西安市某高校大學生活動中心室內環(huán)境測試及模擬研究

董宇光 強天偉 田閏樂 劉德明

西安市某高校大學生活動中心室內環(huán)境測試及模擬研究

董宇光 強天偉 田閏樂 劉德明

（西安工程大學城市規(guī)劃與市政工程學院 西安 710048）

針對西安工程大學臨潼校區(qū)大學生活動中心綜藝大廳（高大空間）夏季供冷人員活動區(qū)域溫度較高現(xiàn)象，利用CFD模擬軟件對綜藝大廳空調氣流組織及熱舒適性進行仿真，對現(xiàn)有送風形式提出優(yōu)化方案，優(yōu)化后的氣流組織極大改善了綜藝大廳人員活動區(qū)的熱環(huán)境。

綜藝大廳（高大空間）；空調系統(tǒng)；氣流組織；熱環(huán)境；CFD模擬

0 引言

目前高大空間建筑造型奇特，體型巨大，空間結構復雜，其室內氣流組織控制和設計比常規(guī)建筑更為復雜，往往會出現(xiàn)低效和難以滿足人員對舒適的要求問題[1-3]。大空間建筑功能的多樣性、內部結構的復雜性單純依靠傳統(tǒng)的設計方法很難對上述問題提出詳細、精確的解決方案。然而CFD模擬技術比模型實驗、現(xiàn)場實測等方法耗時短、成本低、直觀，因此受到廣泛的認可且大量應用到工程實例中[4-6]。

本文以西安工程大學臨潼校區(qū)大學生活動中心綜藝大廳為例，針對其夏季室內人員活動區(qū)域溫度較高現(xiàn)象，采用Airpak模擬軟件對室內熱環(huán)境進行研究，對現(xiàn)有送風形式提出優(yōu)化方案，進一步解決目前空調系統(tǒng)效果差的問題。

1 項目簡介

西安工程大學大學生活動中心（見圖1）位于臨潼校區(qū)的東南側。該大學生活動中心由單層綜藝大廳和三層辦公樓組成，總的建筑面積約為6600m2。綜藝大廳是大學生活動中心的核心，半徑為18.12m，凈高14.2m。大廳內設有觀眾區(qū)和舞臺區(qū)，觀眾席布置在綜藝大廳舞臺的正前方。為滿足不同規(guī)模會議要求，全都設置為活動席位。

圖1 大學生活動中心綜藝大廳側面圖

該工程的核心區(qū)域為單層綜藝大廳，也是本文的主要研究對象。綜藝大廳的面積約為1030m2，在其西南、西北、西方向上部區(qū)域均設有天窗。綜藝大廳的平面圖、現(xiàn)場實景圖如圖2、3所示。

圖2 大學生活動中心綜藝大廳平面圖

圖3 大學生活動中心綜藝大廳現(xiàn)場實景圖

2 空調系統(tǒng)

2.1 空調負荷

由計算可知，綜藝大廳空調夏季冷負荷為260kW。由于建筑的實際外觀是特殊的圓柱體，外墻屬于弧線的范疇，負荷計算時各個方向的面積不好劃分。又因為各個時刻不同方向透過玻璃日射得熱形成冷負荷不同，因此計算時將整個建筑分為八個部分計算，近似認為各個方向的面積均為圓柱體側面積的八分之一[7]。計算結果表明，綜藝大廳圍護結構形成的逐時負荷相對較小，人員和設備散熱形成的逐時冷負荷較大。經夏季逐時冷負荷計算后的綜藝大廳空調冷負荷如表1所示。

表1 綜藝大廳空調冷負荷

2.2 空調系統(tǒng)

綜藝大廳由一臺制冷量為267KW的組合式空氣處理機組給此區(qū)域送風，考慮到建筑布局，組合式空氣處理機組位于辦公樓附房屋面。夏季空調源由設置于辦公樓屋面的風冷模塊熱泵機組提供。綜藝大廳采用一次回風全空氣系統(tǒng)，經計算可得：總的送風量為40000m3/h，夏季送風溫度為16℃，送風風速為7.2m/s。

綜藝大廳采用上送上回的氣流組織形式。該廳四周較均勻布置16個直徑為350mm的球形噴口，每個風口風量為2500m3/h，風口的安裝高度為12.4m；東南側布置2個2000×800的單層百葉回風口，每個回風口風量為15000m3/h，回風口的安裝高度略高于送風口的安裝高度。大學生活動中心綜藝大廳空調系統(tǒng)平面圖、實景圖如圖4、5所示。

圖4 綜藝大廳空調系統(tǒng)平面圖

圖5 綜藝大廳空調系統(tǒng)實景圖

3 評價標準

3.1 室內設計參數要求

室內設計參數包括房間空調設定溫度、濕度范圍及人員新風量。夏季空調室內設計參數控制要求如表2所示。

表2 室內設計參數控制要求

3.2 標準要求

《民用建筑供暖通風與空氣調節(jié)設計規(guī)范》GB 50736-2012中對舒適性空調人員長期逗留區(qū)域室內設計參數做出了相關規(guī)定[8]，如表3所示。

表3 人員長期逗留區(qū)域空調室內設計參數

《民用建筑供暖通風與空氣調節(jié)設計規(guī)范》GB 50736-2012中對采用預計平均熱感覺指數（PMV）和預計不滿意者的百分數（PPD）評價空調的室內熱舒適性做出了相關規(guī)定，如表4所示。

表4 不同熱舒適等級對應的PMV、PPD值

由表2可知，溫度要求控制在24℃～28℃，平均風速0.25m/s，屬于表3人員長期逗留區(qū)域空調室內設計參數中的Ⅱ級熱舒適等級，因此綜藝大廳屬于Ⅱ級熱舒適度。

4 實驗測試結果的驗證

4.1 測試方案

測試時間于7月2日上午10:30進行，測試當天，為研究生舉行畢業(yè)典禮，人數約650人左右。在綜藝大廳觀眾區(qū)布置測點進行測試，各測點距離地面1.5m，詳細測點位置分布圖如圖6所示。

圖6 測點位置分布圖

4.2 物理模型及邊界條件

依照圖紙和實際建筑，在CAD中創(chuàng)建相應的物理模型（見圖7）。由于大學生活動中心綜藝大廳的體積比較大，模擬時網格數目大，因此對物理模型進行了簡化。其中忽略球形噴口的具體形狀，將其簡化為普通的圓形風口，僅保證送風量、送風溫度、風口面積與設計方案相同。單層百葉回風口簡化為二維矩形風口。由于回風口形成的匯流不會對整體環(huán)境產生過多的影響，所以只規(guī)定回風口的尺寸和位置。空調的控制區(qū)即人員活動區(qū)域的氣流組織是我們關注的重點，風管所處區(qū)域的氣流組織無需特別留意，因此模型中忽略風管所占空間區(qū)域。

夏季工況，根據GB 50176-2016《民用建筑熱工設計規(guī)范》[9]設定屋面的溫度28℃，地面溫度26℃，側面溫度28℃。人體負荷按輕勞動強度，取26℃條件下成年男子的顯熱量；群集系數按體育場計算，取0.92；人員顯熱負荷為34480W；人體模型簡化為22組12m×0.7m×1.2m的長方體，每組熱量1567W。照明總的冷負荷為13956W，照明模型簡化為2組7m×1m×1m的長方體，每組熱量6978W。設備總的冷負荷13135W，將其簡化為7m×1m×4m的長方體，熱量為13135W。

圖7 綜藝大廳風口送風模擬時采用的物理模型

4.3 測試與模擬結果比較分析

各測點溫度模擬結果與測試結果對比如圖8所示。由圖可知，測試與模擬結果的溫度值變化趨勢一致且比較接近，由此說明了所采用物理模型是準確、可靠的，也證明了利用Airpak這一專業(yè)軟件模擬計算高大空間建筑室內氣流組織是可信、準確的。

圖8 各測點溫度模擬結果與測試結果對比圖

5 空調系統(tǒng)的優(yōu)化

5.1 優(yōu)化方案

為解決綜藝大廳夏季供冷時人員活動區(qū)域溫度較高的問題，在保持總送風量不變的前提下，改變送風口的個數、位置和送風量。運用Airpak軟件對優(yōu)化后的空調系統(tǒng)進行評價。其中人員活動區(qū)域及舞臺北側上空均為直徑為158mm、風量為2000m3/h的球形噴口，共有11個，其他位置均為直徑為138mm、風量為1500m3/h的球形噴口，共12個。優(yōu)化后風口位置示意圖，如圖9所示。

圖9 優(yōu)化后風口位置示意圖

5.2 優(yōu)化后的氣流組織情況

由實測數據可知中心區(qū)域溫度高，因此，選取中心區(qū)域兩個送風口中心縱斷面為典型界面。圖10為兩個送風口中間縱斷面溫度云圖。由圖可知，人體周圍溫度變化較大，人員活動區(qū)域溫度在25.2℃～26.8℃之間，滿足控制設計要求。

圖10 兩個送風口中間縱斷面溫度云圖

圖11為兩個送風口中間縱斷面速度云圖。由該圖可知，人員活動區(qū)域速度0.14m/s～0.332m/s之間。考慮實際應用中綜藝大廳內人、燈光、設備等熱源會使環(huán)境綜合溫度高于室內空氣的溫度從而對熱環(huán)境進行補償，因此局部區(qū)域速度超過0.3m/s也能夠滿足控制要求。

圖11 兩個送風口中間縱斷面速度云圖

5.3 改進后空調氣流組織評價

采用PMV-PPD指標對綜藝大廳進行熱舒適評價。圖12為兩個送風口中間縱斷面PMV云圖。人員活動區(qū)域PMV大多在0.238～0.619之間，靠近人體在0.95左右。滿足Ⅱ級熱舒適度要求。

圖12 兩個送風口中間縱斷面PMV云圖

圖13為兩個送風口中間縱斷面PPD云圖。人員活動區(qū)域PPD大多在6.19%～13.1%，靠近人體在25%左右。滿足Ⅱ級熱舒適度要求。

圖13 兩個送風口中間縱斷面PPD云圖

6 結論

（1）對于綜藝大廳的現(xiàn)場實測數據分析表明，室內人員活動區(qū)域溫度未達到設計要求，出現(xiàn)了人員活動區(qū)域局部溫度過高現(xiàn)象。

（2）測試結果與CFD模擬計算結果的溫度值變化趨勢一致且較為接近, 由此說明了所采用物理模型是準確、可靠的，也證明了利用Airpak這一專業(yè)軟件模擬計算高大空間建筑室內氣流組織是可信、準確的。

（3）模擬計算了優(yōu)化方案的氣流組織情況，對典型斷面的溫度、速度、人體舒適評價PMV-PPD指標進行了分析，得出改進后方案能夠滿足人員活動區(qū)域的熱舒適要求。

[1] 蔣友娣.基于個性化需求的高大中庭熱舒適性優(yōu)化工程實踐[J].暖通空調,2013,43(11):32-35.

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[8] GB 50736-2012,民用建筑供暖通風與空氣調節(jié)設計規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2012.

[9] GB 50176-2016,民用建筑熱工設計規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2016.

Indoor Environment Simulation and Test Research of a College Student Activity Center in Xi'an

Dong Yuguang Qiang Tianwei Tian Runle Liu Deming

( Xi’an Polytechnic University, School of Urban Planning and Municipal Engineering, Xi’an, 710048 )

Aiming at the phenomenon of high temperature in the summer cooling activity area of the college student activity center (high space) of Lintong Campus of Xi'an University of Technology, CFD simulation software was used to simulate the air conditioning and thermal comfort of the air conditioning in the variety hall. The optimization plan and the optimized air flow organization have greatly improved the thermal environment of the personnel activity area in the variety hall.

variety show hall (high space); air conditioning system; air distribution; thermal environment; CFD simulation

TU83

A

1671-6612（2021）02-207-05

董宇光（1994-），女，在讀碩士研究生，E-mail：2636126294@qq.com

強天偉（1970.11-），男，博士研究生，教授，E-mail：254599797@xpu.edu.cn

2020-07-09