某展覽中心登錄廳氣流組織模擬的研究

葉耀蔚

同濟大學(xué)建筑設(shè)計研究院（集團）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]；人員負荷按26℃條件下成年男子進行輕度勞動的顯熱散熱量取值；人員負荷為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結(jié)構(gòu)，其周邊容易形成局部溫度過高、圍護結(jié)構(gòu)負荷占比大的特點，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行模擬計算。按照西安市當(dāng)?shù)叵募竟r計算各圍護結(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)測不滿意百分數(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。