某會(huì)展中心報(bào)告廳空調(diào)氣流組織的CFD模擬分析

胡宗，楊文杰，朱柏山

（機(jī)械工業(yè)第三設(shè)計(jì)研究院，重慶 400039）

0 引言

隨著社會(huì)的進(jìn)步，人們對(duì)生活質(zhì)量的追求，除物質(zhì)生活外，對(duì)精神、文化等方面有了越來(lái)越高的要求，為此需要更多的功能合理、質(zhì)量上乘、環(huán)境舒適的公共活動(dòng)空間。對(duì)此，如何根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)的要求，通過(guò)合理的系統(tǒng)設(shè)計(jì)及設(shè)備選擇，創(chuàng)造一個(gè)健康、舒適、節(jié)能的室內(nèi)環(huán)境，是暖通專業(yè)一直需要努力的方向。而氣流組織是室內(nèi)空調(diào)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，尤其在大空間建筑中，它直接影響著空調(diào)系統(tǒng)的使用效果，因?yàn)橹挥泻侠淼臍饬鹘M織才能充分發(fā)揮送風(fēng)的冷卻和加熱作用，均勻地消除室內(nèi)熱量，并有效地排出有害物和懸浮在空氣中的灰塵，滿足室內(nèi)的舒適性和衛(wèi)生要求。

本文應(yīng)用FLUENT6.2軟件，對(duì)某會(huì)展中心報(bào)告廳內(nèi)的氣流組織效果進(jìn)行了模擬研究，所得結(jié)論為報(bào)告廳空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)、預(yù)測(cè)氣流組織等提供了理論依據(jù)和指導(dǎo)方法。

1 工程概況

報(bào)告廳建筑面積為2100m2，地面離吊頂最高點(diǎn)距離為16.5m，無(wú)柱空間跨度為39m，可容納1200人。

2 空調(diào)組織方案的確定

該報(bào)告廳為滿足業(yè)主所提出的多功能要求，原空調(diào)方案考慮其內(nèi)部可根據(jù)業(yè)主需要設(shè)置臨時(shí)的舞臺(tái)，活動(dòng)座椅等裝備，氣流組織為在兩側(cè)設(shè)置噴口，風(fēng)口射程為20m，回風(fēng)采用在出入口及觀眾廳后墻面下部設(shè)置的風(fēng)口集中回風(fēng)的分層空調(diào)氣流組織模式。后報(bào)告廳根據(jù)業(yè)主對(duì)其功能的最后確定及裝修要求，改為有固定主席臺(tái)及固定階梯座位，并且由于修改了裝修方案，在大廳兩側(cè)增設(shè)了耳光調(diào)控室，側(cè)墻及頂棚均采用了折線形的造型設(shè)計(jì)，使得原空調(diào)方案的側(cè)送下回的空調(diào)方式無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

在進(jìn)行空調(diào)方案修改時(shí)，我們最先考慮的是在大空間公共建筑中運(yùn)用比較廣泛，節(jié)能效果顯著的分層空調(diào)。擬采用座椅送風(fēng)，側(cè)墻回風(fēng)的下送側(cè)回的氣流組織形式，保證5m以下空間空調(diào)效果，而上部的熱氣流則可通過(guò)在屋頂設(shè)置的通風(fēng)兼排煙系統(tǒng)排出；但因項(xiàng)目是在已經(jīng)完成土建后進(jìn)行的修改，階梯座位是修建在一層結(jié)構(gòu)板上的，現(xiàn)場(chǎng)條件的限制使得觀眾席的前十排無(wú)法在座椅下設(shè)置送風(fēng)口，該區(qū)域的空調(diào)效果也無(wú)從得到保證，因此該方案不具備可行性。根據(jù)裝修和工程的實(shí)際情況，只能采用在報(bào)告廳頂部及觀眾廳后部頂送下回的氣流組織形式，我們考慮在主席臺(tái)上部設(shè)置旋流風(fēng)口，主席臺(tái)至前十排的觀眾席上方及觀眾席后方設(shè)置噴口，在觀眾席的后十排座椅下及主席臺(tái)下方設(shè)置回風(fēng)口，以期能達(dá)到較為合理的送回風(fēng)循環(huán)。在經(jīng)過(guò)負(fù)荷計(jì)算和氣流組織設(shè)計(jì)計(jì)算后，確定了系統(tǒng)的冷熱負(fù)荷及送、回風(fēng)量，共選用了6臺(tái)風(fēng)量為12000m3/h及2臺(tái)風(fēng)量為6000m3/h的柜式空調(diào)器作為報(bào)告廳的空氣處理設(shè)備，同時(shí)在回風(fēng)管段上段均設(shè)置了回風(fēng)機(jī)，以保證空調(diào)時(shí)的回風(fēng)效果及非空調(diào)季節(jié)的通風(fēng)運(yùn)行。

3 空調(diào)組織設(shè)計(jì)中有可能存在的問(wèn)題及解決問(wèn)題的方法和工具

在初次的系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，我們認(rèn)為存在的問(wèn)題是:在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，達(dá)到設(shè)計(jì)要求的室內(nèi)溫度時(shí)，是否存在有局部溫度不均勻的現(xiàn)象？同時(shí)因?yàn)橄到y(tǒng)設(shè)計(jì)主要是根據(jù)冷負(fù)荷較大的夏季工況進(jìn)行的負(fù)荷計(jì)算、設(shè)備選型及末端風(fēng)口的布置，冬季運(yùn)行時(shí)，是否需要調(diào)整風(fēng)口角度才能滿足室內(nèi)的氣流組織要求？

針對(duì)上述問(wèn)題，如能對(duì)氣流組織方案下的室內(nèi)溫、速度分布效果加以科學(xué)地預(yù)測(cè)，則可以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化。為此，該工程擬利用目前國(guó)際流行的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)和傳熱模擬軟模擬，提出優(yōu)化的送、回風(fēng)口布置方案以及送風(fēng)參數(shù)的合理建議，供工程設(shè)計(jì)借鑒和參考。

4 數(shù)學(xué)和物理模型的簡(jiǎn)化

4.1 物理模型簡(jiǎn)化

由于所模擬的報(bào)告廳空間幾何空間大，而所采用的送、回風(fēng)口的尺寸較小。因最大與最小尺寸相差懸殊，在數(shù)值仿真時(shí)勢(shì)必建立較密的網(wǎng)格。但過(guò)密的網(wǎng)格往往會(huì)導(dǎo)致計(jì)算難以快速實(shí)現(xiàn)，甚至結(jié)果很難收斂。因此結(jié)合會(huì)議廳建筑本身結(jié)構(gòu)對(duì)稱的特點(diǎn)，以過(guò)主席臺(tái)中心的中軸面為對(duì)稱軸。把中軸面設(shè)為對(duì)稱邊界條件，取一半空間作為模擬對(duì)象，減少了一半的網(wǎng)格數(shù)，使運(yùn)算速度得到提高[1]。

由于座位和人員較密集，如若將主席臺(tái)和觀眾席的每個(gè)人都用一個(gè)長(zhǎng)方體來(lái)代替，將導(dǎo)致網(wǎng)格劃分時(shí)數(shù)量巨大，難以實(shí)現(xiàn)問(wèn)題的數(shù)值求解。因此，為降低網(wǎng)格劃分的難度和網(wǎng)格數(shù)量而把人體總散熱量平均分配到了50個(gè)大小為1×0.6（高×寬）長(zhǎng)度不等的長(zhǎng)方體的五個(gè)面上，人體表面熱流量為130W/m2；在會(huì)議廳氣流組織模擬時(shí)，模擬的空間內(nèi)共設(shè)有37個(gè)屋頂送風(fēng)口，送風(fēng)口直徑為0.34m。另外，在主席臺(tái)前端設(shè)置18個(gè)0.5×0.15的回風(fēng)口，兩風(fēng)口中心距離為0.3m。觀眾席區(qū)域的座椅風(fēng)口簡(jiǎn)化為102個(gè)0.2×0.2的風(fēng)口，兩風(fēng)口中心距離為1.23m。

4.2 網(wǎng)格生成

由于幾何構(gòu)造復(fù)雜，因此采用了非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格（四面體網(wǎng)格）。這種網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的位置無(wú)法用一個(gè)固定的法則予以有序地命名，生成過(guò)程比較復(fù)雜，但對(duì)于會(huì)議廳這種幾何形式復(fù)雜的模擬對(duì)象，卻有著很好的適應(yīng)性，尤其對(duì)于具有復(fù)雜邊界的流場(chǎng)計(jì)算問(wèn)題特別有效。由于計(jì)算空間很大，建立網(wǎng)格時(shí)對(duì)空間進(jìn)行分區(qū)加密處理，如貼近送風(fēng)口和人體的區(qū)域網(wǎng)格均加密。簡(jiǎn)化后的模擬空間模型及整場(chǎng)網(wǎng)格劃分狀況如圖1所示。

圖1 模擬空間及其中網(wǎng)格情況顯示圖

4.3 邊界條件的設(shè)置

為確保座椅回風(fēng)和屋頂送風(fēng)達(dá)到室內(nèi)良好的氣流組織效果和熱舒適性，避免局部區(qū)域溫度過(guò)高、風(fēng)速過(guò)大等問(wèn)題的發(fā)生，合理選取風(fēng)口的大小、數(shù)量、送風(fēng)角度以及送風(fēng)參數(shù)等顯得十分重要。鑒于會(huì)議廳處于建筑的內(nèi)區(qū)，故壁面按絕熱處理，其他邊界采用了表1給出的幾種邊界條件進(jìn)行模擬。

表1 不同氣流組織方案時(shí)所選用的邊界條件

5 室內(nèi)氣流數(shù)值模擬及分析

5.1 夏季工況風(fēng)速場(chǎng)結(jié)果與分析

通過(guò)對(duì)觀眾席送風(fēng)口不同角度（30°，45°）工況一和工況二的送風(fēng)方案模擬計(jì)算，圖3～圖6是室內(nèi)代表斷面Y=0.5m處的溫度和速度對(duì)比圖，從圖2～圖3可以看出，觀眾席上空送風(fēng)口采用30°傾角送風(fēng)的工況時(shí)，由于送風(fēng)角度較小，射流到達(dá)工作區(qū)的距離比較短，低溫射流有效地降低了工作區(qū)的溫度，使觀眾席工作區(qū)的溫度維持在26℃以內(nèi)。由于主席臺(tái)的工作區(qū)氣流速度較小，該區(qū)域溫度較觀眾席工作區(qū)的溫度略高，但沒(méi)有超過(guò)28℃。

圖2 送風(fēng)口傾角為30°時(shí)，Y=0.5m處溫度剖面圖

圖3 送風(fēng)口傾角30°時(shí)，Y=0.5m處速度剖面圖

圖4 送風(fēng)口傾角45°時(shí)，Y=0.5m處溫度剖面圖

圖5 送風(fēng)口傾角45°時(shí)，Y=0.5m處速度剖面圖

從圖4～圖5可以看出，觀眾席上空送風(fēng)口采用45°傾角送風(fēng)時(shí)，低溫射流衰減的距離較長(zhǎng)，到達(dá)工作區(qū)之前已和工作區(qū)上部熱氣流進(jìn)行了充分的熱交換，導(dǎo)致工作區(qū)溫度較30°傾角送風(fēng)時(shí)要高；通過(guò)對(duì)比兩種傾角送風(fēng)可以看出，在觀眾席后排局部區(qū)域風(fēng)速較大，但都未超過(guò)0.5m/s。通過(guò)以上分析可以看出，觀眾席上空送風(fēng)口采用30°傾角送風(fēng)較為合理，其在絕大部分工作區(qū)風(fēng)速可滿足舒適性要求，在射流斷面及工作區(qū)產(chǎn)生的漩渦最小。

為了降低觀眾席局部區(qū)域和主席臺(tái)工作區(qū)溫度，通過(guò)對(duì)工況三送風(fēng)方案模擬計(jì)算，由圖6～圖7可以看出 ，增加2個(gè)風(fēng)口后，主席臺(tái)工作區(qū)的速度較工況二有所增加，有效的消除了工作區(qū)的熱量，使工作區(qū)的溫度下降，其溫度基本維持在26℃左右，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

圖6 取22個(gè)風(fēng)口時(shí)，Y=0.5m處溫度剖面圖

圖7 取22個(gè)風(fēng)口時(shí)，Y=0.5m處速度剖面圖

綜合考慮工作區(qū)的風(fēng)速及溫度分布，筆者認(rèn)為觀眾席上空風(fēng)口設(shè)置為30°傾角和22個(gè)送風(fēng)口為最優(yōu)的方案，其在絕大部分工作區(qū)溫度和速度均能滿足舒適性要求，且在工作區(qū)溫度波動(dòng)最小，速度場(chǎng)較為均勻。

5.2 冬季工況風(fēng)速場(chǎng)結(jié)果與分析

考慮冬季工況熱氣流在浮生力的作用下，較難送入工作區(qū)，為實(shí)現(xiàn)冬季室內(nèi)達(dá)到20℃左右的舒適溫度要求，本文采用觀眾席上空的風(fēng)口數(shù)量22個(gè)風(fēng)口的方案，保持送風(fēng)量與夏季相同，對(duì)冬季采用不同送風(fēng)角度（工況四、工況五）時(shí)室內(nèi)的溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)進(jìn)行了模擬和比較分析，由圖8～圖9可知，冬季送風(fēng)口傾角為30°時(shí)，會(huì)議廳內(nèi)溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)分布較為均勻，基本滿足設(shè)計(jì)要求；從圖10～圖11可以看出，若冬季送風(fēng)口傾角為45°時(shí)，熱射流在觀眾席后部匯集，在其上部匯集產(chǎn)生較大氣流渦旋，人體頭部區(qū)域最大風(fēng)速超過(guò)1m/s，不能滿足設(shè)計(jì)要求的0.5m/s。通過(guò)以上分析，冬季會(huì)議廳送風(fēng)口傾角為30°較為合理。

圖8 送風(fēng)口傾角為30°時(shí)，Y=0.5m處溫度剖面圖

圖9 送風(fēng)口傾角為30°時(shí)，Y=0.5m處速度剖面圖

圖10 送風(fēng)口傾角為45°時(shí)，Y=0.5m處溫度剖面圖

圖11 送風(fēng)口傾角45°時(shí)，Y=0.5m處速度剖面圖

6 結(jié)論

（1）由模擬結(jié)果分析，觀眾席上空送風(fēng)口傾角為30°和風(fēng)口個(gè)數(shù)為22個(gè)時(shí)，流場(chǎng)均勻性最好，能夠滿足工作區(qū)熱舒適要求。

（2）對(duì)冬季工況數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行分析，確定了在觀眾席采用22個(gè)風(fēng)口布置，送風(fēng)溫度采用22℃送風(fēng)，送風(fēng)口傾角為30°。以上優(yōu)化設(shè)計(jì)可以使建筑內(nèi)絕大部分工作區(qū)溫度和速度均能滿足舒適性要求，且在工作區(qū)溫度波動(dòng)最小。這樣既可以滿足設(shè)計(jì)要求，還可以達(dá)到更好的節(jié)能效果。

[1]許彬，陳少松.淺析對(duì)稱邊界在數(shù)值計(jì)算中的應(yīng)用[J].暖通空調(diào)，2007（9）.

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