大空间会议厅空调气流组织的数值模拟与实测研究

熊伟成，李英军，张永东，黎家荣，黎 强

（1.西南大学，重庆 400700；2.中煤科工集团重庆设计研究院有限公司，重庆 400042；3.重庆大学，重庆 400045）

1 前言

为增加酒店建筑中的会议厅、宴会厅等区域的观感和实用性，常采用高大空间结构形式，由于空间体积大，人员灯光密集，导致此类建筑夏季热湿负荷较大。近年来，部分国内外学者对如何改善高大空间空调气流组织和热舒适性进行了相关的实测和数值模拟研究。T Zhang和XH Liu等对西安咸阳国际机场2，3号航站楼进行了实测，结果表明，采用温湿度独立控制空调系统的3号航站楼能耗较低，同时人员活动区舒适性更好［1］。P Karava和AK Athienitis等利用自然通风技术，改善了内部发热量较大中庭的室内热环境并降低了能耗［2］。马晓钧测试了北京某体育馆比赛区域和观众区域的温度和风速，结果表明，采用分区空调可以灵活满足比赛场地和观众席的不同需要［3］。近年来，随着计算机技术的不断发展，许多研究者采用CFD模拟技术对大空间建筑空调气流组织进行了深入的研究［4～8］。

本文拟结合实测和CFD模拟技术，对重庆某高级酒店大空间会议厅空调气流组织进行研究和分析，得到其温度和速度分布，并通过实测数据验证数值模拟的可靠性，为优化会议厅空调系统设计及运行提供建议。

2 数值模拟前处理

2.1 几何模型

本文所研究的酒店大空间会议厅，长40 m，宽 25 m，净高 6.8 m，总面积 1000 m2。会议厅空调设计参数为：夏季室内温度25℃、相对湿度50%；冬季室内温度22℃、相对湿度40%。设计使用人员800人、照明负荷13 W/m2、设备负荷5 W/m2、人均新风量为25 m3/h。利用天正负荷计算软件计算得夏季总冷负荷为359 kW，冬季总热负荷为14 kW。该会议厅空调采用上送下回式一次回风系统。在东西两侧分别设置一台风量为27200 m3/h的空气处理机组，每台机组设置16个旋流风口，风口间距沿东西向为5 m，沿南北向为6 m，送风风口采用VDL－400可调式旋流风口，单个风口实际送风风量为1700 m3/h。北内墙下侧对称设置2个规格为1.2 m×1 m的单层百叶回风口，风口底标高距地1 m。排风口采用单层百叶风口，对称设置于南侧吊顶上，规格为1 m×0.5 m，共2个。图1为酒店会议厅几何模型示意。

图1 酒店会议厅模型示意

2.2 计算模型

2.2.1 模型简化

为方便计算，本文模拟时作如下简化：

（1）由于该会议厅空间形态及内部装饰布置等均以中心对称线呈东西对称，选取该宴会厅东半侧空间区域进行模拟计算。

（2）旋流风口简化为二维平面风口，并设定其送风角度以合理模拟实际送风情况。相关文献表明简化模型能正确描述旋流风口特性，模拟结果与实际情况较为接近，在工程允许的误差范围内能满足精度要求［9～12］。

2.2.2 数学模型

数学模型主要包括的控制方程有质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程，本研究采用k－ε模型，包括湍流动能及湍流能量耗散率输运方程。近壁面采用标准壁面模型，利用壁面函数法对壁面简化处理。假设室内气流为常温、低速、不可压缩牛顿流体的稳态流动，满足Boussinesq假设［13，14］。

2.2.3 网格划分

模型采用Tri/Pave网格进行面网格划分，采用Tetra/Mixed混合网格对整个空间区域进行体网格划分，对旋流风口处使用局部加密网格，综合计算资源以及精度要求，共离散为约217万个非结构网格单元，46万个网格节点。

3 现场实测

3.1 实测内容

利用4台VELOCICALC 9515手持式多功能测试仪及4台MX4非接触式红外测温仪借助升降机，对送、回风口以及空间、壁面各典型测点的温度和速度进行测量。

3.2 测点布置

3.2.1 送、回风口测点布置

每个送风口布置12个测点，各测点沿风口径向分布如图2（a）所示；每个回风口布置30个测点，测点分布如图2（b）所示。

图2 送、回风口测点布置

3.2.2 建筑壁面及空间测点布置

建筑壁面及空间测点布置如图3所示。壁面、地面与顶棚测点只记录温度，空间测点记录温度与风速。

在高度为 1，2，3，4，5，6 m 均布置壁面测点与空间测点。壁面测点108个，地面测点16个，顶棚测点16个，空间测点96个。

图3 建筑测点布置

4 数值模拟计算

4.1 边界条件

现场实测结果为数值模拟提供了边界条件，壁面温度、送风温度、速度及回风口速度均取实测数据平均值，边界条件如表1所示。

表1 边界条件

4.2 求解方法

采用有限体积法离散化处理控制方程，动量方程与能量方程采用二阶迎风格式，湍流动能方程和湍流能量耗散率方程采用一阶迎风格式。选择压力耦合方程组的半隐式迭代算法（SIMPLE算法）对离散后的方程组进行求解计算。收敛值设置为：连续性方程x、y、z方向速度、湍动能方程以及耗散率方程为1×10－3，能量方程及辐射方程为1×10－6。当所有变量的残差值均已收敛，或当所有变量的残差值不随迭代的进行发生变化，且流入流出整个系统的质量及能量误差均小于0.2% 时，可认为计算收敛［15，16］。

5 模拟结果分析

计算中取Z=1.5m的水平切面作为典型计算面，由于篇幅限制，本文仅列出处于人员活动区高度范围内Z=1.5m截面处的温度与速度等值线图，如图4所示。图4（a）为人员活动区典型横截面（Z=1.5 m）温度等值线。由图可知，截面最高温度约为 22.4℃，最低温度约为 22.1℃，最大温差约为0.3℃，温度分布较为均匀；同时由于会议厅南向窗墙比较大并存在一定的门窗漏风，温度模拟云图显示会议厅南北两侧温度分布也存在一定差异。图4（b）为人员活动区典型截面（Z=1.5 m）速度等值线。图中显示，部分区域等值线分布密集，表明该处速度梯度较大，截面最高风速约为0.6 m/s，最低风速约为0.1 m/s，大部分区域流速低于0.3 m/s，界面速度分布均匀，气流组织较为合理，满足人体舒适度要求。

图4 典型横截面等值线

6 实测与模拟结果比较

6.1 测点温度比较

图 5（a）～（c）分别为 2，4，6 m 高度处各空间测点的温度值对比折线，温度测点实测值与模拟值相对误差平均值为0.44%。由图可知，各高度测点的温度实测值与模拟值变化趋势一致，除2m高度处的10号测点偏差约为0.7℃外，其余各测点偏差均小于0.5℃，实测和模拟数据之间吻合较好，但仍存在一定偏差。这一方面是由于模拟时未考虑人员影响，而实测时工作及测试人员对测试仪器附近的温度场存在一定影响；另一方面是由于建筑以及风口的模型简化存在一定误差。

图5 空间测点实测与模拟温度对比

6.2 测点速度比较

图 6（a）～（c）分别为 2，4，6 m 高度处各空间测点的速度值对比折线，速度测点实测值与模拟值相对误差平均值为18.52%。由图可知，4 m及6 m高度处测点的速度实测值与模拟值吻合较好，其变化趋势基本一致，2 m高度处测点的个别数据相对误差较大。这一方面是由于模型的简化对模拟结果产生了一定影响，另一方面是由于2 m高处空气流速较低，工作及测试人员的活动对测试结果有较大影响，而4 m及6 m高度处由于空气流速较大，受人员活动影响较小。

图6 空间测点实测与模拟速度对比

由图6实测结果可知，当截面高度从6 m降低至2 m时，截面速度极差从0.71 m/s降低到0.15 m/s，表明会议厅空间内随着高度降低，截面速度极差迅速减小，旋流送风气流能迅速卷吸室内空气，和室内空气充分混合，有利于风速在进入人员活动区时衰减到设计要求。

7 结论

（1）本文温度和速度的数值模拟结果与实测数据误差处于合理误差范围内，表明采用的数值模拟方法具有较高可靠性。

（2）本文测试结果表明，该大空间会议厅温度场及流速分布均匀，人员活动区温度及风速均满足人体舒适性要求。

（3）由于该大空间会议厅南向窗墙比较大，且门窗气密性较差，因此靠近南外窗处温度较高。建议对南外窗加装遮阳设施和密封条，并加设low－e膜，减少通过外窗的传热，降低室内负荷，进一步改善室内热舒适性。

（4）本文研究了大空间会议厅夏季工况下的空调气流组织，后续可深入研究会议厅旋流送风口和排风口以及回风口的相对位置关系，以节约能耗并进一步优化室内气流组织。

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