某展厅夏季空调CFD模拟分析

戚正，念娜娜

（甘肃中元恒基建设工程有限公司，甘肃 兰州 730030；广东博意建筑设计院有限公司贵阳分公司，贵州 贵阳 550000）

1 项目信息解读

展厅模拟的净面积约为4700m2，展厅空间采用球形喷口双侧对喷、上部机械排风、中间一次回风方式的分层空调，设计总送风量359630m3/h，空调系统的具体方式为在展厅周围高度5.2m处设置球形喷口向展厅内部区域送风，喷口直径为400mm，总个数为114个，靠近主入口处附近设置两侧三排（上中下）喷口进行送风，左右共24个球形喷口，上中下间距分别为500mm与600mm，每个喷口额定送风量2080m3/h。为了模拟时便于灵活调整送风量，在遵循空调系统原始设计的基础上（每一个空气处理机组针对某一组喷口）根据送风管道的布置对送风口进行归类，具体见表1。初始设计总排风量18万m3/h，回风口、排风口的具体尺寸见下表。夹层设置双百叶送风口进行补风，尺寸为1.5m×1.5m，每台送风量2.5万m3/h，总送风量15万m3/h。夏季的设计温度分别为25℃，人员密度该展厅按0.33人/m2，群集系数0.93，新风量按每人20m3/(h·p)设计。该展厅夏季室内冷负荷显热约为1495583W，模拟时一般仅考虑室内的显热部分而不考虑潜热，夏季总冷热标为296W/m2，夏季新风量34749m3/h。

2 模型建立及网格划分

该模型采用ANSYS ICEM进行建模，本模型网格划分主要采用八叉树（Octree）方法生成，网格以四面体网格为主。为了得到精度更高的气流组织分布，模型的边界条件送风口、回风口、排风口、屋面、辐射地板、地面等对计算的收敛及精度影响较大，因此对这些部分采用局部加密的方法进行详细划分。这里设置全局最大网格尺寸2000mm，送风口最大网格尺寸不超过20mm，生成后的网格数量约为520万，划分后的网格如图1、图2所示。

送回风相关设计参数

图1 南立面网格划分图

图2 西立面及风口局部网格加密放大图

3 边界条件的设定

本模拟中采用标准k-ε方程模型，室内人员按成年男子散热量100W/人，群集系数0.93，人员密度0.7人/m2计算，人员散热将转化为地面负荷；设备、照明负荷全部转化为地面负荷。通过计算给定第二类边界条件常热流100W/m2。屋顶的热流密度为35 W/m2，地面的热流密度包含沙盘为120 W/m2。

经过计算三种球形喷口的送风速度分别为4.6m/s、4.8m/s、5.26m/s。模型相关参数及其他边界条件的设置见表3.2，夏季空调的送风温度为15℃，夏季总送风量为399630m3/h，其中包括夹层补风送风量15万m3/h，垂直向上送风，送风速度为3m/s，初步设计排风量18万m3/h，排风比72%。回排风均采用压力出口边界，由于空间上部流动基本为自然对流，因此动量中考虑浮升力的影响，对空气密度项的处理采用Boussinesq假设；考虑辐射作用，辐射选用DO模型；采用二阶迎风格式对流场进行求解，压力与速度的耦合采用SIMPLE算法；收敛标准为动量等10e-3，能量10e-6；松驰因子：压力 0.7、动量 0.3、温度 1.0、体积力0.1、湍流粘度及耗散率0.8。同时，为了能够确定整个计算区域是否真正收敛，分别监测排风口、回风口的面平均温度、速度，直到两个检测点的各自的温度和速度值不再变化为止。

4 夏季室内气流组织模拟结果

4.1 夏季气流组织分析

图3 典型断面温度、速度云图（X=18.9m）

图3为X=18.9m断面处的温度、速度云图，由温度云图可以明显看出喷口的射流将会展中心展厅空间分成上下两部分，上部非空调区和下部空调区，且空间上部的温度分层明显。在空间上部，由于热浮升力大于空气重力，热浮升力起主导作用，热气流上升聚集到展厅上部，其中有一部分通过排风机排出室外，模拟结果显示展厅上部最高温度高达36.4℃，下部空调区温度为24℃左右，喷口下方温度较低为22.2℃，空间垂直方向上的温差高达14.2℃，这也充分体现了分层空调的特点。夹层补风送风口开启后，对降低夹层平台上部区域的温度起到了一定的作用，但整体上并未破坏垂直方向上的温度分层。由速度云图可以看出，冷空气在惯性力的作用下，由喷口向区域内部扩散，随着核心速度衰减，空气在密度差的作用下逐渐下降，冷气流在惯性力的持续作用下继续向前推进，直至遇到对侧喷口的冷空气，气流产生碰撞，形成回流区，空调区平均空气速度约为0.4m/s，送风射流段局部达到0.7m/s，产生轻微的吹风感。

图4 典型断面温度云图（X=42.7m）

图5 典型断面温度云图（X=52.7m）

图4、图5给出了X方向上典型断面的温度分布云图，除了中间区域的温度稍高外，空间下部区域的平均温度均为22～24℃之间。造成中间区域温度过高的原因是中间沙盘位置的边界条件也给定了热流密度，再者冷空气到达时的末端速度较小，热量容易汇聚此处。

图6～图9分别给了Y方向上几个典型断面的温度云图，同样在空间的垂直高度上温度分层现象明显，下部空调区域温度基本控制在了22～24℃之间。

图6 典型断面温度云图（Y=2.8m）

图7 典型断面温度云图（Y=-7.64m）

图8 典型断面温度云图（Y=13.2m）

图9 典型断面温度云图（Y=19.6m）

图10、图11为高度1.8m处人员活动区的温度与速度分布云图，由图可以看出，人员活动区的平均温度为23.2℃，在喷口下方及周围区域的温度较低，为21.7℃，中间区域温度较高，特别是圆形与方形沙盘上方位置，达到26℃，水平方向上温差高达4.3℃，原因有三方面，一是射流难以到达的区域；二是部分区域并未布置喷口（设计时与其他设计有冲突或者其他原因难以在此处布置风口），如图4.8中虚线标出的部分，即展厅东西两侧的拐角处；三是由于热流密度是均匀加在地面上，造成温度偏高。前两个原因是由于设计原因造成的，因此需要进一步优化设计。从图4.9可以看出，速度场的分布存在局部不均的现象，如展厅主入口处的最大风速达到1.1m/s，其他区域的平均风速基本控制在0.4m/s以内。对于高大展厅，由于室内人员活动比较大，且多处于走动状态，风速稍大（＜0.8m/s）反而会有凉爽感。但风速过大会造成室内人员的吹风感，分析认为主入口附近风速过大的原因在于设计时门厅处两侧各布置了上中下三排风口，送风量过大造成的。

图12、图13给出了喷口高度中心面（高度为5.2m）的温度与速度云图，喷口沿周边布置并向中间区域送风，速度迅速衰减并在密度差的作用下形成下降冷气流，因此展厅中间部分的空气速度较小，仅在中心线位置处速度过高，约0.4m/s，这是由于两侧的气流对撞造成的，具体的原因已在前面中有详细论述。

图10 典型断面温度云图（Z=1.8m）

图11 典型断面速度云图（Z=1.8m）

图12 典型断面温度云图（Z=5.2m）

图13 典型断面速度云图（Z=5.2m）

5 结论与优化建议

夏季工况气流组织模拟结果表明，人员活动区平均温度23.2℃，大部分区域温度在23℃，中间区域温度特别是圆形与方形沙盘上方位置最高达到26℃，另外由于展厅东西两个拐角处没有布置喷口，所以中间部分区域温度较高，为25.7℃。人员活动区平均风速0.37m/s，最大风速出现在门厅靠近主入口处，为1.1m/s，容易产生明显的吹风感。具体的优化建议如下：

①由于门厅主入口处已有灌流空气幕，空气幕可以有效杜绝室内外的空气进行热量交换，防止室外热流进入室内。模拟结果表明门厅处设置上中下三排的喷口的送风量较大，容易引起局部吹风感区域，门厅处喷口对应的风机为变频风机，因此拟将此处的送风量减少33%，即原来每个喷口的风量由2080m3/h减少为1387m3/h，以减少门厅处的局部吹风感；

②在展厅西南部增加四个球形喷口，每个喷口的送风量为2380m3/h，使喷口可以全方位覆盖整个展厅区域。