展位遮擋對展廳氣流組織影響作用分析

趙英浩，徐琳，*，韓明新，王后帥

(1.山東建筑大學(xué)熱能工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250101；2.青島北洋建筑設(shè)計有限公司，山東青島 266101)

0 引言

展廳類建筑內(nèi)部空間大，而人員所占空間較少，室內(nèi)熱環(huán)境復(fù)雜，氣流組織需根據(jù)建筑物實際情況進(jìn)行設(shè)計。 在實際展覽中，人員活動區(qū)域集中在展廳底部2 m 以內(nèi)空間，而展位會對氣流產(chǎn)生明顯遮擋和阻隔作用，妨礙實現(xiàn)人員區(qū)域合理的氣流組織。而氣流組織不合理會直接導(dǎo)致人員區(qū)域溫度分布不均勻、風(fēng)速過高等問題，不僅造成能源浪費，還達(dá)不到應(yīng)有的空調(diào)效果。

針對高大空間建筑氣流組織的研究，大多數(shù)都是從室內(nèi)溫、濕度分布等方面著手的。 利用計算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics，CFD)軟件進(jìn)行數(shù)值模擬研究成本低、周期短，便于實施且有較好的準(zhǔn)確性。 胡寧等[1]采用CFD 軟件模擬分析了北京雁棲湖主會議廳內(nèi)空調(diào)氣流組織的送風(fēng)效果及室內(nèi)舒適性，并確定了最佳的送風(fēng)風(fēng)速及角度。 林細(xì)光[2]應(yīng)用流體仿真軟件FLUENT 數(shù)值模擬了大演播廳對不同空調(diào)的氣流組織形式，繪制出室內(nèi)典型區(qū)域特征斷面溫度場和速度場截面圖，定量比較分析了空調(diào)設(shè)計中送風(fēng)角度、風(fēng)口尺寸、位置等參數(shù)。陳羿姿[3]針對某水上樂園跨度較大的結(jié)構(gòu)特點，分析送風(fēng)口高度和送風(fēng)角度等因素對空間氣流組織分布的具體影響，得出送風(fēng)高度上升或上調(diào)送風(fēng)角度有利于氣流組織均勻的結(jié)論。 楊夢瑤[4]采用CFD軟件研究了不同送風(fēng)角度(水平送風(fēng)、向下傾斜15°和30°)的熱風(fēng)供暖，分別計算了工作區(qū)人體舒適度和空調(diào)能耗，確定了合理的送風(fēng)角度。 蘇志等[5]利用CFD 軟件模擬了采用側(cè)面單層噴口送風(fēng)分層空調(diào)的某會展中心室內(nèi)溫度場和速度場，研究了兩種回風(fēng)方式以及展臺隔斷作用對室內(nèi)氣流組織的影響，發(fā)現(xiàn)影響人員區(qū)域舒適度的主要因素是近回風(fēng)區(qū)風(fēng)速。

文章應(yīng)用CFD 軟件，重點分析夏季展廳送風(fēng)角度對增設(shè)展位后室內(nèi)熱環(huán)境的影響，為后續(xù)工程運維管理提供依據(jù)。

1 工程概況及幾何模型

1.1 建筑概況

某國際會展中心B1 展廳位于會展中心西北角，具體位置及建筑朝向如圖1 所示。 其面積達(dá)8 600 m2，三面幕墻透光，具有體量大、進(jìn)深長且屋面坡度大等特點，最大凈高可達(dá)37 m。 功能設(shè)置上主要承擔(dān)重要的大型展覽，這就增加了其空調(diào)設(shè)計的重要性及復(fù)雜性。 因此，對空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計提出較高要求。

圖1 某國際會展中心B1 展廳圖

1.2 建筑空調(diào)設(shè)計參數(shù)及系統(tǒng)方案

B1 展廳內(nèi)夏季空調(diào)設(shè)計溫度為26 ℃、相對濕度為65%、人員密度為0.5 人/m2[6]。 整個會展中心圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)詳見表1[7]。

表1 寒冷地區(qū)圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)表

B1 展廳體量大、進(jìn)深長，因此空調(diào)設(shè)計采用球形噴口側(cè)送風(fēng)、下部回風(fēng)的分層空調(diào)形式，一側(cè)頂部設(shè)置排風(fēng)機(jī)房，進(jìn)行頂部排風(fēng)。 由于面積大且采用集中回風(fēng)形式，回風(fēng)口分別布置于展廳四角。 為實現(xiàn)大面積內(nèi)溫度均勻分布，經(jīng)過選型計算，送風(fēng)選取德國妥思公司遠(yuǎn)程噴口(型號為DUK630)。 展廳采用全空氣一次回風(fēng)系統(tǒng)，送風(fēng)、回風(fēng)及排風(fēng)等單個尺寸參數(shù)見表2。 展廳兩側(cè)距地面8.5 m 高度布置70 個噴口，并在排風(fēng)機(jī)房一側(cè)底端各布置5 個噴口。 展廳幾何模型如圖2 所示。

圖2 展廳幾何模型圖

1.3 建筑幾何模型及展位分布

B1 展廳模型尺寸為:寬度72 m(x)×高度27 ～37 m(y)×長度132 m(z)。 考慮到計算機(jī)的運行速度，在不影響CFD 模擬結(jié)果的前提下，模型進(jìn)行如下簡化:

(1) 建模時，盡量使所建的物理模型還原實際的建筑物，而附屬配套房間不考慮在計算范圍內(nèi)。

(2) 展廳內(nèi)照明散熱簡化為體積熱源，布置在照明吊設(shè)高度，散熱參數(shù)后續(xù)給出。

(3) 展廳模型設(shè)置參考某大型電器展會案例[8]，如圖2(b)所示，設(shè)置8 列長為6 m、高為4 m 的垂直擋板，模擬一面閉合、三面開放的展位設(shè)置情況。

(4) 門廳加設(shè)空氣幕，有效隔絕室內(nèi)外空氣，滲風(fēng)問題可忽略不計。 外門面積相對外墻較小，為便于分析，忽略兩者材質(zhì)差異，將門簡化為外墻。

計算網(wǎng)格的生成對CFD 計算至關(guān)重要，在均勻網(wǎng)格劃分的基礎(chǔ)上，對送風(fēng)口、回風(fēng)口及排風(fēng)口、照明區(qū)域、地面區(qū)域等溫度梯度較大區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密，以達(dá)到理想的模擬效果。 無展位遮擋及有展位遮擋的B1 展廳CFD 三維計算模型網(wǎng)格數(shù)分別為4 669 359、6 698 020。 整個計算區(qū)域網(wǎng)格，正交質(zhì)量≥0.5，偏斜度≤0.7。

2 數(shù)學(xué)模型及邊界條件

2.1 模型理論基礎(chǔ)

為了簡化計算模型，節(jié)約計算成本，展廳內(nèi)的氣流組織調(diào)節(jié)可以看作是三維、穩(wěn)態(tài)的湍流傳熱過程。其基本控制方程包括連續(xù)性方程、動量方程以及能量方程[9]，分別由式(1)～(3)表示為

式中 ui、uj分別為 xi、xj方向上的速度矢量，m/s； ρ為流體密度，kg/m3； t 為時間，s； T 為空氣溫度，K；P 為空氣壓力，Pa； Fj為 xj方向的外力，N； μ 和 μt分別為層流、湍流黏性系數(shù)，N·s/m2；σT為湍流普朗特數(shù)；k 為空氣導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；cp為比熱容，J/(kg·K)；ST為流體內(nèi)熱源及因粘性作用流體機(jī)械能轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的熱能，W。

2.2 邊界條件的確定

2.2.1 送風(fēng)、回風(fēng)及排風(fēng)口邊界

根據(jù)展廳空調(diào)設(shè)計方案參數(shù)中各風(fēng)量及風(fēng)口面積，選取各風(fēng)口邊界類型并計算其設(shè)定值，詳見表3。 其中，單個噴口送風(fēng)量為2 880 m3/h，上下可調(diào)角度為30°。

表3 展廳空調(diào)送風(fēng)、排風(fēng)及回風(fēng)邊界設(shè)定表

2.2.2 室內(nèi)人員、設(shè)備及燈光散熱量

人員散熱量為成年男子小時散熱量q、人員密度、群集系數(shù)φ、冷負(fù)荷系數(shù)X 等4 個參數(shù)的乘積。夏季室內(nèi)設(shè)計溫度條件下，人員密度為0.5 人/m2，q取 181 W，φ 和 X 分別取 0.89、0.95，則人員、設(shè)備散熱量分別為76.52、50 W/m2[10]。 為便于計算，人員和設(shè)備散熱量平鋪在地面。 照明散熱簡化為體積熱源形式，散熱量取50 W/m2，布置在照明吊設(shè)高度。 各項對流散熱量取總散熱量的60%[11-12]。

2.2.3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)邊界條件

為更好地分析展廳側(cè)壁幕墻的透光問題，利用日照分析軟件Ecotect 對B1 展廳進(jìn)行采光分析[13]。展廳側(cè)壁透光幕墻的光照時間結(jié)果如圖3 所示，在夏季工況下，B1 展廳主要透光的南立面和西立面幕墻絕大部分光照直射時間均不足0.3 h。 因此，氣流組織模擬計算中可忽略幕墻透過太陽輻射對展廳室內(nèi)的影響。

圖3 夏季展廳側(cè)壁透光幕墻光照時間結(jié)果圖

展廳入口序廳的門保持開啟狀態(tài)。 內(nèi)走廊區(qū)域空調(diào)設(shè)計溫度夏季選取26 ℃。 根據(jù)圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)及室外空調(diào)計算參數(shù)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)選取第三類邊界條件進(jìn)行設(shè)定，具體參數(shù)見表4。

表4 展廳圍護(hù)結(jié)構(gòu)邊界條件設(shè)定參數(shù)表

2.3 計算工況說明

室內(nèi)空間氣流組織的主要影響因素是非空調(diào)區(qū)域與空調(diào)區(qū)域的得熱量比值，而送風(fēng)角度等因素對其影響較大[14]。 球形噴口在確定射程(展廳寬度的1/2)的基礎(chǔ)上經(jīng)選型計算，改變送風(fēng)角度只會影響末端氣流速度，從而影響人員區(qū)域空調(diào)效果。 因此，利用CFD 軟件，模擬增設(shè)展位遮擋前后不同送風(fēng)角度對室內(nèi)氣流組織的影響。 根據(jù)上調(diào)角度不同和展位有無遮擋設(shè)計6 種工況:參考工況為展位無遮擋且上調(diào)角度為0°；工況1 和2 為展位無遮擋且上調(diào)角度分別為 5°、10°；工況 3～5 為展位有遮擋且上調(diào)角度分別為 0°、5°、10°。 各工況送風(fēng)溫度均為18.71 ℃。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 夏季室內(nèi)增設(shè)展位前后溫度場對比

由于展廳采用分層空調(diào)，近地面人員停留區(qū)域為重點關(guān)注對象[15-16]。 因此，以地面上方1.5 m 處(y ＝1.5 m)平面的溫度場、速度場分布為例進(jìn)行比較分析。

噴口水平送風(fēng)(參考工況)下的距離地面1.5 m處溫度分布云圖如圖4 所示。

圖4 無展位遮擋y＝1.5 m 溫度分布圖

無展位存在時，室內(nèi)絕大部分區(qū)域空氣溫度介于24.5 ～25.5 ℃，滿足設(shè)計要求。 僅近壁及中部少數(shù)區(qū)域溫度介于26.0 ～26.5 ℃，略高于設(shè)計值。 顯然，上述區(qū)域溫度偏高與側(cè)壁回流條件差、射流難以達(dá)到展廳中部等因素有關(guān)。 送風(fēng)角度上調(diào)后，室內(nèi)部分區(qū)域室溫稍有增加，對溫度場分布規(guī)律影響不大。 而增設(shè)展臺隔板后，距離地面1.5 m 處溫度分布云圖如圖5 所示。 近地面區(qū)域溫度場明顯分割成近壁區(qū)、回流區(qū)及展廳中間區(qū)域3 部分。 對比無展位遮擋的工況，增設(shè)擋板，送風(fēng)氣流被分割，造成近壁區(qū)域及展廳中間區(qū)域高于25.5 ℃的范圍增加，而回流區(qū)溫度仍維持在低于25.0 ℃。 此外，相同展位遮擋條件下，上調(diào)送風(fēng)角度會使得近壁區(qū)和展廳中間區(qū)域高于25.5 ℃的區(qū)域范圍明顯增加，且相應(yīng)區(qū)域室溫有所提升，但仍未超過設(shè)計要求。

圖5 有展位遮擋y＝1.5 m 溫度分布圖

以參考工況(0°送風(fēng))加設(shè)展位遮擋前后為例，展廳中心橫斷面(z ＝49 m)處溫度分布圖如圖6 所示。 近壁區(qū)和展廳中間區(qū)域的溫度場由于送風(fēng)回流被展位阻礙分割，難以實現(xiàn)良好的空調(diào)效果。

圖 6 0°送風(fēng)、z＝49 m 溫度分布云圖

3.2 夏季室內(nèi)增設(shè)展位前后速度場對比

無展位遮擋時不同送風(fēng)角度下y ＝1.5 m 處的速度分布如圖7 所示。 其中出現(xiàn)過高風(fēng)速的區(qū)域多為展覽區(qū)，風(fēng)速甚至達(dá)到0.7 ～0.9 m/s。 對比圖 7(a)和(b)分析可得，將噴口送風(fēng)角度上調(diào)10°后，介于0.7～0.9 m/s 的高風(fēng)速區(qū)域明顯減少，多數(shù)區(qū)域風(fēng)速介于0.3～0.5 m/s，且更為均勻。 同時，對照前述溫度分布圖可知，上調(diào)10°送風(fēng)既可維持人員區(qū)域溫度適宜，又可有效降低地面人員區(qū)域過高風(fēng)速，避免對人員造成吹風(fēng)感。

有展位遮擋時不同送風(fēng)角度下y ＝1.5 m 處的速度分布如圖8 所示。 對比圖7 和8 可得，相同的送風(fēng)角度下，增加展位對氣流具有明顯遮擋、阻隔作用。 沿x 軸方向，射流被擋板分成多段，人員活動區(qū)域風(fēng)速顯著降低，多數(shù)區(qū)域風(fēng)速為0.3 ～0.5 m/s，僅有無展位遮擋及回流區(qū)域易出現(xiàn)風(fēng)速高于0.7 m/s的區(qū)域。 通過對比圖8(a)和(b)，針對相同展板遮擋作用時，送風(fēng)調(diào)高10°后，可使人員區(qū)域風(fēng)速控制在約0.5 m/s。 這驗證了調(diào)高送風(fēng)角度有利于降低人員區(qū)域過高風(fēng)速，得到速度場分布更符合設(shè)計要求。

圖7 無展位遮擋y＝1.5 m 速度分布圖

圖8 有展位遮擋y＝1.5 m 速度分布圖

相比劉毅等[17]對無遮擋情況下大型展廳內(nèi)氣流組織模擬研究，考慮展位遮擋后，室內(nèi)氣流受到阻隔、分割作用，導(dǎo)致近壁區(qū)、回流區(qū)及展廳中間區(qū)域溫度場、速度場分布均勻性更低。 其中，展廳中間區(qū)域和近壁區(qū)室溫更易超過設(shè)計溫度，展區(qū)位置溫度易偏低。 此外，計算得出的風(fēng)速相應(yīng)也比同樣送風(fēng)條件下無展位遮擋工況變小。 而通過改變送風(fēng)角度，在增設(shè)展位遮擋前后，都能在保證室內(nèi)溫度在一定范圍下有效地減少過高風(fēng)速的出現(xiàn)，實現(xiàn)合理的氣流組織。

4 結(jié)論

利用CFD 軟件模擬了某國際會展中心B1 展廳夏季空調(diào)工況下室內(nèi)氣流組織，考慮多種送風(fēng)角度下展覽遮擋的影響，分析了展廳室內(nèi)溫度場、速度場分布，主要結(jié)論如下:

(1) 設(shè)計工況人員活動區(qū)域(地面1.5 m 高度處)多數(shù)區(qū)域空氣溫度符合設(shè)計要求；部分區(qū)域風(fēng)速高于0.7 m/s，會使室內(nèi)人員產(chǎn)生吹風(fēng)感。

(2) 展廳內(nèi)無展位遮擋時，噴口送風(fēng)角度上調(diào)，人員活動區(qū)域溫度未明顯升高，而風(fēng)速顯著降低，有利于減輕人員吹風(fēng)感。

(3) 增設(shè)展位遮擋后，人員活動區(qū)域溫度場和速度場被明顯分割、阻隔，中部溫度超標(biāo)區(qū)域增大，與無展位遮擋時相比過高風(fēng)速區(qū)域減少。 上調(diào)送風(fēng)角度10°，溫度場和速度場分割、阻擋情況變化較小，而人員區(qū)域高風(fēng)速數(shù)值進(jìn)一步降低，能更好滿足人員舒適要求。