济南某会展中心展馆空调设计及 CFD 模拟验证

宋天珩

同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司

1 概述

会展建筑在促进地区经济发展方面具有重要作用，并能够产生经济聚集、信息传播、提升城市形象等多重效应。会展事业的发展有助于城市吸引投资、文化交流传播、基础投资等各个方面的发展[1]。

济南绿地国际博览城会展中心（如图 1 所示）位于济南市黄河以北，新旧动能转换先行区东侧崔寨片区。青宁高速以南，规划道路会展南路以北，G220 国道东郑线以东，规划道路会展中路以西。它包含会展、酒店、办公、大型购物广场等多种业态，是高水平的规划建设新旧动能转换区，打响从大明湖时代到黄河时代的第一枪。

图1 展馆建筑效果图

本项目总用地面积444000 m2，总建筑面积196881 m2。包括1 个登录厅，1 个超大展馆，12 个标准展馆，会议中心，酒店及停车楼组成。其中每个标准展馆高13 m，展馆宽 56.6 m，长 154 m，净展面积约 9600 m2。因此需要对此类高大空间的空调形式进行更 加深入的研究，保证了展馆在今后的能够满足使用的需求。

2 标准展馆空调送风设计及计算

2.1 室内、外设计参数

本项目位于山东省济南市，属于寒冷地区，其室内外气象参数详见表1[2]和表2：

表1 室外气象参数

表2 室内设计参数

2.2 冷热源及空调水系统设计

本工程设置单独的冷冻机房及锅炉房，满足夏季空调制冷和冬季空调制热需求。根据本工程特点及负荷计算结果，冷冻机房内设置 6 台1800RT 电驱动定频高压离心式水冷冷水机组 +2 台 400RT 380V 变频螺杆式水冷冷水机组。锅炉房内设置5 台5600 kW 燃气低氮冷凝真空热水机组。冷水机组设计进出水温度 13/6 ℃，热水机组设计进出水温度45/60 ℃。冷却塔设计进出水温度37/32 ℃。本项目空调冷热水系统采用两管制异程式。空调冷热水采用二级泵变流量系统，并根据使用功能、输送距离划分二级泵环路。一级泵定流量，二级泵变频调速变流量控制，根据各系统末端最不利环路压差控制运行频率。

2.3 展馆空调风系统设计

2.3.1 展馆空调设备及运行控制

标准展馆采用分层空调方式，对展馆下部人员活动区域进行空气调节，与全空间空调方式相比，分层空调能有效的降低空调能耗，其空调负荷可减少 30% 左右[3-4]。经过进一步负荷计算，展馆夏季冷负荷 2498.3 kW，冬季热负荷 16111 kW。展馆采用一次回风定风量空调系统。经计算确定展馆总送风量为 576000 m3/ h。并将机房布置在展馆两端的专门的机房内，空调机组主要功能段包括混合段、初、中效过滤段、表冷器段及送风机段。另设全热型转轮式回收装置，回收排风中的冷、热量。考虑展馆人员密度变化大，对展馆内的 CO2浓度进行数据采集、分析，实现室内污染物浓度超标实时报警，并与新回风阀门开度联动[5]。空调机组根据送风温度,调节机组回水管上的电动调节阀,以维持室温不变。送风机根据回风温度变频，新风设置可调新风比功能，新风量根据室内外焓差及室内二氧化碳浓度进行控制。且在过渡季节，全空气系统最大可按 70%新风比运行，排风量根据室内外空气压差进行调节。

2.3.2 展馆侧送喷口布置

标准展馆夏季送风口布置在展馆长边两侧，回风口布置在展馆两端侧墙位置。送风口采用喷口，风口布置上下两层。近端送风口38 个，远端送风口38 个。经过相关选型计算（参考文献南京会展），远端喷口中心高度9.4 m，每个送风口的风量为 4500 m3/ h，喷口规格 D600，出口直径Ø1=403 mm。近端喷口中心高度 7.9 m，每个送风口风量为 3075 m3/ h，喷口规格 D600，出口直径Ø1=403 mm（如图2 所示）。送风口的送风角度初步按照如下考虑：夏季远端送风口与水平方向夹角为0°，近端送风口向下倾角为45°。冬季远端送风口向下倾角为20°，近端送风口向下倾角为 65°。同时为降低冬季展馆顶部热空气堆积，保证冬季展馆送风效果，尽可能破坏展馆空间的热分层现象，在展馆顶部吊装增加36 台内循环风机，单台风机送风量 2400 m3/ h，风机下部送风、上部回风，送风口安装高度 12 m。

图2 标准展馆气流示意图

3 CFD 模拟验证

3.1 物理模型及边界条件。

对标准展馆进行物理模型的建立，展馆长宽 56.6 m，长 154 m，展馆高度为13 m。远端喷口中心高度 9.4 m，每个喷口风量为 4500 m3/ h，出口直径Ø1=403mm。近端喷口中心高度7.9 m，每个送风口风量为3075 m3/ h，出口直径Ø1=403 mm。同时为了更加真实的反映会展内的气流组织，在展馆内布置不同规格的展台，高度约 6 m 高。

夏季工况中：夏季端送风口与水平方向夹角为0°，近端送风口向下倾角为45°，夏季送风温度为17.7 ℃，室内设计温度为 26 ℃。夏季室内冷负荷 1835 kW，作为恒定热流条件，设置在展馆的外墙、屋面及地面，回风口为压力出口边界条件[6]。

冬季工况中：冬季远端送风口向下倾角为20°，近端送风口向下倾角为 65°，冬季送风温度为 28 ℃，室内设计温度为 18 ℃。冬季室内热负荷 1214kW，作为恒定热流条件，设置在展馆的外墙，屋面及地面，回风口为压力出口边界条件。同时在展馆吊装增加 36 台内循环风机，单台风机送风量 2400 m3/h，风机下部送风、上部回风，送风口安装高度12 m。如图3 所示：

图3 展馆物理模型及边界示意图

该展馆共生成非结构化四面体网格 255 万，采用K-ε双方程湍流模型进行稳态计算，同时速度项采用二阶迎风格式。

3.2 夏季工况模拟结果

在夏季工况下，沿展馆横向上位置的送风速度场和温度场如图4 和图5 所示。

图4 展馆横向位置夏季速度场模拟结果

图5 展馆横向位置夏季温度场模拟结果

从速度结果可以看出，夏季双层喷口可以对展馆中央及两侧的空间进行送风。从温度结果可以看出展馆沿高度方向存在明显的温度分层现象，并且人员活动区域的温度在26 ℃左右，热空气主要堆积在屋顶，温度在34～40 ℃。这可以说明采用分层空调对高大空间具有明显的节能效果。

取展馆2.0 m 高处的截面，研究整个展馆的送风速度场及温度场，如图6 和图7 所示：

图6 展馆2.0 m 高夏季速度场模拟结果

图7 展馆2.0 m 高夏季温度场模拟结果

从2.0 m 高处展馆的送风速度场可以看出，人员活动区域的风速在0.25 m/s 左右，满足该区域的风速要求。同时该位置温度在26 ℃左右，由于展台的遮挡，两侧温度偏低，实际办展过程中，两侧的人员活动可以增加气流扰动，使得该处位置温度更加均匀，接近设计温度26 ℃。

3.3 冬季工况模拟结果

在冬季工况下，沿展馆横向上送风速度场和温度场如图8、9 所示：

图8 展馆横向位置冬季速度场模拟结果

图9 展馆横向位置冬季温度场模拟结果

冬季由于送风温度高于室内温度，送风气流最终均向上偏移，人员活动区域的风速在0.25 m/s 左右，同时温度在18 ℃左右。所以该送风方式可以满足冬季人员活动区域的温度要求。

取展馆2.0 m 高处的截面，研究整个展馆的送风速度场及温度场，如图 10 和图11：

图10 展馆2.0 m 高冬季速度场模拟结果

图11 展馆2.0 m 高冬季温度场模拟结果

从2.0 m 高处展馆的送风速度场可以看出，冬季人员活动区域的风速在0.25 m/s 左右，满足该区域的风速要求。同时该位置温度在18 ℃左右，由于展台的遮挡，两侧温度偏高，风速偏高。实际办展过程中，两侧的人员活动可以增加气流扰动，使得该处位置温度更加均匀，接近设计温度18 ℃。

从图 12 中可以看出，冬季在展馆顶部 12 m 高设置的增加空气扰动的风机，能够有效的将冬季堆积在屋顶的热空气重新送如展馆下部人员活动区域。可以降低冬季的热分层效应，使下部人员活动区域满足室温要求。

图12 展馆纵向冬季速度场模拟结果

4 结论

本文对于高大空间的展馆，首先设计采用侧送风分从空调方式，在展馆两侧使用双层喷口侧送风，并确定相关送风风量及送风口位置。通过计算模拟发现，夏季空调可仅对展馆下部人员活动区域进行空气处理，有效的降低整个展馆空调冷负荷。冬季为了降低展馆上部空间的热量堆积，一方面将喷口角度向下倾斜，同时在展馆顶部设置增加空气扰动的送风风机，进而减弱冬季展馆的热分层现象，使人员活动区域满足室内温度要求。进一步证明了该展馆空调送风方式的可靠性。