）处y方向的速度分量，表示上次迭代计算时控制面（x=I,y=j）处y方向的速度分量，表示本次迭代计算时控制面（x=I，y=J）处y方向的速度分量的修正值；

S46：通过以下公式求解φ：

a_I,Jφ_I,J＝a_I+1,Jφ_I+1，J+a_I-1，Jφ_I-1，J+a_I,J+1φ_I,J+1+a_I,J-1φ_I,J-1+b_I,J，

其中，φ可以分别取值u、v，T，C，k，ε(速度分量，温度，浓度，湍动能，湍动扩散率等参数)，a_I，Jφ_I,J、a_I+1,Jφ_I+1，J、a_I-1,Jφ_I-1，J、a_I，J+1φ_I，J+1、a_I，J-1φ_I,J-1、b_I，J。

S46：判断离散化输运方程的解是否收敛，如果否，则按以下公式进行赋值，并返回到步骤S42：

p^*＝p,u^*＝u，v^*＝v,φ^*＝φ，

其中，p^*表示上次迭代计算得到的压力值，p表示本次迭代计算压力值；u^*表示上次迭代计算得到的x方向的速度分量值，u表示本次迭代计算x方向的速度分量值；v^*表示上次迭代计算得到的y方向的速度分量值，v表示本次迭代计算y方向的速度分量值；φ^*表示上次迭代计算得到的变量值（φ可表示u、v、w、T、C、k、ε），φ表示本次迭代计算的变量值。

S47：如果是，则输出离散化输运方程的解。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

1.基于CFD信息技术的中庭室内热环境分析方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：根据建筑结构设计图建立室内热环境模型；

S2：确定室内热环境气流组织方式；

S3：设定室内热环境的边界条件和初始条件；

S4：根据室内热环境模型的气流组织方式、边界条件和初始条件通过CFD模拟计算出热舒适值；

所述CFD模拟计算采用改进压力校正法，所述改进压力校正法的实现具体包括以下步骤：

S41：预设热环境模型中与速度场相关联的流体压力场；

S42：根据流体压力场和当前速度场计算动量离散方程得到速度场；

S43：用所得速度场计算热环境模型中的连续性方程，得到压力场的修正值；

S44：调整更新压力场和速度场，求解湍流方程和其他标量方程，所述其他标量方程包括质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程、实际气体状态方程和理想气体状态方程；

S45：判断当前时间步骤上的计算是否收敛，若不收敛，返回到步骤S42，迭代计算；

S46：若收敛，返回步骤S41重复计算下一时间步骤的物理量；

S5：判断热舒适值是否满足预设值，如果是，则转入步骤S7；

S6：如果否，则返回步骤S1对热环境模型进行修改调整；

S7：确定并输出室内热环境模型的最终方案。

2.根据权利要求1所述的基于CFD信息技术的中庭室内热环境分析方法，其特征在于：所述气流组织方式包括以下三种方式中任一种：1)双层百叶风口上送，单层百叶风口上回；2)双层百叶风口侧送，单层百叶风口上回；3)球形喷口送风，单层百叶风口上回。

3.根据权利要求1所述的基于CFD信息技术的中庭室内热环境分析方法，其特征在于：所述边界条件包括围护结构材料参数、送风量、送风温度、回风量、回风温度和排风量；所述初始条件包括围护结构初始温度、围护结构初始负荷以及空气温湿度。

4.根据权利要求1所述的基于CFD信息技术的中庭室内热环境分析方法，其特征在于：所述热舒适值包括温度场、风速场、空气龄、PMV值和PPD值。

5.根据权利要求1所述的基于CFD信息技术的中庭室内热环境分析方法，其特征在于：所述预设值为温度场的取值范围为25±0.5℃、风速场的速度值范围为≤1.0m/s、空气龄的取值范围为≤900s、PMV值为-1～+1和PPD值为≤20％。

6.根据权利要求1所述的基于CFD信息技术的中庭室内热环境分析方法，其特征在于：所述步骤S6中对热环境模型进行修改调整是通过调整热环境模型中的送回风口的尺寸大小、数量多少、位置以及送风口送风量的方式来实现的。