某高大空間宴會(huì)廳空調(diào)氣流組織的模擬研究

汪君 劉東 吳利瑞 李超

某高大空間宴會(huì)廳空調(diào)氣流組織的模擬研究

汪君 劉東 吳利瑞 李超

同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院

結(jié)合上海某酒店宴會(huì)廳夏季空調(diào)運(yùn)行情況，利用Airpak軟件對(duì)宴會(huì)廳內(nèi)部的氣流進(jìn)行模擬研究。在現(xiàn)有的上送上回的氣流組織形式上，結(jié)合宴會(huì)廳實(shí)際使用情況，提出了上送下回的氣流組織形式，并對(duì)這兩種氣流組織效果分別進(jìn)行模擬。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)采用上送下回風(fēng)的氣流組織形式時(shí)，宴會(huì)廳內(nèi)部的溫度場(chǎng)與速度場(chǎng)更均勻，為高大空間宴會(huì)廳的空調(diào)效果的改善提供了參考。依據(jù)模擬優(yōu)化結(jié)果，對(duì)該酒店宴會(huì)廳提出了可行的節(jié)能改造方案。

氣流組織高大空間宴會(huì)廳數(shù)值模擬

1 工程概況

上海某酒店裙樓四層宴會(huì)廳的建筑面積為660m2，層高8m，屋頂為鋼結(jié)構(gòu)，上部有2m高的石膏吊頂空間，北墻為雙層玻璃幕墻，整個(gè)外圍護(hù)結(jié)構(gòu)無(wú)任何保溫措施。該宴會(huì)廳現(xiàn)采用多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)形式，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，該宴會(huì)廳室外機(jī)單臺(tái)制冷量為45.0kW，共6臺(tái)，布置在裙樓樓頂；室內(nèi)機(jī)單臺(tái)制冷量14.0kW，共19臺(tái)，布置在宴會(huì)廳上部吊頂空間內(nèi)。室外機(jī)及室內(nèi)機(jī)的規(guī)格型號(hào)見(jiàn)表1。

表1 多聯(lián)機(jī)室外機(jī)及室內(nèi)機(jī)規(guī)格型號(hào)

在宴會(huì)廳的吊頂中根據(jù)室內(nèi)機(jī)的布置位置，分別布置送風(fēng)口和回風(fēng)口。室內(nèi)機(jī)送風(fēng)口接風(fēng)管，根據(jù)需求送風(fēng)到不同位置，連接散流器送風(fēng)；回風(fēng)口對(duì)應(yīng)室內(nèi)機(jī)回風(fēng)口的位置；宴會(huì)廳采用獨(dú)立的新風(fēng)系統(tǒng)，在宴會(huì)廳的吊頂上設(shè)置4個(gè)新風(fēng)口。宴會(huì)廳形成上送上回的氣流組織形式，宴會(huì)廳的新風(fēng)口、送風(fēng)口及回風(fēng)口的尺寸和風(fēng)量詳見(jiàn)表2。

表2 新風(fēng)口、送風(fēng)口及回風(fēng)口的規(guī)格尺寸

2 模型建立及初始條件確定

2.1物理模型的簡(jiǎn)化

機(jī)械通風(fēng)房間內(nèi)的空氣流動(dòng)多屬于非穩(wěn)態(tài)湍流流動(dòng)，在解決實(shí)際問(wèn)題時(shí)，需要對(duì)物理模型進(jìn)行一定的假設(shè)和簡(jiǎn)化處理[4]。

因此本文做出以下假設(shè)：①室內(nèi)空氣為低速不可壓縮氣體，且符合Boussinesq假設(shè)；②室內(nèi)空氣流動(dòng)為準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)湍流流動(dòng)；③忽略能量方程中由于黏性作用引起的能量耗散；④壁面之間的溫度相差不大，忽略固體壁面間的熱輻射；⑤送風(fēng)口處送風(fēng)射流參數(shù)均勻。

2.2數(shù)值模擬條件的設(shè)置

按照相關(guān)規(guī)范規(guī)定和酒店要求，一般宴會(huì)廳夏季人員活動(dòng)區(qū)溫度要求為24℃，風(fēng)速0.15～0.3m/s。本文擬采用6℃送風(fēng)溫差，送風(fēng)溫度為18℃，送風(fēng)口風(fēng)速為3.59m/s；回風(fēng)口設(shè)自由出流；新風(fēng)送風(fēng)溫度為20℃，新風(fēng)口風(fēng)速為2.08m/s。墻壁、天花板、地面設(shè)為固體壁面；人員密度、設(shè)備及照明均根據(jù)實(shí)際功率及分布情況建立相應(yīng)模塊；各圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱情況，根據(jù)其傳熱系數(shù)和室內(nèi)外溫度情況，設(shè)置第三類(lèi)邊界條件。具體參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表3。

表3 宴會(huì)廳數(shù)值模擬參數(shù)的設(shè)置

根據(jù)研究，大空間建筑內(nèi)部流動(dòng)通常為自然對(duì)流和強(qiáng)迫對(duì)流并存的混合對(duì)流流動(dòng)，且基本為湍流流動(dòng)。如果采用工程中最常用的標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型進(jìn)行模擬并不一定能取得滿意的模擬結(jié)果[5]，因此本文中采用Chen Q等提出的室內(nèi)零方程[6]模型進(jìn)行模擬。文中采用有限容積法離散方程，對(duì)流差分格式采用迎風(fēng)格式，壓力梯度項(xiàng)、擴(kuò)散項(xiàng)均采用二階差分格式，壓力速度耦合采用SIMPLE算法。

2.3具體模型的建立

2.3.1上送上回風(fēng)形式的模型的建立

根據(jù)宴會(huì)廳空調(diào)系統(tǒng)現(xiàn)有形式，風(fēng)口的數(shù)量、尺寸及位置均按照實(shí)際布置情況在Airpak中建立上送上回風(fēng)的模型如圖1所示，坐標(biāo)軸X、Y、Z正方向如圖所示，宴會(huì)廳底面幾何中心為坐標(biāo)原點(diǎn)（0，0，0）。

圖1 上送上回形式模型圖

2.3.2上送下回風(fēng)形式的模型的建立

上送下回風(fēng)形式的模型同上送上回風(fēng)形式的模型相比，回風(fēng)口的位置發(fā)生改變，即回風(fēng)口由吊頂下移至側(cè)墻上，風(fēng)口中心距離地面0.6m，其他條件均與2.3.1模型保持一致。改進(jìn)后的模型如圖2所示。

圖2 上送下回形式模型圖

3 模擬結(jié)果與分析

3.1上送上回風(fēng)形式

對(duì)2.3.1中所建模型進(jìn)行六面體網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格數(shù)量為538729個(gè)，輸入邊界條件，在求解的過(guò)程中，根據(jù)迭代運(yùn)算的結(jié)果，不斷修正邊界初始數(shù)據(jù)和松弛因子，直到得到正確的收斂結(jié)果。

為考察送風(fēng)的速度和溫度在豎直方向上的變化過(guò)程，由模擬可得到的送風(fēng)口所在豎直截面的溫度云圖、速度矢量圖如圖3、4所示。

圖3 送風(fēng)口所在豎直截面溫度云圖

圖4 送風(fēng)口所在豎直截面速度矢量圖

由圖3可見(jiàn)，除靠近內(nèi)墻壁的送風(fēng)口外，其余送風(fēng)口送風(fēng)氣流的溫度沿送風(fēng)方向衰減變化很快；靠近外墻區(qū)域和靠近內(nèi)墻區(qū)域的空氣溫度存在明顯差異，二者溫差在4.5℃左右；由圖4可見(jiàn)，送風(fēng)氣流和垂直于送風(fēng)方向上的空氣的擾動(dòng)較小。由圖3、4均可看出，沿送風(fēng)方向上，送風(fēng)氣流的速度和溫度發(fā)生較大變化，而在垂直于送風(fēng)方向上，空氣溫度和速度基本不變，造成整個(gè)區(qū)域內(nèi)氣流速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)的分布不均勻。

為考察人員活動(dòng)區(qū)域氣流分布的均勻性，通過(guò)模擬可得到Y(jié)=1.5m平面的溫度云圖、速度矢量圖如圖5、6所示。

圖5 Y=1.5m平面溫度云圖

圖6 Y=1.5m平面速度矢量圖

由圖5可見(jiàn)，在人員活動(dòng)區(qū)域平面上，靠近外圍護(hù)結(jié)構(gòu)區(qū)域內(nèi)的空氣溫度明顯高于靠近內(nèi)圍護(hù)結(jié)構(gòu)區(qū)域內(nèi)的空氣溫度，且宴會(huì)廳內(nèi)部人員活動(dòng)區(qū)域隨著溫度的不同形成3個(gè)明顯溫度分區(qū)，高溫區(qū)和低溫區(qū)（相對(duì)而言）的溫差達(dá)到4℃左右。由圖6可見(jiàn)，在人員活動(dòng)區(qū)域內(nèi)，局部區(qū)域（送風(fēng)口正下方區(qū)域）的速度明顯過(guò)大，超過(guò)了人體對(duì)吹風(fēng)感的舒適上限值0.3m/s，達(dá)到1m/s以上，造成明顯吹風(fēng)感，整個(gè)區(qū)域內(nèi)的氣流流速分布不均勻。

3.2上送下回風(fēng)形式

對(duì)2.3.2中所建模型進(jìn)行六面體網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格數(shù)量為712703個(gè)，對(duì)比3.1節(jié)中所得模擬結(jié)果，改變氣流組織形式后的模擬結(jié)果如圖7～10所示。

圖7 送風(fēng)口所在豎直截面溫度云圖

圖8 送風(fēng)口所在豎直截面速度矢量圖

圖9 Y=1.5m平面溫度云圖

圖10 Y=1.5m平面速度矢量圖

由圖7可見(jiàn)，靠近外墻區(qū)域和靠近內(nèi)墻區(qū)域的空氣溫度存在差異，二者溫差在3.75℃左右；由圖8可見(jiàn)，送風(fēng)氣流和垂直于送風(fēng)方向上的空氣的擾動(dòng)增強(qiáng)，特別是在宴會(huì)廳的下部，氣流混合得更為充分，整個(gè)下部區(qū)域內(nèi)氣流分布較為均勻。由圖9可見(jiàn)，在人員活動(dòng)區(qū)域的平面上，靠近外墻區(qū)域的空氣溫度高于靠近內(nèi)墻區(qū)域的空氣溫度，整個(gè)區(qū)域內(nèi)按照溫度高低形成2個(gè)分區(qū)，2個(gè)分區(qū)內(nèi)的空氣溫差在2.5℃左右，且大部分區(qū)域溫度相差不大，室內(nèi)溫度分布比較均勻。由圖10可見(jiàn)，在人員活動(dòng)區(qū)域的平面上，氣流分布較為均勻，大部分區(qū)域的風(fēng)速在0.25 m/s及以下，滿足人體舒適性要求（送風(fēng)口正下方個(gè)別區(qū)域除外）。

3.3兩種形式的對(duì)比分析

3.3.1人員活動(dòng)區(qū)域溫度場(chǎng)的分析

對(duì)比圖9和圖5，可以看出，在兩種送回風(fēng)形式下：

1）相同的控制條件下，上送下回風(fēng)時(shí)人員活動(dòng)區(qū)域的溫度均勻性得到較大改善。

2）在圖9和圖5中，由于建模時(shí)模型大小跟宴會(huì)廳實(shí)際大小相比有所縮小，且VRV送風(fēng)量按照室內(nèi)機(jī)最大送風(fēng)量進(jìn)行設(shè)置，這造成了人員活動(dòng)區(qū)域的溫度整體略偏低。

3）宴會(huì)廳內(nèi)部人員活動(dòng)區(qū)域的溫度云圖的形狀大致相同，高溫區(qū)和低溫區(qū)在圖9、圖5中呈對(duì)角線狀分布，即靠近外墻的區(qū)域的空氣溫度較高，靠近內(nèi)墻區(qū)域的空氣溫度較低。因此，在對(duì)角線上均等地取29個(gè)比較有代表性的點(diǎn)，涵蓋了高溫區(qū)和低溫區(qū)的各代表點(diǎn)，可知，上送上回風(fēng)形式下，對(duì)角線上各點(diǎn)溫度差值最大達(dá)到3.55℃，上送下回風(fēng)形式下，對(duì)角線上各點(diǎn)溫度差值最大達(dá)到2.63℃，且上送下回風(fēng)形式下各點(diǎn)溫度曲線要比上送上回風(fēng)形式下的溫度曲線平緩，變化幅度小。

3.3.2人員活動(dòng)區(qū)域速度場(chǎng)的分析

對(duì)比圖10和圖6，可以看出，兩種送回風(fēng)形式下：

1）相同的控制條件下，上送下回風(fēng)時(shí)，宴會(huì)廳內(nèi)部人員活動(dòng)區(qū)域的氣流擾動(dòng)性增強(qiáng)，從圖10看出，相對(duì)于圖6，整個(gè)區(qū)域內(nèi)的氣流分布均勻性得到改善。

2）在人員活動(dòng)區(qū)域，氣流速度最大值均出現(xiàn)在局部區(qū)域（送風(fēng)口正下方），明顯高于非送風(fēng)口正下方區(qū)域的氣流速度。為考察人員活動(dòng)區(qū)域的氣流流速，分別在兩個(gè)模型中的人員活動(dòng)區(qū)域選取對(duì)應(yīng)于送風(fēng)口正下方的23個(gè)典型點(diǎn)，包括此區(qū)域內(nèi)所有最大風(fēng)速出現(xiàn)點(diǎn)，獲得其氣流速度值?？芍?，上送上回風(fēng)時(shí)，各送風(fēng)口送風(fēng)至人員活動(dòng)區(qū)域?qū)?yīng)點(diǎn)的風(fēng)速平均值達(dá)到0.79m/s，上送下回風(fēng)時(shí)，各送風(fēng)口送風(fēng)至人員活動(dòng)區(qū)域?qū)?yīng)點(diǎn)的風(fēng)速平均值達(dá)到0.65m/s，且除個(gè)別點(diǎn)之外，上送下回風(fēng)各點(diǎn)的風(fēng)速值均小于上送上回風(fēng)時(shí)對(duì)應(yīng)各點(diǎn)的風(fēng)速值。

4 建議改進(jìn)方案

根據(jù)實(shí)際模擬中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，結(jié)合宴會(huì)廳的使用功能，應(yīng)業(yè)主方要求，依據(jù)節(jié)能性、舒適性、穩(wěn)定性、美觀性和經(jīng)濟(jì)性的原則，從外圍護(hù)結(jié)構(gòu)、空調(diào)系統(tǒng)兩個(gè)方面對(duì)該宴會(huì)廳進(jìn)行簡(jiǎn)單合理的施工改造。

4.1外圍護(hù)結(jié)構(gòu)

模擬中發(fā)現(xiàn)靠近外圍護(hù)結(jié)構(gòu)區(qū)域和靠近內(nèi)圍護(hù)結(jié)構(gòu)區(qū)域的空氣存在較大溫差，雖然改變氣流組織形式能有效降低此溫差，但更應(yīng)從外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫

隔熱方面加以改善，盡量減少外圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱，既節(jié)能又從根本上改善溫度不均勻問(wèn)題。因此針對(duì)宴會(huì)廳的北向的大面積玻璃幕墻的表面進(jìn)行貼膜處理。玻璃幕墻表面所貼金屬著色膜基材采用光學(xué)級(jí)PET，阻擋紫外線效果非常突出，具體性能參數(shù)見(jiàn)表4。貼膜施工如下：采用聚氨酯樹(shù)脂復(fù)合膠緊密封閉金屬涂層布，防止金屬氧化、腐蝕；安裝膠經(jīng)過(guò)抗氣候驟變處理、固化處理，不易起泡變形，更易安裝貼合玻璃；貼膜表面涂覆透明丙烯酸樹(shù)脂，施工或者經(jīng)常清洗都不容易出現(xiàn)刮痕。玻璃貼膜通過(guò)和玻璃復(fù)合之后具有較高的熱阻，夏季可有效降低由于對(duì)流和傳導(dǎo)增加的空調(diào)冷負(fù)荷，冬季則可降低室內(nèi)熱量散失，降低空調(diào)熱負(fù)荷。實(shí)驗(yàn)表明，通過(guò)對(duì)門(mén)窗玻璃進(jìn)行貼膜處理可有效降低空調(diào)能耗10%～15%。

表4 金屬著色膜性能參數(shù)

4.2空調(diào)系統(tǒng)

1）氣流組織形式。根據(jù)模擬，上送下回的氣流組織形式下，宴會(huì)廳室內(nèi)的溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)更均勻，因此宴會(huì)廳后期改造中，采用上送下回的氣流組織形式。在模擬中為了更鮮明地突出氣流組織形式對(duì)室內(nèi)氣流均勻性的影響，盡量保持控制條件的一致性，只改變氣流組織形式，也即只改變回風(fēng)口的位置，將全部回風(fēng)口布置在側(cè)墻上，這樣一定程度地破壞了宴會(huì)廳的美觀性。在實(shí)際改造過(guò)程中，建議可在宴會(huì)廳四個(gè)墻角位置各設(shè)置一個(gè)矩形回風(fēng)管，回風(fēng)管上部延伸至吊頂空間內(nèi)，連接室內(nèi)機(jī)回風(fēng)口；下部根據(jù)回風(fēng)量要求開(kāi)口，做成格珊百葉式回風(fēng)口，既不影響宴會(huì)廳的實(shí)用和美觀要求，又能減少改造成本。

2）送風(fēng)口形式。由于本案例中新風(fēng)以及VRV送風(fēng)均是散流器下送風(fēng)，送風(fēng)至人員活動(dòng)區(qū)域所需時(shí)間較長(zhǎng)，造成了宴會(huì)廳需要較長(zhǎng)的預(yù)冷時(shí)間，考慮到旋流風(fēng)口具有誘導(dǎo)比大，風(fēng)速衰減快的特點(diǎn)，適合大空間空調(diào)送風(fēng)，因此改造方案中全部采用旋流風(fēng)口送風(fēng)。

3）改造方案的模擬結(jié)果。根據(jù)4.2.1及4.2.2中所提出的空調(diào)系統(tǒng)的改造方案，將回風(fēng)口集中布置在宴會(huì)廳四個(gè)墻角位置，送風(fēng)口采用旋流風(fēng)口，進(jìn)行模擬論證，發(fā)現(xiàn)當(dāng)送風(fēng)口采用旋流風(fēng)口時(shí)，送風(fēng)射程明顯增大，能較快送風(fēng)至宴會(huì)廳下部，有效減少宴會(huì)廳夏季空調(diào)預(yù)冷時(shí)間；改造后人員活動(dòng)區(qū)的溫度場(chǎng)較均勻，基本達(dá)到氣流組織優(yōu)化的效果；速度場(chǎng)均勻性得到改善，而在送風(fēng)口正下方局部區(qū)域出現(xiàn)風(fēng)速過(guò)大現(xiàn)象，是由于進(jìn)行夏季空調(diào)預(yù)冷工況的模擬時(shí)，送風(fēng)口采用旋流風(fēng)口且垂直向下送風(fēng)至人員活動(dòng)區(qū)所造成，在宴會(huì)廳正常使用時(shí)可以通過(guò)調(diào)節(jié)送風(fēng)角度來(lái)改善這一現(xiàn)象。

5 結(jié)論

1）宴會(huì)廳采用上送下回風(fēng)的氣流組織形式，室內(nèi)人員活動(dòng)區(qū)域溫度的均勻性優(yōu)于采用上送上回風(fēng)的氣流組織形式。當(dāng)采用上送上回風(fēng)形式時(shí)，室內(nèi)高溫區(qū)和低溫區(qū)溫度差值最大達(dá)到3.55℃；采用上送下回風(fēng)時(shí)室內(nèi)高溫區(qū)和低溫區(qū)的最大溫度差值減小到2.63℃。

2）宴會(huì)廳采用上送下回風(fēng)的氣流組織形式，室內(nèi)人員活動(dòng)區(qū)域風(fēng)速的均勻性優(yōu)于采用上送上回風(fēng)的氣流組織形式。當(dāng)采用上送上回風(fēng)形式時(shí)，室內(nèi)人員活動(dòng)區(qū)域的對(duì)應(yīng)于送風(fēng)口正下方各點(diǎn)的平均風(fēng)速為0.79m/s；采用上送下回風(fēng)時(shí)室內(nèi)人員活動(dòng)區(qū)域的對(duì)應(yīng)于送風(fēng)口正下方各點(diǎn)的平均風(fēng)速為0.65m/s。

3）在相同的條件下，相對(duì)于上送上回的氣流組織形式，高大宴會(huì)廳采用上送下回的氣流組織形式可以較好地改善室內(nèi)的溫度場(chǎng)和風(fēng)速場(chǎng)，提高室內(nèi)舒適度。實(shí)施節(jié)能改造時(shí)，應(yīng)結(jié)合模擬情況，同時(shí)應(yīng)考慮建筑物的使用要求，對(duì)改造方案進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計(jì)出最合理的改造方案。

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Num e ric a l Sim ula tion of Air Dis tribution in a La rge Spa c e Ba nque t Ha ll

WANG Jun,LIU Dong,WU Li-rui,LI Chao
College of Mechanical and Energy Engineering,Tongji University

Combining with the air conditioning situation of a large space banquet hall in a Shanghai hotel,the software Airpak is used to simulate the internal air distribution in the large space banquet hall.The banquet hall now adopts ceiling air supply and ceiling air return,based on the actual usage,the ceiling air supply and below return is suggested for it.These two air distributions are simulated in this paper,respectively.The results of the simulations show that the temperature and velocity field of the banquet hall is more uniform when the hall adopts ceiling air supply and below return.This paper also provides a reference for the choice of air distribution in large space banquet halls.According to the results of simulation and optimization,some feasible energy-saving programs are proposed for the banquet hall in the hotel.

air distribution,large space banquet hall,numerical simulation

1003-0344（2014）06-043-5

2013-11-8

汪君（1990～），女，碩士研究生；同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院（200092）；E-mail:wangjun_9010@126.com