1. 引言

隨著環(huán)境科學(xué)的發(fā)展進步，人們越來越關(guān)注與自身健康相關(guān)的建筑內(nèi)外環(huán)境質(zhì)量問題。優(yōu)化劇院設(shè)計方案，選擇合適的氣流組織形式，從而營造良好的熱濕環(huán)境是劇院空調(diào)設(shè)計的主要目標。目前在暖通工程領(lǐng)域中，對氣流組織設(shè)計采用的方法主要有射流公式、模型實驗、CFD(Computational Fluid Dynamics)方法（Chen，2004；馬超，2005）。實際工程的氣流組織形式變化多樣，而射流分析方法只能給出室內(nèi)的熱濕環(huán)境的一些整體指標，無法滿足設(shè)計者詳細了解室內(nèi)空氣分布情況的要求；模型實驗雖然能夠得到設(shè)計人員所需要的各種數(shù)據(jù)，但需要較長的實驗周期和較高的成本。應(yīng)用 CFD 技術(shù)能夠模擬預(yù)測建筑空調(diào)系統(tǒng)的氣流組織、溫度場、風(fēng)速場并基于此進行多精細度的熱濕環(huán)境評價，在方案初期給設(shè)計人員提供優(yōu)化設(shè)計方案的依據(jù)。

 

CFD 模擬技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于封閉空間氣流組織的研究中，由于網(wǎng)格劃分、計算效率等因素的制約，通常假定室內(nèi)空氣流動為穩(wěn)態(tài)湍流流動，采用基于 RANS（ReynoldsAverage Numerical Simulation）的穩(wěn)態(tài)分析對建筑通風(fēng)系統(tǒng)進行多方案比選和優(yōu)化，關(guān)注建筑物的流場分布特性（王鋒，2011；劉華，2017）。然而在實際應(yīng)用的時候，建筑物在通風(fēng)系統(tǒng)作用下的流場變化的過程以及達到指定溫度所需要的時間同樣是暖通設(shè)計關(guān)注的重點?；?LES（Large Eddy simulation）的瞬態(tài)分析手段能夠給出實時的流場變化以及流場達到穩(wěn)定所需要的時間，但是對計算域的尺寸和幾何邊界的空間離散形式提出了更高的要求（王漢青，2003）?；?LBM 的商用求解器 XFlow 能夠適用于任意復(fù)雜幾何邊界，能夠?qū)嵤└咝实?LES 計算分析，多用于工業(yè)設(shè)計領(lǐng)域（Holman D M，2012）。LBM 方法在建筑風(fēng)環(huán)境和熱環(huán)境等綠色建筑評價方面也有一些應(yīng)用，主要是針對風(fēng)速場和溫度場的分析，針對熱濕環(huán)境評價指標方面的分析較少。

 

本文以湖北劇院項目為例，采用基于 LBM 方法的 XFlow 軟件對建筑熱濕環(huán)境進行分析，利用開源后處理軟件 paraview 給出 PMV 和 PPD 等熱舒適度指標，建立了以 XFlow軟件為基礎(chǔ)的綠色建筑評價方法。

 

2. XFlow 基本原理及設(shè)置

2.1 控制方程

目前室內(nèi)通風(fēng)系統(tǒng)模擬主要采用的是基于有限體積法求解 Navier Stokes 方程的求解器，包括 fluent、star-ccm+等，都需要復(fù)雜的網(wǎng)格劃分方案，而且往往只能采用基于RANS 的穩(wěn)態(tài)分析，忽略了流體的瞬時變化過程，在解決實際工程問題時存在一定的局限性。

 

在過去幾年中，基于玻爾茲曼方程的最小動力學(xué)模型的方案（LBM）作為傳統(tǒng) CFD方法的可靠替代方案的求解器，如 XFlow 和 Powerflow，越來越受歡迎。格子玻爾茲曼方法最初是作為格子氣體自動機的改進修改而開發(fā)的，結(jié)合了動力學(xué)理論，可用于模擬多種物理現(xiàn)象。相比于采用連續(xù)性方程和 NS 方程來描述宏觀尺度流體運動的傳統(tǒng) CFD 求解器，LBM 采用的是介于宏觀流體連續(xù)性假設(shè)與微觀分子動力學(xué)之間的介觀模擬方法，同時具有微觀方法的適應(yīng)性廣和宏觀方法的不關(guān)注分子運動細節(jié)的特點，精度和計算量上均有較大優(yōu)勢（Boltzmann，L，1970）。在 LBM 模型中，假設(shè)宏觀流體由大量虛擬流體粒子構(gòu)成，通過粒子的對流和碰撞這兩種運動模式來描述流體的宏觀運動。

 

 

 

其中， 為 方向的離散速度向量， 為粒子在 方向的速度分布函數(shù)， 為空間位置向

量， 為從時間 之后的時間增量， 為碰撞算子。

 

格子布爾茲曼方程描述了微觀流體分子的時空分布演化過程。基于動理學(xué)理論，將格子布爾茲曼方程進行 Chapman-Enskog 多尺度展開，可以導(dǎo)出宏觀流體力學(xué)的連續(xù)性方程和 NS 方程，從而建立密度、速度、壓強等流體的宏觀物理量與微觀粒子的速度分布函數(shù)之間的關(guān)系，表達式為

 

 

 

其中， 為密度， 為速度向量， 為壓強。

 

2.2 空間離散方法

XFlow 采用了基于粒子的空間離散方案，依賴于以八叉樹結(jié)構(gòu)組織的晶格，采用D3Q27 的算法（Bao Y B，2014）進行格子劃分，能夠適應(yīng)各類復(fù)雜的幾何邊界。八叉樹結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)非均勻晶格，在流體域不同位置使用不同尺度的晶格結(jié)構(gòu)，粗尺度的晶格可以在過渡邊界處分叉為兩個細尺度的晶格，如圖 1 所示。需要注意的是， 晶格過渡將不可避免地會引入一定的數(shù)值誤差，因此在使用局部網(wǎng)格加密時，應(yīng)進行網(wǎng)格敏感性驗證。

 

 

圖 1 XFlow 晶格結(jié)構(gòu)以及過渡方式示意圖

 

2.3 湍流模型

XFlow 采用大渦模擬（LES）方法，在計算時利用濾波函數(shù)將流場中渦結(jié)構(gòu)根據(jù)尺度大小進行劃分，對大尺度的流場結(jié)構(gòu)直接求解，而對小尺度的流場結(jié)構(gòu)進行模型化處理。濾波處理后的 N-S 方程需要引入表征大、小尺度渦結(jié)構(gòu)相互作用的亞格子應(yīng)力項。XFlow軟件集成了常用的亞格子模型，如 Smagorinsky 模型、Dynamic Smagorinsky 模型以及WALE 模型（Ducros F，1998），其中 WALE 模型提供一致的局部渦黏度和壁面行為，其表達式為

 

 

其中 為濾波尺寸，常數(shù) 一般取 0.325。

 

3. 建筑氣流組織分析

劇院的主體是舞臺和觀眾廳,舞臺氣流組織設(shè)計的難點在于保證舞臺表演效果的同時,既能有效消除燈光設(shè)備等產(chǎn)生的大量熱負荷,又能滿足人體熱舒適的要求；觀眾廳人員密度大, 會產(chǎn)生大量的熱濕負荷,所以觀眾廳的氣流組織設(shè)計需要在消除散濕量、散熱量的同時,既能保證氣流分布的均勻性又能滿足人體熱舒適的要求。在方案階段采用 XFlow 輔助暖通系統(tǒng)的改造設(shè)計，可以對室內(nèi)通風(fēng)系統(tǒng)的熱舒適性進行評估，針對觀眾區(qū)和舞臺區(qū)等重點區(qū)域的氣流和熱環(huán)境進行三維可視化呈現(xiàn)，并根據(jù)分析結(jié)果對通風(fēng)系統(tǒng)的有效性進行檢驗，采用 XFlow 進行室內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)分析的計算參數(shù)設(shè)置如表 1 所示。根據(jù)湖北劇院 CAD 設(shè)計圖紙和暖通設(shè)計信息，建立劇院三維幾何模型如圖 2 所示。該模型考慮了包括觀眾區(qū)和舞臺區(qū)所有區(qū)域，僅對局部區(qū)域進行了幾何簡化。

 

根據(jù)實際可能的室內(nèi)通風(fēng)系統(tǒng)運行情況，確定 CFD 計算工況如表 1 所示。根據(jù)國內(nèi)已有文獻研究，綜合考慮室外熱傳導(dǎo)以及燈光產(chǎn)熱，頂部天花板熱通量取 50W/m2?？紤]座位下部送風(fēng)和舞臺區(qū)送風(fēng)，送風(fēng)風(fēng)速根據(jù)暖通設(shè)計要求確定。人體新陳代謝率、服裝熱阻、人體溫度等人體參數(shù)模型根據(jù)暖通相關(guān)規(guī)范選取。在進行 CFD 計算分析時，考慮了如下假設(shè)：1）假設(shè)室內(nèi)空氣不可壓縮，采用 Buossinesq 浮力假設(shè)；2）假設(shè)流體內(nèi)流體的湍流各向同性；3）假設(shè)室內(nèi)不考慮漏風(fēng)影響，不考慮門口通風(fēng)，氣密性良好。

 

表 1 XFlow 計算求解參數(shù)設(shè)置

 

 

 

圖 2 劇院三維幾何模型及邊界條件示意圖

 

表 2. CFD 計算工況

 

 

經(jīng)過網(wǎng)格敏感性分析，最終確定 XFlow 的晶格數(shù)為 115 萬萬，座位和通風(fēng)口處的網(wǎng)格為 0.125m，其他區(qū)域的求解尺寸為 1m，如圖 3 所示。

 

 

圖 3 劇院計算域網(wǎng)格劃分

 

在觀眾廳空調(diào)設(shè)計時，需充分考慮觀眾區(qū)人員聚集、長時間坐立不能走動這些因素，最大程度提升演出期間，觀眾區(qū)的熱舒適性。采用 XFlow 軟件的，詳細計算分析了不同季節(jié)空調(diào)系統(tǒng)運行情況下劇院室內(nèi)的氣流組織與熱環(huán)境情況。采用 XFlow 進行劇院夏季降溫過程瞬態(tài)仿真，結(jié)果發(fā)現(xiàn)初始溫度 35 攝氏度滿座情況下，開啟空調(diào) 10min 后溫度逐漸穩(wěn)定至 24 攝氏度，溫度云圖如圖 4 所示。夏季工況時，豎向溫度熱分層現(xiàn)象明顯，水平方向溫度變化較均勻。如圖 5 所示的風(fēng)速云圖表明座位附近風(fēng)速基本小于 0.3m/s，觀眾無明顯的吹風(fēng)感。此外，圖 6 所示的氣流軌跡和三維表面溫度云圖也可以直觀地看出室內(nèi)氣流的走向和各區(qū)域的之間的溫差。

 

 

圖 4 夏季劇院空調(diào)運行 10min 后的溫度云圖

 

 

圖 5 夏季劇院空調(diào)運行 10min 后的風(fēng)速云圖

 

圖 6 夏季劇院空調(diào)運行 5min 氣流軌跡和表面溫度云圖

 

4. 熱舒適度評價

熱舒適評價是組成室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量評價體系的重要一項。目前，廣泛應(yīng)用于評價建筑熱濕環(huán)境的指標是丹麥技術(shù)大學(xué) P. O. Fanger 教授提出的 PMV 指標（Predicted Mean Vote，預(yù)計平均熱感覺指數(shù)）（黑賞罡，2017）。

 

PMV 綜合考慮了影響人體熱舒適的 6 個物理變量，包括空氣溫度、風(fēng)速、環(huán)境表面平均輻射溫度、相對濕度以及服裝熱阻和人體代謝率，其值范圍是-3~0~+3，其中 0 表示不冷不熱（即“熱中性”或簡稱“中性”），負值為冷，正值為熱，絕對值越大偏離熱中性就越多。PMV 指標描述的是絕大多數(shù)人在特定環(huán)境下的熱感覺，沒有考慮不同人之間的生理 差 異 。 因 此 Fanger 就 基 于 PMV 指 標 又 提 出 了 PPD 指 標 （ Predicted Percentage Dissatisfied 預(yù)計不滿意者的百分數(shù)），從而預(yù)測不同人群對某一熱濕環(huán)境不滿意的比例。

 

PPD 與 PMV 之間的關(guān)系如圖 7 所示?！睹裼媒ㄖ覂?nèi)熱濕環(huán)境評價標準》GBT 50785-2012 給出了不同等級的熱濕環(huán)境以及對應(yīng)的 PMV 和 PPD 指標，其中 I 級熱濕環(huán)境為人群中 90%感覺滿意的熱濕環(huán)境，其整體熱舒適度評價指標滿足-0.5≤PMV≤+0.5，PPD≤10%。

 

表 3. 熱濕環(huán)境整體評價指標

 

 

 

圖 7PMV 與 PPD

 

XFlow 的后處理功能中，只能輸出風(fēng)速、溫度等基本的流場物理量，而沒有熱舒適度評價相關(guān)指標輸出，但是可以導(dǎo)出通用的 CFD 結(jié)果文件格式，例如 paraview 支持的 VTU格式。因此研究團隊基于開源后處理軟件 paraview 進行二次開發(fā)，對 XFlow 導(dǎo)出的結(jié)果文件進行計算分析，可以給出 PMV 和 PPD 指標，拓展了 XFlow 在建筑熱濕環(huán)境分析方面的應(yīng)用。

 

 

圖 8 劇院 PMV 云圖

表 4. 各工況熱濕環(huán)境評價指標.

 

 

 

 

5. 總結(jié)

本文首先對 XFlow 的基本原理和軟件設(shè)置進行了梳理，針對室內(nèi)熱濕環(huán)境評價分析需要注意的計算參數(shù)設(shè)置進行了詳細介紹。然后以湖北劇院為例介紹了 XFlow 軟件在氣流組織和熱舒適度分析中的應(yīng)用，并且利用 paraview 軟件的二次開發(fā)功能，建立了以 XFlow軟件為基礎(chǔ)的綠色建筑評價方法。有以下如下結(jié)論可供參考：

 

（1）結(jié)合 LBM 方法的基本原理，介紹了開展室內(nèi)熱濕環(huán)境分析需要注意網(wǎng)格劃分、

湍流模型選取等計算設(shè)置。

 

（2）基于 XFlow 的氣流組織分析能夠較好地再現(xiàn)室內(nèi)氣流運動軌跡和溫度熱分層現(xiàn)

象，能夠滿足空調(diào)系統(tǒng)方案輔助設(shè)計的需求。

 

（3）采用 XFlow 作為求解器，導(dǎo)出 VTU 數(shù)據(jù)格式，結(jié)合 paraview 軟件開展后處

理，能夠?qū)С?/span> PMV、PPD 等指標，有助于開展綠色建筑評價。本文基于 XFlow 開展室內(nèi)氣流組織分析和基于 paraview 開展的二次開發(fā)研究，充分發(fā)揮這兩款軟件的優(yōu)勢，拓展了 XFlow 軟件在建筑行業(yè)內(nèi)的適用性，可供其他行業(yè)參考。

 

資料來源：達索官方