某会展中心报告厅空调气流组织的CFD模拟分析

2012-09-25胡宗杨文杰朱柏山

重庆建筑 2012年11期

胡宗，杨文杰，朱柏山

（机械工业第三设计研究院，重庆 400039）

0 引言

随着社会的进步，人们对生活质量的追求，除物质生活外，对精神、文化等方面有了越来越高的要求，为此需要更多的功能合理、质量上乘、环境舒适的公共活动空间。对此，如何根据建筑结构的要求，通过合理的系统设计及设备选择，创造一个健康、舒适、节能的室内环境，是暖通专业一直需要努力的方向。而气流组织是室内空调设计的一个重要环节，尤其在大空间建筑中，它直接影响着空调系统的使用效果，因为只有合理的气流组织才能充分发挥送风的冷却和加热作用，均匀地消除室内热量，并有效地排出有害物和悬浮在空气中的灰尘，满足室内的舒适性和卫生要求。

本文应用FLUENT6.2软件，对某会展中心报告厅内的气流组织效果进行了模拟研究，所得结论为报告厅空调系统优化设计、预测气流组织等提供了理论依据和指导方法。

1 工程概况

报告厅建筑面积为2100m2，地面离吊顶最高点距离为16.5m，无柱空间跨度为39m，可容纳1200人。

2 空调组织方案的确定

该报告厅为满足业主所提出的多功能要求，原空调方案考虑其内部可根据业主需要设置临时的舞台，活动座椅等装备，气流组织为在两侧设置喷口，风口射程为20m，回风采用在出入口及观众厅后墙面下部设置的风口集中回风的分层空调气流组织模式。后报告厅根据业主对其功能的最后确定及装修要求，改为有固定主席台及固定阶梯座位，并且由于修改了装修方案，在大厅两侧增设了耳光调控室，侧墙及顶棚均采用了折线形的造型设计，使得原空调方案的侧送下回的空调方式无法实现。

在进行空调方案修改时，我们最先考虑的是在大空间公共建筑中运用比较广泛，节能效果显著的分层空调。拟采用座椅送风，侧墙回风的下送侧回的气流组织形式，保证5m以下空间空调效果，而上部的热气流则可通过在屋顶设置的通风兼排烟系统排出；但因项目是在已经完成土建后进行的修改，阶梯座位是修建在一层结构板上的，现场条件的限制使得观众席的前十排无法在座椅下设置送风口，该区域的空调效果也无从得到保证，因此该方案不具备可行性。根据装修和工程的实际情况，只能采用在报告厅顶部及观众厅后部顶送下回的气流组织形式，我们考虑在主席台上部设置旋流风口，主席台至前十排的观众席上方及观众席后方设置喷口，在观众席的后十排座椅下及主席台下方设置回风口，以期能达到较为合理的送回风循环。在经过负荷计算和气流组织设计计算后，确定了系统的冷热负荷及送、回风量，共选用了6台风量为12000m3/h及2台风量为6000m3/h的柜式空调器作为报告厅的空气处理设备，同时在回风管段上段均设置了回风机，以保证空调时的回风效果及非空调季节的通风运行。

3 空调组织设计中有可能存在的问题及解决问题的方法和工具

在初次的系统设计完成后，我们认为存在的问题是:在实际运行过程中，达到设计要求的室内温度时，是否存在有局部温度不均匀的现象？同时因为系统设计主要是根据冷负荷较大的夏季工况进行的负荷计算、设备选型及末端风口的布置，冬季运行时，是否需要调整风口角度才能满足室内的气流组织要求？

针对上述问题，如能对气流组织方案下的室内温、速度分布效果加以科学地预测，则可以实现设计方案的优化。为此，该工程拟利用目前国际流行的计算流体动力学和传热模拟软模拟，提出优化的送、回风口布置方案以及送风参数的合理建议，供工程设计借鉴和参考。

4 数学和物理模型的简化

4.1 物理模型简化

由于所模拟的报告厅空间几何空间大，而所采用的送、回风口的尺寸较小。因最大与最小尺寸相差悬殊，在数值仿真时势必建立较密的网格。但过密的网格往往会导致计算难以快速实现，甚至结果很难收敛。因此结合会议厅建筑本身结构对称的特点，以过主席台中心的中轴面为对称轴。把中轴面设为对称边界条件，取一半空间作为模拟对象，减少了一半的网格数，使运算速度得到提高[1]。

由于座位和人员较密集，如若将主席台和观众席的每个人都用一个长方体来代替，将导致网格划分时数量巨大，难以实现问题的数值求解。因此，为降低网格划分的难度和网格数量而把人体总散热量平均分配到了50个大小为1×0.6（高×宽）长度不等的长方体的五个面上，人体表面热流量为130W/m2；在会议厅气流组织模拟时，模拟的空间内共设有37个屋顶送风口，送风口直径为0.34m。另外，在主席台前端设置18个0.5×0.15的回风口，两风口中心距离为0.3m。观众席区域的座椅风口简化为102个0.2×0.2的风口，两风口中心距离为1.23m。

4.2 网格生成

由于几何构造复杂，因此采用了非结构化网格（四面体网格）。这种网格节点的位置无法用一个固定的法则予以有序地命名，生成过程比较复杂，但对于会议厅这种几何形式复杂的模拟对象，却有着很好的适应性，尤其对于具有复杂边界的流场计算问题特别有效。由于计算空间很大，建立网格时对空间进行分区加密处理，如贴近送风口和人体的区域网格均加密。简化后的模拟空间模型及整场网格划分状况如图1所示。

图1 模拟空间及其中网格情况显示图

4.3 边界条件的设置

为确保座椅回风和屋顶送风达到室内良好的气流组织效果和热舒适性，避免局部区域温度过高、风速过大等问题的发生，合理选取风口的大小、数量、送风角度以及送风参数等显得十分重要。鉴于会议厅处于建筑的内区，故壁面按绝热处理，其他边界采用了表1给出的几种边界条件进行模拟。

表1 不同气流组织方案时所选用的边界条件

5 室内气流数值模拟及分析

5.1 夏季工况风速场结果与分析

通过对观众席送风口不同角度（30°，45°）工况一和工况二的送风方案模拟计算，图3～图6是室内代表断面Y=0.5m处的温度和速度对比图，从图2～图3可以看出，观众席上空送风口采用30°倾角送风的工况时，由于送风角度较小，射流到达工作区的距离比较短，低温射流有效地降低了工作区的温度，使观众席工作区的温度维持在26℃以内。由于主席台的工作区气流速度较小，该区域温度较观众席工作区的温度略高，但没有超过28℃。

图2 送风口倾角为30°时，Y=0.5m处温度剖面图

图3 送风口倾角30°时，Y=0.5m处速度剖面图

图4 送风口倾角45°时，Y=0.5m处温度剖面图

图5 送风口倾角45°时，Y=0.5m处速度剖面图

从图4～图5可以看出，观众席上空送风口采用45°倾角送风时，低温射流衰减的距离较长，到达工作区之前已和工作区上部热气流进行了充分的热交换，导致工作区温度较30°倾角送风时要高；通过对比两种倾角送风可以看出，在观众席后排局部区域风速较大，但都未超过0.5m/s。通过以上分析可以看出，观众席上空送风口采用30°倾角送风较为合理，其在绝大部分工作区风速可满足舒适性要求，在射流断面及工作区产生的漩涡最小。

为了降低观众席局部区域和主席台工作区温度，通过对工况三送风方案模拟计算，由图6～图7可以看出，增加2个风口后，主席台工作区的速度较工况二有所增加，有效的消除了工作区的热量，使工作区的温度下降，其温度基本维持在26℃左右，达到了设计要求。

图6 取22个风口时，Y=0.5m处温度剖面图

图7 取22个风口时，Y=0.5m处速度剖面图

综合考虑工作区的风速及温度分布，笔者认为观众席上空风口设置为30°倾角和22个送风口为最优的方案，其在绝大部分工作区温度和速度均能满足舒适性要求，且在工作区温度波动最小，速度场较为均匀。

5.2 冬季工况风速场结果与分析

考虑冬季工况热气流在浮生力的作用下，较难送入工作区，为实现冬季室内达到20℃左右的舒适温度要求，本文采用观众席上空的风口数量22个风口的方案，保持送风量与夏季相同，对冬季采用不同送风角度（工况四、工况五）时室内的温度场和速度场进行了模拟和比较分析，由图8～图9可知，冬季送风口倾角为30°时，会议厅内温度场和速度场分布较为均匀，基本满足设计要求；从图10～图11可以看出，若冬季送风口倾角为45°时，热射流在观众席后部汇集，在其上部汇集产生较大气流涡旋，人体头部区域最大风速超过1m/s，不能满足设计要求的0.5m/s。通过以上分析，冬季会议厅送风口倾角为30°较为合理。