某展览中心登录厅气流组织模拟的研究

叶耀蔚

同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司

0 前言

高度大于5m，体积大于10 000m3的空间被称为大空间，在公共民用建筑方面主要指影剧院、音乐厅、大会堂、体育馆和展览馆等建筑[1]。在传统设计过程中，工程师通常以个人经验选择气流组织方案，确定室内送/回风形式,设定送/回风口的位置、风速、送风速度等参数。高大空间的各类热源仍然存在着不稳定性，送回风气流组织流相对复杂，使工程师难以预知所选方案是否满足舒适性要求，或为确保满足设计要求增大了能源的消耗。随着人们对室内舒适度要求的不断提高，并伴随着日益严峻的能源使用状况，需要科学化、数据化的方案比选手段。

Airpak是一款能应用于暖通空调专业领域的气流组织分析软件，可较为准确地模拟室内温度分布、污染物传播路径、空气品质和舒适度等，从而在设计过程中达到降低风险、减少成本的良好效果。

1 模型建立与边界设定

1.1 物理模型

本模型是基于西安丝路国际展览中心登录厅的夏季供冷工况所进行的模拟研究。登录厅空间的东西跨度 53．8m，南北跨度 55．3m，屋顶高度37m。建筑效果见图1。

图1 登陆厅效果图

为提高计算速度，结合登录厅建筑结构对称的特点，对模型作简化处理，以南北中心线为对称轴，取西侧的一半空间建立分析模型[2]。登陆厅物理模型的直角坐标原点取在大厅西北角处，沿登录厅自西向东方向为X轴，沿登陆厅竖直高度方向为Y轴，沿登陆厅自北向南方向为Z轴。该登陆厅尺寸为：26．9m（X）×37m（Y）×55．3m（Z）。

1.2 数学模型

在建立登录厅的物理模型时对其简化处理，进行如下假设[3]：

（1）墙壁、屋顶和地面表面均视为恒壁温，采用第二类边界条件，不计算墙体内部的耦合传热。

（2）厅内空气流动视为准稳态的湍流流动；

（3）空气视为各向相同性的湍流粘性流体；

（4）空气可视为不可压缩气体，符合Boussiszcsq假设，只在动量方程中计算浮升力时考虑其密度的变化；

（5）忽略能量方程中由于粘性作用引起的能量耗散；

（6）送风口视作均匀出流；

（7）不考虑空气的湿度对室内气流组织的影响。

1.3 网格划分

采用六面体网格，网格的最大单元尺寸在X、Y、Z向分别为1．5m、2m、3m；考虑到相较于建筑整体尺寸，风口的尺寸较小，对温度、速度梯度较大的位置（如送、回风口附近）的网格进行加密处理，使模拟结果更准确。

1.4 边界条件

参考《展览建筑设计规范》选取登录厅的设计参数，见表1。

(1)内热源边界条件

登录厅内人员群集系数取0．89[4]；人员负荷按26℃条件下成年男子进行轻度劳动的显热散热量取值；人员负荷为104 273W；人体模型简化成30组5m×0．5m×1．7m的blocks，每组热量3 475W。

照明负荷简化为面光源，按18W/m2，均布于35m高度。

(2)入口边界条件

高大空间建筑具有高度高、温度分层明显，人员活动区域在下部的特点。根据项目调研，同等规模的候车厅、航站楼和登录厅的空调系统多采用分层空调，气流组织多为侧送下回，采取的送风方式主要为喷口侧送，空间跨度较大时，补充送风柱。同时，本工程采用玻璃幕墙为墙体围护结构，其周边容易形成局部温度过高、围护结构负荷占比大的特点，拟选定“侧送风”、“侧送风结合地板送风”两个方案，以下针对两个方案分别建立模型进行模拟分析。

表1 登录厅的主要设计参数

送风参数见表2。

表2 两个方案的送风量分配表

两种送风方案的Airpak三维模型见图2：

图2 两种送风方案Airpak三维模型图

(3)出口边界条件

出口边界条件为自由出流，模型中回风口的尺寸简化为6m×3m。

(4)壁面条件

外墙热工状态按常温设定，登陆厅与其他空调房间的相邻墙、地面按绝热设定，其壁温为环境温度。登陆厅的北墙为内墙，东、西、南墙为外墙。登陆厅东、西、南墙及屋面外表面同时受到太阳辐射和室外空气温度的导热作用，采用室外综合温度进行模拟计算。按照西安市当地夏季工况计算各围护结构的热工性能。

太阳辐射将引起室外空气温度提高，将二者的综合作用称作室外综合温度，其计算式如式（1）[5]：

其中：tz-室外综合温度，℃；

tw-室外空气计算温度，取35．0℃；

I-玻璃幕墙外表面接受的总的太阳能辐射强度，取450W／m2；

αw-围护结构外表面与室外空气间的换热系数，取19．3W／(m2·℃）。

非空调区的空气温度计算表达式∶

其中，t2-室内非空调区的计算温度，℃;

t1-室内空调区的计算温度，℃;

t2d-屋面下表面附近空气温度，℃;

tw-夏季空调室外计算干球温度，取35．1℃；

登陆厅空调区和登陆厅上部非空调区内表面温度计算表达式∶

其中，tn-室内计算温度，空调区为t1，非空调区为t2,℃；

K-围护结构传热系数，屋顶取0．41W/m2·℃，透光幕墙取0．19W/m2·℃;

△tzh-室内外综合温差，℃；

ɑn-围护结构内表面放热系数，取8．72W/（m2·℃）；

通过式（1）～（4）计算，得到登陆厅各内表面温度，计算结果如表3所示。登录厅与其他空调房间的隔墙视作绝热壁面。

表3 登陆厅内壁面温度设定

2 模拟结果与分析

利用Airpak的后处理功能，可以直观清晰地描绘出温度场、速度场分布情况及PPD/PMV数值，对两种气流组织方案模拟结果进行对比与分析。

2.1 室内温度分析

（1）图3为X=18m截面的温度分布图（此截面为模型内人体热源分布区域中间面）

图3 X=18m截面温度分布图

从图3中可以看出，在X=18m截面处，方案（一）与方案（二）的温度分布情况相似，两个方案的温度分层现象都十分明显，竖直方向形成了近乎水平的温度分层。登陆厅内地面附近温度最低，随着高度的增加，温度逐渐升高，在室内最高处空气温度达到最大值。室内人员活动高度范围内，温度基本保持在26℃以下。

（2）图4为Y=1．5m截面（高度对应人的头颈）的温度分布图。

方案（二）中，由于在玻璃幕墙附近布置了地板送风口，使玻璃幕墙的辐射热能及时被带走；在避免了外围护结构辐射热扰动的情况下，室内冷空气的下沉更均匀，形成冷空气池，有利于带走室内热源产生的热量，从而使人员活动区域温度更低且温度场分布更均匀，有效消除西、南两侧玻璃幕墙附近出现的局部高温情况。两个方案中，回风口面中心点的回风温度数值分别为29．0℃和26．2℃，进一步验证了方案（二）的人员活动区域整体温度更低，而两个方案送风量和送风温度相同，由此可见，方案（二）的空调分层效果更好、更节能。

图4 Y=1．5m温度分布图

2.2 室内速度分析

图5 为Y=1．5m截面（高度对应人的颈部位置）的速度分布图。

由图5可知，在总送风量相同的情况下，方案（二）由于在玻璃幕墙附近布置地板送风口，送风柱的设置数量少于方案（一），人员活动区的风速更低且速度场分布更均匀。

2.3 室内舒适度分析

图5 Y=1．5m截面速度分布

人体的热感觉既受到环境因素（温度、湿度、风速及平均热辐射等）的影响，也受到着衣情况、活动强度等其他因素的影响。单一因素无法客观描述人体的热舒适性，仅通过综合评价指标进行评价，常用的综合评价指标有PMV和PPD。其中，PMV为预测平均投票数，是丹麦的范格尔(P．O．Fanger)教授提出的表征人体热反应（冷热感）的评价指标，代表了同一环境中大多数人的冷热感觉的平均。PMV=0时意味着室内热环境为最佳热舒适状态，ISO7730对 PMV 的推荐值为-0．5～+0．5 之间。PPD为预测不满意百分数，表示群体中对热环境不满意的数量占样本总数量的百分比[6-7]。

根据分析，在X=18m截面上，竖直方向上的PMV、PPD的变化规律分别见图6和图7所示：

在X=18m截面处，两个方案的PMV和PPD随高度的分布情况类似。在高度0．1～1．8m范围内，随高度的增加，PMV逐渐增大，PPD数值则逐渐减小，当高度超过1．8m时，随着高度的增加，PMV值逐渐减小，相应的PPD数值也逐步增加。

图6 X=18m截面PMV平均值随高度变化图

图7 X=1 8 m截面P P D平均值随高度变化图

对方案（二）的数值进行分析可知：在高度0．8～1．5m范围，PMV值处于-0．5～-0．3之间，相应此处的PPD数值也较低，说明该气流组织方案满足室内人员的热舒适需求。

综合来看，方案二的PMV值、PPD值均优于方案一；从舒适度角度考虑，方案二优于方案一。

3 结论

本文对西安丝路国际展览中心登录厅的夏季供冷工况进行了模拟研究，对比分析“侧送风”和“侧送风结合地板送风”两个空调送风方案的温度场、速度场、PMV和PPD值分布变化规律。结果表明：在同样的送风量下，侧送风结合地板送风的方案优于单一侧送的方案。

由此可见，CFD技术在工程实践上有着巨大的应用空间，工程师能够通过模拟量化分析两个方案的优劣，从而指导设计，提高工程设计的质量。