某展廳夏季空調CFD模擬分析

戚正，念娜娜

（甘肅中元恒基建設工程有限公司，甘肅 蘭州 730030；廣東博意建筑設計院有限公司貴陽分公司，貴州 貴陽 550000）

1 項目信息解讀

展廳模擬的凈面積約為4700m2，展廳空間采用球形噴口雙側對噴、上部機械排風、中間一次回風方式的分層空調，設計總送風量359630m3/h，空調系統的具體方式為在展廳周圍高度5.2m處設置球形噴口向展廳內部區域送風，噴口直徑為400mm，總個數為114個，靠近主入口處附近設置兩側三排（上中下）噴口進行送風，左右共24個球形噴口，上中下間距分別為500mm與600mm，每個噴口額定送風量2080m3/h。為了模擬時便于靈活調整送風量，在遵循空調系統原始設計的基礎上（每一個空氣處理機組針對某一組噴口）根據送風管道的布置對送風口進行歸類，具體見表1。初始設計總排風量18萬m3/h，回風口、排風口的具體尺寸見下表。夾層設置雙百葉送風口進行補風，尺寸為1.5m×1.5m，每臺送風量2.5萬m3/h，總送風量15萬m3/h。夏季的設計溫度分別為25℃，人員密度該展廳按0.33人/m2，群集系數0.93，新風量按每人20m3/(h·p)設計。該展廳夏季室內冷負荷顯熱約為1495583W，模擬時一般僅考慮室內的顯熱部分而不考慮潛熱，夏季總冷熱標為296W/m2，夏季新風量34749m3/h。

2 模型建立及網格劃分

該模型采用ANSYS ICEM進行建模，本模型網格劃分主要采用八叉樹（Octree）方法生成，網格以四面體網格為主。為了得到精度更高的氣流組織分布，模型的邊界條件送風口、回風口、排風口、屋面、輻射地板、地面等對計算的收斂及精度影響較大，因此對這些部分采用局部加密的方法進行詳細劃分。這里設置全局最大網格尺寸2000mm，送風口最大網格尺寸不超過20mm，生成后的網格數量約為520萬，劃分后的網格如圖1、圖2所示。

送回風相關設計參數

圖1 南立面網格劃分圖

圖2 西立面及風口局部網格加密放大圖

3 邊界條件的設定

本模擬中采用標準k-ε方程模型，室內人員按成年男子散熱量100W/人，群集系數0.93，人員密度0.7人/m2計算，人員散熱將轉化為地面負荷；設備、照明負荷全部轉化為地面負荷。通過計算給定第二類邊界條件常熱流100W/m2。屋頂的熱流密度為35 W/m2，地面的熱流密度包含沙盤為120 W/m2。

經過計算三種球形噴口的送風速度分別為4.6m/s、4.8m/s、5.26m/s。模型相關參數及其他邊界條件的設置見表3.2，夏季空調的送風溫度為15℃，夏季總送風量為399630m3/h，其中包括夾層補風送風量15萬m3/h，垂直向上送風，送風速度為3m/s，初步設計排風量18萬m3/h，排風比72%。回排風均采用壓力出口邊界，由于空間上部流動基本為自然對流，因此動量中考慮浮升力的影響，對空氣密度項的處理采用Boussinesq假設；考慮輻射作用，輻射選用DO模型；采用二階迎風格式對流場進行求解，壓力與速度的耦合采用SIMPLE算法；收斂標準為動量等10e-3，能量10e-6；松馳因子：壓力 0.7、動量 0.3、溫度 1.0、體積力0.1、湍流粘度及耗散率0.8。同時，為了能夠確定整個計算區域是否真正收斂，分別監測排風口、回風口的面平均溫度、速度，直到兩個檢測點的各自的溫度和速度值不再變化為止。

4 夏季室內氣流組織模擬結果

4.1 夏季氣流組織分析

圖3 典型斷面溫度、速度云圖（X=18.9m）

圖3為X=18.9m斷面處的溫度、速度云圖，由溫度云圖可以明顯看出噴口的射流將會展中心展廳空間分成上下兩部分，上部非空調區和下部空調區，且空間上部的溫度分層明顯。在空間上部，由于熱浮升力大于空氣重力，熱浮升力起主導作用，熱氣流上升聚集到展廳上部，其中有一部分通過排風機排出室外，模擬結果顯示展廳上部最高溫度高達36.4℃，下部空調區溫度為24℃左右，噴口下方溫度較低為22.2℃，空間垂直方向上的溫差高達14.2℃，這也充分體現了分層空調的特點。夾層補風送風口開啟后，對降低夾層平臺上部區域的溫度起到了一定的作用，但整體上并未破壞垂直方向上的溫度分層。由速度云圖可以看出，冷空氣在慣性力的作用下，由噴口向區域內部擴散，隨著核心速度衰減，空氣在密度差的作用下逐漸下降，冷氣流在慣性力的持續作用下繼續向前推進，直至遇到對側噴口的冷空氣，氣流產生碰撞，形成回流區，空調區平均空氣速度約為0.4m/s，送風射流段局部達到0.7m/s，產生輕微的吹風感。

圖4 典型斷面溫度云圖（X=42.7m）

圖5 典型斷面溫度云圖（X=52.7m）

圖4、圖5給出了X方向上典型斷面的溫度分布云圖，除了中間區域的溫度稍高外，空間下部區域的平均溫度均為22～24℃之間。造成中間區域溫度過高的原因是中間沙盤位置的邊界條件也給定了熱流密度，再者冷空氣到達時的末端速度較小，熱量容易匯聚此處。

圖6～圖9分別給了Y方向上幾個典型斷面的溫度云圖，同樣在空間的垂直高度上溫度分層現象明顯，下部空調區域溫度基本控制在了22～24℃之間。

圖6 典型斷面溫度云圖（Y=2.8m）

圖7 典型斷面溫度云圖（Y=-7.64m）

圖8 典型斷面溫度云圖（Y=13.2m）

圖9 典型斷面溫度云圖（Y=19.6m）

圖10、圖11為高度1.8m處人員活動區的溫度與速度分布云圖，由圖可以看出，人員活動區的平均溫度為23.2℃，在噴口下方及周圍區域的溫度較低，為21.7℃，中間區域溫度較高，特別是圓形與方形沙盤上方位置，達到26℃，水平方向上溫差高達4.3℃，原因有三方面，一是射流難以到達的區域；二是部分區域并未布置噴口（設計時與其他設計有沖突或者其他原因難以在此處布置風口），如圖4.8中虛線標出的部分，即展廳東西兩側的拐角處；三是由于熱流密度是均勻加在地面上，造成溫度偏高。前兩個原因是由于設計原因造成的，因此需要進一步優化設計。從圖4.9可以看出，速度場的分布存在局部不均的現象，如展廳主入口處的最大風速達到1.1m/s，其他區域的平均風速基本控制在0.4m/s以內。對于高大展廳，由于室內人員活動比較大，且多處于走動狀態，風速稍大（＜0.8m/s）反而會有涼爽感。但風速過大會造成室內人員的吹風感，分析認為主入口附近風速過大的原因在于設計時門廳處兩側各布置了上中下三排風口，送風量過大造成的。

圖12、圖13給出了噴口高度中心面（高度為5.2m）的溫度與速度云圖，噴口沿周邊布置并向中間區域送風，速度迅速衰減并在密度差的作用下形成下降冷氣流，因此展廳中間部分的空氣速度較小，僅在中心線位置處速度過高，約0.4m/s，這是由于兩側的氣流對撞造成的，具體的原因已在前面中有詳細論述。

圖10 典型斷面溫度云圖（Z=1.8m）

圖11 典型斷面速度云圖（Z=1.8m）

圖12 典型斷面溫度云圖（Z=5.2m）

圖13 典型斷面速度云圖（Z=5.2m）

5 結論與優化建議

夏季工況氣流組織模擬結果表明，人員活動區平均溫度23.2℃，大部分區域溫度在23℃，中間區域溫度特別是圓形與方形沙盤上方位置最高達到26℃，另外由于展廳東西兩個拐角處沒有布置噴口，所以中間部分區域溫度較高，為25.7℃。人員活動區平均風速0.37m/s，最大風速出現在門廳靠近主入口處，為1.1m/s，容易產生明顯的吹風感。具體的優化建議如下：

①由于門廳主入口處已有灌流空氣幕，空氣幕可以有效杜絕室內外的空氣進行熱量交換，防止室外熱流進入室內。模擬結果表明門廳處設置上中下三排的噴口的送風量較大，容易引起局部吹風感區域，門廳處噴口對應的風機為變頻風機，因此擬將此處的送風量減少33%，即原來每個噴口的風量由2080m3/h減少為1387m3/h，以減少門廳處的局部吹風感；

②在展廳西南部增加四個球形噴口，每個噴口的送風量為2380m3/h，使噴口可以全方位覆蓋整個展廳區域。