戚正，念娜娜

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

1 項(xiàng)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(cè)對噴、上部機(jī)械排風(fēng)、中間一次回風(fēng)方式的分層空調(diào)，設(shè)計(jì)總送風(fēng)量359630m3/h，空調(diào)系統(tǒng)的具體方式為在展廳周圍高度5.2m處設(shè)置球形噴口向展廳內(nèi)部區(qū)域送風(fēng)，噴口直徑為400mm，總個(gè)數(shù)為114個(gè)，靠近主入口處附近設(shè)置兩側(cè)三排（上中下）噴口進(jìn)行送風(fēng)，左右共24個(gè)球形噴口，上中下間距分別為500mm與600mm，每個(gè)噴口額定送風(fēng)量2080m3/h。為了模擬時(shí)便于靈活調(diào)整送風(fēng)量，在遵循空調(diào)系統(tǒng)原始設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上（每一個(gè)空氣處理機(jī)組針對某一組噴口）根據(jù)送風(fēng)管道的布置對送風(fēng)口進(jìn)行歸類，具體見表1。初始設(shè)計(jì)總排風(fēng)量18萬m3/h，回風(fēng)口、排風(fēng)口的具體尺寸見下表。夾層設(shè)置雙百葉送風(fēng)口進(jìn)行補(bǔ)風(fēng)，尺寸為1.5m×1.5m，每臺送風(fēng)量2.5萬m3/h，總送風(fēng)量15萬m3/h。夏季的設(shè)計(jì)溫度分別為25℃，人員密度該展廳按0.33人/m2，群集系數(shù)0.93，新風(fēng)量按每人20m3/(h·p)設(shè)計(jì)。該展廳夏季室內(nèi)冷負(fù)荷顯熱約為1495583W，模擬時(shí)一般僅考慮室內(nèi)的顯熱部分而不考慮潛熱，夏季總冷熱標(biāo)為296W/m2，夏季新風(fēng)量34749m3/h。

2 模型建立及網(wǎng)格劃分

該模型采用ANSYS ICEM進(jìn)行建模，本模型網(wǎng)格劃分主要采用八叉樹（Octree）方法生成，網(wǎng)格以四面體網(wǎng)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(fēng)口、回風(fēng)口、排風(fēng)口、屋面、輻射地板、地面等對計(jì)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(jìn)行詳細(xì)劃分。這里設(shè)置全局最大網(wǎng)格尺寸2000mm，送風(fēng)口最大網(wǎng)格尺寸不超過20mm，生成后的網(wǎng)格數(shù)量約為520萬，劃分后的網(wǎng)格如圖1、圖2所示。

送回風(fēng)相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)

圖1 南立面網(wǎng)格劃分圖

圖2 西立面及風(fēng)口局部網(wǎng)格加密放大圖

3 邊界條件的設(shè)定

本模擬中采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε方程模型，室內(nèi)人員按成年男子散熱量100W/人，群集系數(shù)0.93，人員密度0.7人/m2計(jì)算，人員散熱將轉(zhuǎn)化為地面負(fù)荷；設(shè)備、照明負(fù)荷全部轉(zhuǎn)化為地面負(fù)荷。通過計(jì)算給定第二類邊界條件常熱流100W/m2。屋頂?shù)臒崃髅芏葹?5 W/m2，地面的熱流密度包含沙盤為120 W/m2。

經(jīng)過計(jì)算三種球形噴口的送風(fēng)速度分別為4.6m/s、4.8m/s、5.26m/s。模型相關(guān)參數(shù)及其他邊界條件的設(shè)置見表3.2，夏季空調(diào)的送風(fēng)溫度為15℃，夏季總送風(fēng)量為399630m3/h，其中包括夾層補(bǔ)風(fēng)送風(fēng)量15萬m3/h，垂直向上送風(fēng)，送風(fēng)速度為3m/s，初步設(shè)計(jì)排風(fēng)量18萬m3/h，排風(fēng)比72%。回排風(fēng)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(xiàng)的處理采用Boussinesq假設(shè)；考慮輻射作用，輻射選用DO模型；采用二階迎風(fēng)格式對流場進(jìn)行求解，壓力與速度的耦合采用SIMPLE算法；收斂標(biāo)準(zhǔn)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(shí)，為了能夠確定整個(gè)計(jì)算區(qū)域是否真正收斂，分別監(jiān)測排風(fēng)口、回風(fēng)口的面平均溫度、速度，直到兩個(gè)檢測點(diǎn)的各自的溫度和速度值不再變化為止。

4 夏季室內(nèi)氣流組織模擬結(jié)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(diào)區(qū)和下部空調(diào)區(qū)，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(dǎo)作用，熱氣流上升聚集到展廳上部，其中有一部分通過排風(fēng)機(jī)排出室外，模擬結(jié)果顯示展廳上部最高溫度高達(dá)36.4℃，下部空調(diào)區(qū)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(dá)14.2℃，這也充分體現(xiàn)了分層空調(diào)的特點(diǎn)。夾層補(bǔ)風(fēng)送風(fēng)口開啟后，對降低夾層平臺上部區(qū)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(qū)域內(nèi)部擴(kuò)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(xù)作用下繼續(xù)向前推進(jìn)，直至遇到對側(cè)噴口的冷空氣，氣流產(chǎn)生碰撞，形成回流區(qū)，空調(diào)區(qū)平均空氣速度約為0.4m/s，送風(fēng)射流段局部達(dá)到0.7m/s，產(chǎn)生輕微的吹風(fēng)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(qū)域的溫度稍高外，空間下部區(qū)域的平均溫度均為22～24℃之間。造成中間區(qū)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(dá)時(shí)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(gè)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(xiàn)象明顯，下部空調(diào)區(qū)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(qū)的溫度與速度分布云圖，由圖可以看出，人員活動區(qū)的平均溫度為23.2℃，在噴口下方及周圍區(qū)域的溫度較低，為21.7℃，中間區(qū)域溫度較高，特別是圓形與方形沙盤上方位置，達(dá)到26℃，水平方向上溫差高達(dá)4.3℃，原因有三方面，一是射流難以到達(dá)的區(qū)域；二是部分區(qū)域并未布置噴口（設(shè)計(jì)時(shí)與其他設(shè)計(jì)有沖突或者其他原因難以在此處布置風(fēng)口），如圖4.8中虛線標(biāo)出的部分，即展廳東西兩側(cè)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(gè)原因是由于設(shè)計(jì)原因造成的，因此需要進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)。從圖4.9可以看出，速度場的分布存在局部不均的現(xiàn)象，如展廳主入口處的最大風(fēng)速達(dá)到1.1m/s，其他區(qū)域的平均風(fēng)速基本控制在0.4m/s以內(nèi)。對于高大展廳，由于室內(nèi)人員活動比較大，且多處于走動狀態(tài)，風(fēng)速稍大（＜0.8m/s）反而會有涼爽感。但風(fēng)速過大會造成室內(nèi)人員的吹風(fēng)感，分析認(rèn)為主入口附近風(fēng)速過大的原因在于設(shè)計(jì)時(shí)門廳處兩側(cè)各布置了上中下三排風(fēng)口，送風(fēng)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(qū)域送風(fēng)，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(cè)的氣流對撞造成的，具體的原因已在前面中有詳細(xì)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(jié)論與優(yōu)化建議

夏季工況氣流組織模擬結(jié)果表明，人員活動區(qū)平均溫度23.2℃，大部分區(qū)域溫度在23℃，中間區(qū)域溫度特別是圓形與方形沙盤上方位置最高達(dá)到26℃，另外由于展廳東西兩個(gè)拐角處沒有布置噴口，所以中間部分區(qū)域溫度較高，為25.7℃。人員活動區(qū)平均風(fēng)速0.37m/s，最大風(fēng)速出現(xiàn)在門廳靠近主入口處，為1.1m/s，容易產(chǎn)生明顯的吹風(fēng)感。具體的優(yōu)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(nèi)外的空氣進(jìn)行熱量交換，防止室外熱流進(jìn)入室內(nèi)。模擬結(jié)果表明門廳處設(shè)置上中下三排的噴口的送風(fēng)量較大，容易引起局部吹風(fēng)感區(qū)域，門廳處噴口對應(yīng)的風(fēng)機(jī)為變頻風(fēng)機(jī)，因此擬將此處的送風(fēng)量減少33%，即原來每個(gè)噴口的風(fēng)量由2080m3/h減少為1387m3/h，以減少門廳處的局部吹風(fēng)感；

②在展廳西南部增加四個(gè)球形噴口，每個(gè)噴口的送風(fēng)量為2380m3/h，使噴口可以全方位覆蓋整個(gè)展廳區(qū)域。