濟南某會展中心展館空調設計及 CFD 模擬驗證

宋天珩

同濟大學建筑設計研究院（集團）有限公司

1 概述

會展建筑在促進地區經濟發展方面具有重要作用，并能夠產生經濟聚集、信息傳播、提升城市形象等多重效應。會展事業的發展有助于城市吸引投資、文化交流傳播、基礎投資等各個方面的發展[1]。

濟南綠地國際博覽城會展中心（如圖 1 所示）位于濟南市黃河以北，新舊動能轉換先行區東側崔寨片區。青寧高速以南，規劃道路會展南路以北，G220 國道東鄭線以東，規劃道路會展中路以西。它包含會展、酒店、辦公、大型購物廣場等多種業態，是高水平的規劃建設新舊動能轉換區，打響從大明湖時代到黃河時代的第一槍。

圖1 展館建筑效果圖

本項目總用地面積444000 m2，總建筑面積196881 m2。包括1 個登錄廳，1 個超大展館，12 個標準展館，會議中心，酒店及停車樓組成。其中每個標準展館高13 m，展館寬 56.6 m，長 154 m，凈展面積約 9600 m2。因此需要對此類高大空間的空調形式進行更 加深入的研究，保證了展館在今后的能夠滿足使用的需求。

2 標準展館空調送風設計及計算

2.1 室內、外設計參數

本項目位于山東省濟南市，屬于寒冷地區，其室內外氣象參數詳見表1[2]和表2：

表1 室外氣象參數

表2 室內設計參數

2.2 冷熱源及空調水系統設計

本工程設置單獨的冷凍機房及鍋爐房，滿足夏季空調制冷和冬季空調制熱需求。根據本工程特點及負荷計算結果，冷凍機房內設置 6 臺1800RT 電驅動定頻高壓離心式水冷冷水機組 +2 臺 400RT 380V 變頻螺桿式水冷冷水機組。鍋爐房內設置5 臺5600 kW 燃氣低氮冷凝真空熱水機組。冷水機組設計進出水溫度 13/6 ℃，熱水機組設計進出水溫度45/60 ℃。冷卻塔設計進出水溫度37/32 ℃。本項目空調冷熱水系統采用兩管制異程式。空調冷熱水采用二級泵變流量系統，并根據使用功能、輸送距離劃分二級泵環路。一級泵定流量，二級泵變頻調速變流量控制，根據各系統末端最不利環路壓差控制運行頻率。

2.3 展館空調風系統設計

2.3.1 展館空調設備及運行控制

標準展館采用分層空調方式，對展館下部人員活動區域進行空氣調節，與全空間空調方式相比，分層空調能有效的降低空調能耗，其空調負荷可減少 30% 左右[3-4]。經過進一步負荷計算，展館夏季冷負荷 2498.3 kW，冬季熱負荷 16111 kW。展館采用一次回風定風量空調系統。經計算確定展館總送風量為 576000 m3/ h。并將機房布置在展館兩端的專門的機房內，空調機組主要功能段包括混合段、初、中效過濾段、表冷器段及送風機段。另設全熱型轉輪式回收裝置，回收排風中的冷、熱量。考慮展館人員密度變化大，對展館內的 CO2濃度進行數據采集、分析，實現室內污染物濃度超標實時報警，并與新回風閥門開度聯動[5]。空調機組根據送風溫度,調節機組回水管上的電動調節閥,以維持室溫不變。送風機根據回風溫度變頻，新風設置可調新風比功能，新風量根據室內外焓差及室內二氧化碳濃度進行控制。且在過渡季節，全空氣系統最大可按 70%新風比運行，排風量根據室內外空氣壓差進行調節。

2.3.2 展館側送噴口布置

標準展館夏季送風口布置在展館長邊兩側，回風口布置在展館兩端側墻位置。送風口采用噴口，風口布置上下兩層。近端送風口38 個，遠端送風口38 個。經過相關選型計算（參考文獻南京會展），遠端噴口中心高度9.4 m，每個送風口的風量為 4500 m3/ h，噴口規格 D600，出口直徑?1=403 mm。近端噴口中心高度 7.9 m，每個送風口風量為 3075 m3/ h，噴口規格 D600，出口直徑?1=403 mm（如圖2 所示）。送風口的送風角度初步按照如下考慮：夏季遠端送風口與水平方向夾角為0°，近端送風口向下傾角為45°。冬季遠端送風口向下傾角為20°，近端送風口向下傾角為 65°。同時為降低冬季展館頂部熱空氣堆積，保證冬季展館送風效果，盡可能破壞展館空間的熱分層現象，在展館頂部吊裝增加36 臺內循環風機，單臺風機送風量 2400 m3/ h，風機下部送風、上部回風，送風口安裝高度 12 m。

圖2 標準展館氣流示意圖

3 CFD 模擬驗證

3.1 物理模型及邊界條件。

對標準展館進行物理模型的建立，展館長寬 56.6 m，長 154 m，展館高度為13 m。遠端噴口中心高度 9.4 m，每個噴口風量為 4500 m3/ h，出口直徑?1=403mm。近端噴口中心高度7.9 m，每個送風口風量為3075 m3/ h，出口直徑?1=403 mm。同時為了更加真實的反映會展內的氣流組織，在展館內布置不同規格的展臺，高度約 6 m 高。

夏季工況中：夏季端送風口與水平方向夾角為0°，近端送風口向下傾角為45°，夏季送風溫度為17.7 ℃，室內設計溫度為 26 ℃。夏季室內冷負荷 1835 kW，作為恒定熱流條件，設置在展館的外墻、屋面及地面，回風口為壓力出口邊界條件[6]。

冬季工況中：冬季遠端送風口向下傾角為20°，近端送風口向下傾角為 65°，冬季送風溫度為 28 ℃，室內設計溫度為 18 ℃。冬季室內熱負荷 1214kW，作為恒定熱流條件，設置在展館的外墻，屋面及地面，回風口為壓力出口邊界條件。同時在展館吊裝增加 36 臺內循環風機，單臺風機送風量 2400 m3/h，風機下部送風、上部回風，送風口安裝高度12 m。如圖3 所示：

圖3 展館物理模型及邊界示意圖

該展館共生成非結構化四面體網格 255 萬，采用K-ε雙方程湍流模型進行穩態計算，同時速度項采用二階迎風格式。

3.2 夏季工況模擬結果

在夏季工況下，沿展館橫向上位置的送風速度場和溫度場如圖4 和圖5 所示。

圖4 展館橫向位置夏季速度場模擬結果

圖5 展館橫向位置夏季溫度場模擬結果

從速度結果可以看出，夏季雙層噴口可以對展館中央及兩側的空間進行送風。從溫度結果可以看出展館沿高度方向存在明顯的溫度分層現象，并且人員活動區域的溫度在26 ℃左右，熱空氣主要堆積在屋頂，溫度在34～40 ℃。這可以說明采用分層空調對高大空間具有明顯的節能效果。

取展館2.0 m 高處的截面，研究整個展館的送風速度場及溫度場，如圖6 和圖7 所示：

圖6 展館2.0 m 高夏季速度場模擬結果

圖7 展館2.0 m 高夏季溫度場模擬結果

從2.0 m 高處展館的送風速度場可以看出，人員活動區域的風速在0.25 m/s 左右，滿足該區域的風速要求。同時該位置溫度在26 ℃左右，由于展臺的遮擋，兩側溫度偏低，實際辦展過程中，兩側的人員活動可以增加氣流擾動，使得該處位置溫度更加均勻，接近設計溫度26 ℃。

3.3 冬季工況模擬結果

在冬季工況下，沿展館橫向上送風速度場和溫度場如圖8、9 所示：

圖8 展館橫向位置冬季速度場模擬結果

圖9 展館橫向位置冬季溫度場模擬結果

冬季由于送風溫度高于室內溫度，送風氣流最終均向上偏移，人員活動區域的風速在0.25 m/s 左右，同時溫度在18 ℃左右。所以該送風方式可以滿足冬季人員活動區域的溫度要求。

取展館2.0 m 高處的截面，研究整個展館的送風速度場及溫度場，如圖 10 和圖11：

圖10 展館2.0 m 高冬季速度場模擬結果

圖11 展館2.0 m 高冬季溫度場模擬結果

從2.0 m 高處展館的送風速度場可以看出，冬季人員活動區域的風速在0.25 m/s 左右，滿足該區域的風速要求。同時該位置溫度在18 ℃左右，由于展臺的遮擋，兩側溫度偏高，風速偏高。實際辦展過程中，兩側的人員活動可以增加氣流擾動，使得該處位置溫度更加均勻，接近設計溫度18 ℃。

從圖 12 中可以看出，冬季在展館頂部 12 m 高設置的增加空氣擾動的風機，能夠有效的將冬季堆積在屋頂的熱空氣重新送如展館下部人員活動區域。可以降低冬季的熱分層效應，使下部人員活動區域滿足室溫要求。

圖12 展館縱向冬季速度場模擬結果

4 結論

本文對于高大空間的展館，首先設計采用側送風分從空調方式，在展館兩側使用雙層噴口側送風，并確定相關送風風量及送風口位置。通過計算模擬發現，夏季空調可僅對展館下部人員活動區域進行空氣處理，有效的降低整個展館空調冷負荷。冬季為了降低展館上部空間的熱量堆積，一方面將噴口角度向下傾斜，同時在展館頂部設置增加空氣擾動的送風風機，進而減弱冬季展館的熱分層現象，使人員活動區域滿足室內溫度要求。進一步證明了該展館空調送風方式的可靠性。