某展覽中心登錄廳氣流組織模擬的研究

葉耀蔚

同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計研究院（集團(tuán)）有限公司

0 前言

高度大于5m，體積大于10 000m3的空間被稱為大空間，在公共民用建筑方面主要指影劇院、音樂廳、大會堂、體育館和展覽館等建筑[1]。在傳統(tǒng)設(shè)計過程中，工程師通常以個人經(jīng)驗選擇氣流組織方案，確定室內(nèi)送/回風(fēng)形式,設(shè)定送/回風(fēng)口的位置、風(fēng)速、送風(fēng)速度等參數(shù)。高大空間的各類熱源仍然存在著不穩(wěn)定性，送回風(fēng)氣流組織流相對復(fù)雜，使工程師難以預(yù)知所選方案是否滿足舒適性要求，或為確保滿足設(shè)計要求增大了能源的消耗。隨著人們對室內(nèi)舒適度要求的不斷提高，并伴隨著日益嚴(yán)峻的能源使用狀況，需要科學(xué)化、數(shù)據(jù)化的方案比選手段。

Airpak是一款能應(yīng)用于暖通空調(diào)專業(yè)領(lǐng)域的氣流組織分析軟件，可較為準(zhǔn)確地模擬室內(nèi)溫度分布、污染物傳播路徑、空氣品質(zhì)和舒適度等，從而在設(shè)計過程中達(dá)到降低風(fēng)險、減少成本的良好效果。

1 模型建立與邊界設(shè)定

1.1 物理模型

本模型是基于西安絲路國際展覽中心登錄廳的夏季供冷工況所進(jìn)行的模擬研究。登錄廳空間的東西跨度 53．8m，南北跨度 55．3m，屋頂高度37m。建筑效果見圖1。

圖1 登陸廳效果圖

為提高計算速度，結(jié)合登錄廳建筑結(jié)構(gòu)對稱的特點，對模型作簡化處理，以南北中心線為對稱軸，取西側(cè)的一半空間建立分析模型[2]。登陸廳物理模型的直角坐標(biāo)原點取在大廳西北角處，沿登錄廳自西向東方向為X軸，沿登陸廳豎直高度方向為Y軸，沿登陸廳自北向南方向為Z軸。該登陸廳尺寸為：26．9m（X）×37m（Y）×55．3m（Z）。

1.2 數(shù)學(xué)模型

在建立登錄廳的物理模型時對其簡化處理，進(jìn)行如下假設(shè)[3]：

（1）墻壁、屋頂和地面表面均視為恒壁溫，采用第二類邊界條件，不計算墻體內(nèi)部的耦合傳熱。

（2）廳內(nèi)空氣流動視為準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)的湍流流動；

（3）空氣視為各向相同性的湍流粘性流體；

（4）空氣可視為不可壓縮氣體，符合Boussiszcsq假設(shè)，只在動量方程中計算浮升力時考慮其密度的變化；

（5）忽略能量方程中由于粘性作用引起的能量耗散；

（6）送風(fēng)口視作均勻出流；

（7）不考慮空氣的濕度對室內(nèi)氣流組織的影響。

1.3 網(wǎng)格劃分

采用六面體網(wǎng)格，網(wǎng)格的最大單元尺寸在X、Y、Z向分別為1．5m、2m、3m；考慮到相較于建筑整體尺寸，風(fēng)口的尺寸較小，對溫度、速度梯度較大的位置（如送、回風(fēng)口附近）的網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，使模擬結(jié)果更準(zhǔn)確。

1.4 邊界條件

參考《展覽建筑設(shè)計規(guī)范》選取登錄廳的設(shè)計參數(shù)，見表1。

(1)內(nèi)熱源邊界條件

登錄廳內(nèi)人員群集系數(shù)取0．89[4]；人員負(fù)荷按26℃條件下成年男子進(jìn)行輕度勞動的顯熱散熱量取值；人員負(fù)荷為104 273W；人體模型簡化成30組5m×0．5m×1．7m的blocks，每組熱量3 475W。

照明負(fù)荷簡化為面光源，按18W/m2，均布于35m高度。

(2)入口邊界條件

高大空間建筑具有高度高、溫度分層明顯，人員活動區(qū)域在下部的特點。根據(jù)項目調(diào)研，同等規(guī)模的候車廳、航站樓和登錄廳的空調(diào)系統(tǒng)多采用分層空調(diào)，氣流組織多為側(cè)送下回，采取的送風(fēng)方式主要為噴口側(cè)送，空間跨度較大時，補充送風(fēng)柱。同時，本工程采用玻璃幕墻為墻體圍護(hù)結(jié)構(gòu)，其周邊容易形成局部溫度過高、圍護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷占比大的特點，擬選定“側(cè)送風(fēng)”、“側(cè)送風(fēng)結(jié)合地板送風(fēng)”兩個方案，以下針對兩個方案分別建立模型進(jìn)行模擬分析。

表1 登錄廳的主要設(shè)計參數(shù)

送風(fēng)參數(shù)見表2。

表2 兩個方案的送風(fēng)量分配表

兩種送風(fēng)方案的Airpak三維模型見圖2：

圖2 兩種送風(fēng)方案Airpak三維模型圖

(3)出口邊界條件

出口邊界條件為自由出流，模型中回風(fēng)口的尺寸簡化為6m×3m。

(4)壁面條件

外墻熱工狀態(tài)按常溫設(shè)定，登陸廳與其他空調(diào)房間的相鄰墻、地面按絕熱設(shè)定，其壁溫為環(huán)境溫度。登陸廳的北墻為內(nèi)墻，東、西、南墻為外墻。登陸廳東、西、南墻及屋面外表面同時受到太陽輻射和室外空氣溫度的導(dǎo)熱作用，采用室外綜合溫度進(jìn)行模擬計算。按照西安市當(dāng)?shù)叵募竟r計算各圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能。

太陽輻射將引起室外空氣溫度提高，將二者的綜合作用稱作室外綜合溫度，其計算式如式（1）[5]：

其中：tz-室外綜合溫度，℃；

tw-室外空氣計算溫度，取35．0℃；

I-玻璃幕墻外表面接受的總的太陽能輻射強度，取450W／m2；

αw-圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面與室外空氣間的換熱系數(shù)，取19．3W／(m2·℃）。

非空調(diào)區(qū)的空氣溫度計算表達(dá)式∶

其中，t2-室內(nèi)非空調(diào)區(qū)的計算溫度，℃;

t1-室內(nèi)空調(diào)區(qū)的計算溫度，℃;

t2d-屋面下表面附近空氣溫度，℃;

tw-夏季空調(diào)室外計算干球溫度，取35．1℃；

登陸廳空調(diào)區(qū)和登陸廳上部非空調(diào)區(qū)內(nèi)表面溫度計算表達(dá)式∶

其中，tn-室內(nèi)計算溫度，空調(diào)區(qū)為t1，非空調(diào)區(qū)為t2,℃；

K-圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)，屋頂取0．41W/m2·℃，透光幕墻取0．19W/m2·℃;

△tzh-室內(nèi)外綜合溫差，℃；

ɑn-圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面放熱系數(shù)，取8．72W/（m2·℃）；

通過式（1）～（4）計算，得到登陸廳各內(nèi)表面溫度，計算結(jié)果如表3所示。登錄廳與其他空調(diào)房間的隔墻視作絕熱壁面。

表3 登陸廳內(nèi)壁面溫度設(shè)定

2 模擬結(jié)果與分析

利用Airpak的后處理功能，可以直觀清晰地描繪出溫度場、速度場分布情況及PPD/PMV數(shù)值，對兩種氣流組織方案模擬結(jié)果進(jìn)行對比與分析。

2.1 室內(nèi)溫度分析

（1）圖3為X=18m截面的溫度分布圖（此截面為模型內(nèi)人體熱源分布區(qū)域中間面）

圖3 X=18m截面溫度分布圖

從圖3中可以看出，在X=18m截面處，方案（一）與方案（二）的溫度分布情況相似，兩個方案的溫度分層現(xiàn)象都十分明顯，豎直方向形成了近乎水平的溫度分層。登陸廳內(nèi)地面附近溫度最低，隨著高度的增加，溫度逐漸升高，在室內(nèi)最高處空氣溫度達(dá)到最大值。室內(nèi)人員活動高度范圍內(nèi)，溫度基本保持在26℃以下。

（2）圖4為Y=1．5m截面（高度對應(yīng)人的頭頸）的溫度分布圖。

方案（二）中，由于在玻璃幕墻附近布置了地板送風(fēng)口，使玻璃幕墻的輻射熱能及時被帶走；在避免了外圍護(hù)結(jié)構(gòu)輻射熱擾動的情況下，室內(nèi)冷空氣的下沉更均勻，形成冷空氣池，有利于帶走室內(nèi)熱源產(chǎn)生的熱量，從而使人員活動區(qū)域溫度更低且溫度場分布更均勻，有效消除西、南兩側(cè)玻璃幕墻附近出現(xiàn)的局部高溫情況。兩個方案中，回風(fēng)口面中心點的回風(fēng)溫度數(shù)值分別為29．0℃和26．2℃，進(jìn)一步驗證了方案（二）的人員活動區(qū)域整體溫度更低，而兩個方案送風(fēng)量和送風(fēng)溫度相同，由此可見，方案（二）的空調(diào)分層效果更好、更節(jié)能。

圖4 Y=1．5m溫度分布圖

2.2 室內(nèi)速度分析

圖5 為Y=1．5m截面（高度對應(yīng)人的頸部位置）的速度分布圖。

由圖5可知，在總送風(fēng)量相同的情況下，方案（二）由于在玻璃幕墻附近布置地板送風(fēng)口，送風(fēng)柱的設(shè)置數(shù)量少于方案（一），人員活動區(qū)的風(fēng)速更低且速度場分布更均勻。

2.3 室內(nèi)舒適度分析

圖5 Y=1．5m截面速度分布

人體的熱感覺既受到環(huán)境因素（溫度、濕度、風(fēng)速及平均熱輻射等）的影響，也受到著衣情況、活動強度等其他因素的影響。單一因素?zé)o法客觀描述人體的熱舒適性，僅通過綜合評價指標(biāo)進(jìn)行評價，常用的綜合評價指標(biāo)有PMV和PPD。其中，PMV為預(yù)測平均投票數(shù)，是丹麥的范格爾(P．O．Fanger)教授提出的表征人體熱反應(yīng)（冷熱感）的評價指標(biāo)，代表了同一環(huán)境中大多數(shù)人的冷熱感覺的平均。PMV=0時意味著室內(nèi)熱環(huán)境為最佳熱舒適狀態(tài)，ISO7730對 PMV 的推薦值為-0．5～+0．5 之間。PPD為預(yù)測不滿意百分?jǐn)?shù)，表示群體中對熱環(huán)境不滿意的數(shù)量占樣本總數(shù)量的百分比[6-7]。

根據(jù)分析，在X=18m截面上，豎直方向上的PMV、PPD的變化規(guī)律分別見圖6和圖7所示：

在X=18m截面處，兩個方案的PMV和PPD隨高度的分布情況類似。在高度0．1～1．8m范圍內(nèi)，隨高度的增加，PMV逐漸增大，PPD數(shù)值則逐漸減小，當(dāng)高度超過1．8m時，隨著高度的增加，PMV值逐漸減小，相應(yīng)的PPD數(shù)值也逐步增加。

圖6 X=18m截面PMV平均值隨高度變化圖

圖7 X=1 8 m截面P P D平均值隨高度變化圖

對方案（二）的數(shù)值進(jìn)行分析可知：在高度0．8～1．5m范圍，PMV值處于-0．5～-0．3之間，相應(yīng)此處的PPD數(shù)值也較低，說明該氣流組織方案滿足室內(nèi)人員的熱舒適需求。

綜合來看，方案二的PMV值、PPD值均優(yōu)于方案一；從舒適度角度考慮，方案二優(yōu)于方案一。

3 結(jié)論

本文對西安絲路國際展覽中心登錄廳的夏季供冷工況進(jìn)行了模擬研究，對比分析“側(cè)送風(fēng)”和“側(cè)送風(fēng)結(jié)合地板送風(fēng)”兩個空調(diào)送風(fēng)方案的溫度場、速度場、PMV和PPD值分布變化規(guī)律。結(jié)果表明：在同樣的送風(fēng)量下，側(cè)送風(fēng)結(jié)合地板送風(fēng)的方案優(yōu)于單一側(cè)送的方案。

由此可見，CFD技術(shù)在工程實踐上有著巨大的應(yīng)用空間，工程師能夠通過模擬量化分析兩個方案的優(yōu)劣，從而指導(dǎo)設(shè)計，提高工程設(shè)計的質(zhì)量。