大空間會議廳空調(diào)氣流組織的數(shù)值模擬與實測研究

熊偉成，李英軍，張永東，黎家榮，黎 強(qiáng)

（1.西南大學(xué)，重慶 400700；2.中煤科工集團(tuán)重慶設(shè)計研究院有限公司，重慶 400042；3.重慶大學(xué)，重慶 400045）

1 前言

為增加酒店建筑中的會議廳、宴會廳等區(qū)域的觀感和實用性，常采用高大空間結(jié)構(gòu)形式，由于空間體積大，人員燈光密集，導(dǎo)致此類建筑夏季熱濕負(fù)荷較大。近年來，部分國內(nèi)外學(xué)者對如何改善高大空間空調(diào)氣流組織和熱舒適性進(jìn)行了相關(guān)的實測和數(shù)值模擬研究。T Zhang和XH Liu等對西安咸陽國際機(jī)場2，3號航站樓進(jìn)行了實測，結(jié)果表明，采用溫濕度獨(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng)的3號航站樓能耗較低，同時人員活動區(qū)舒適性更好［1］。P Karava和AK Athienitis等利用自然通風(fēng)技術(shù)，改善了內(nèi)部發(fā)熱量較大中庭的室內(nèi)熱環(huán)境并降低了能耗［2］。馬曉鈞測試了北京某體育館比賽區(qū)域和觀眾區(qū)域的溫度和風(fēng)速，結(jié)果表明，采用分區(qū)空調(diào)可以靈活滿足比賽場地和觀眾席的不同需要［3］。近年來，隨著計算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，許多研究者采用CFD模擬技術(shù)對大空間建筑空調(diào)氣流組織進(jìn)行了深入的研究［4～8］。

本文擬結(jié)合實測和CFD模擬技術(shù)，對重慶某高級酒店大空間會議廳空調(diào)氣流組織進(jìn)行研究和分析，得到其溫度和速度分布，并通過實測數(shù)據(jù)驗證數(shù)值模擬的可靠性，為優(yōu)化會議廳空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計及運(yùn)行提供建議。

2 數(shù)值模擬前處理

2.1 幾何模型

本文所研究的酒店大空間會議廳，長40 m，寬 25 m，凈高 6.8 m，總面積 1000 m2。會議廳空調(diào)設(shè)計參數(shù)為：夏季室內(nèi)溫度25℃、相對濕度50%；冬季室內(nèi)溫度22℃、相對濕度40%。設(shè)計使用人員800人、照明負(fù)荷13 W/m2、設(shè)備負(fù)荷5 W/m2、人均新風(fēng)量為25 m3/h。利用天正負(fù)荷計算軟件計算得夏季總冷負(fù)荷為359 kW，冬季總熱負(fù)荷為14 kW。該會議廳空調(diào)采用上送下回式一次回風(fēng)系統(tǒng)。在東西兩側(cè)分別設(shè)置一臺風(fēng)量為27200 m3/h的空氣處理機(jī)組，每臺機(jī)組設(shè)置16個旋流風(fēng)口，風(fēng)口間距沿東西向為5 m，沿南北向為6 m，送風(fēng)風(fēng)口采用VDL－400可調(diào)式旋流風(fēng)口，單個風(fēng)口實際送風(fēng)風(fēng)量為1700 m3/h。北內(nèi)墻下側(cè)對稱設(shè)置2個規(guī)格為1.2 m×1 m的單層百葉回風(fēng)口，風(fēng)口底標(biāo)高距地1 m。排風(fēng)口采用單層百葉風(fēng)口，對稱設(shè)置于南側(cè)吊頂上，規(guī)格為1 m×0.5 m，共2個。圖1為酒店會議廳幾何模型示意。

圖1 酒店會議廳模型示意

2.2 計算模型

2.2.1 模型簡化

為方便計算，本文模擬時作如下簡化：

（1）由于該會議廳空間形態(tài)及內(nèi)部裝飾布置等均以中心對稱線呈東西對稱，選取該宴會廳東半側(cè)空間區(qū)域進(jìn)行模擬計算。

（2）旋流風(fēng)口簡化為二維平面風(fēng)口，并設(shè)定其送風(fēng)角度以合理模擬實際送風(fēng)情況。相關(guān)文獻(xiàn)表明簡化模型能正確描述旋流風(fēng)口特性，模擬結(jié)果與實際情況較為接近，在工程允許的誤差范圍內(nèi)能滿足精度要求［9～12］。

2.2.2 數(shù)學(xué)模型

數(shù)學(xué)模型主要包括的控制方程有質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程，本研究采用k－ε模型，包括湍流動能及湍流能量耗散率輸運(yùn)方程。近壁面采用標(biāo)準(zhǔn)壁面模型，利用壁面函數(shù)法對壁面簡化處理。假設(shè)室內(nèi)氣流為常溫、低速、不可壓縮牛頓流體的穩(wěn)態(tài)流動，滿足Boussinesq假設(shè)［13，14］。

2.2.3 網(wǎng)格劃分

模型采用Tri/Pave網(wǎng)格進(jìn)行面網(wǎng)格劃分，采用Tetra/Mixed混合網(wǎng)格對整個空間區(qū)域進(jìn)行體網(wǎng)格劃分，對旋流風(fēng)口處使用局部加密網(wǎng)格，綜合計算資源以及精度要求，共離散為約217萬個非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格單元，46萬個網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)。

3 現(xiàn)場實測

3.1 實測內(nèi)容

利用4臺VELOCICALC 9515手持式多功能測試儀及4臺MX4非接觸式紅外測溫儀借助升降機(jī)，對送、回風(fēng)口以及空間、壁面各典型測點(diǎn)的溫度和速度進(jìn)行測量。

3.2 測點(diǎn)布置

3.2.1 送、回風(fēng)口測點(diǎn)布置

每個送風(fēng)口布置12個測點(diǎn)，各測點(diǎn)沿風(fēng)口徑向分布如圖2（a）所示；每個回風(fēng)口布置30個測點(diǎn)，測點(diǎn)分布如圖2（b）所示。

圖2 送、回風(fēng)口測點(diǎn)布置

3.2.2 建筑壁面及空間測點(diǎn)布置

建筑壁面及空間測點(diǎn)布置如圖3所示。壁面、地面與頂棚測點(diǎn)只記錄溫度，空間測點(diǎn)記錄溫度與風(fēng)速。

在高度為 1，2，3，4，5，6 m 均布置壁面測點(diǎn)與空間測點(diǎn)。壁面測點(diǎn)108個，地面測點(diǎn)16個，頂棚測點(diǎn)16個，空間測點(diǎn)96個。

圖3 建筑測點(diǎn)布置

4 數(shù)值模擬計算

4.1 邊界條件

現(xiàn)場實測結(jié)果為數(shù)值模擬提供了邊界條件，壁面溫度、送風(fēng)溫度、速度及回風(fēng)口速度均取實測數(shù)據(jù)平均值，邊界條件如表1所示。

表1 邊界條件

4.2 求解方法

采用有限體積法離散化處理控制方程，動量方程與能量方程采用二階迎風(fēng)格式，湍流動能方程和湍流能量耗散率方程采用一階迎風(fēng)格式。選擇壓力耦合方程組的半隱式迭代算法（SIMPLE算法）對離散后的方程組進(jìn)行求解計算。收斂值設(shè)置為：連續(xù)性方程x、y、z方向速度、湍動能方程以及耗散率方程為1×10－3，能量方程及輻射方程為1×10－6。當(dāng)所有變量的殘差值均已收斂，或當(dāng)所有變量的殘差值不隨迭代的進(jìn)行發(fā)生變化，且流入流出整個系統(tǒng)的質(zhì)量及能量誤差均小于0.2% 時，可認(rèn)為計算收斂［15，16］。

5 模擬結(jié)果分析

計算中取Z=1.5m的水平切面作為典型計算面，由于篇幅限制，本文僅列出處于人員活動區(qū)高度范圍內(nèi)Z=1.5m截面處的溫度與速度等值線圖，如圖4所示。圖4（a）為人員活動區(qū)典型橫截面（Z=1.5 m）溫度等值線。由圖可知，截面最高溫度約為 22.4℃，最低溫度約為 22.1℃，最大溫差約為0.3℃，溫度分布較為均勻；同時由于會議廳南向窗墻比較大并存在一定的門窗漏風(fēng)，溫度模擬云圖顯示會議廳南北兩側(cè)溫度分布也存在一定差異。圖4（b）為人員活動區(qū)典型截面（Z=1.5 m）速度等值線。圖中顯示，部分區(qū)域等值線分布密集，表明該處速度梯度較大，截面最高風(fēng)速約為0.6 m/s，最低風(fēng)速約為0.1 m/s，大部分區(qū)域流速低于0.3 m/s，界面速度分布均勻，氣流組織較為合理，滿足人體舒適度要求。

圖4 典型橫截面等值線

6 實測與模擬結(jié)果比較

6.1 測點(diǎn)溫度比較

圖 5（a）～（c）分別為 2，4，6 m 高度處各空間測點(diǎn)的溫度值對比折線，溫度測點(diǎn)實測值與模擬值相對誤差平均值為0.44%。由圖可知，各高度測點(diǎn)的溫度實測值與模擬值變化趨勢一致，除2m高度處的10號測點(diǎn)偏差約為0.7℃外，其余各測點(diǎn)偏差均小于0.5℃，實測和模擬數(shù)據(jù)之間吻合較好，但仍存在一定偏差。這一方面是由于模擬時未考慮人員影響，而實測時工作及測試人員對測試儀器附近的溫度場存在一定影響；另一方面是由于建筑以及風(fēng)口的模型簡化存在一定誤差。

圖5 空間測點(diǎn)實測與模擬溫度對比

6.2 測點(diǎn)速度比較

圖 6（a）～（c）分別為 2，4，6 m 高度處各空間測點(diǎn)的速度值對比折線，速度測點(diǎn)實測值與模擬值相對誤差平均值為18.52%。由圖可知，4 m及6 m高度處測點(diǎn)的速度實測值與模擬值吻合較好，其變化趨勢基本一致，2 m高度處測點(diǎn)的個別數(shù)據(jù)相對誤差較大。這一方面是由于模型的簡化對模擬結(jié)果產(chǎn)生了一定影響，另一方面是由于2 m高處空氣流速較低，工作及測試人員的活動對測試結(jié)果有較大影響，而4 m及6 m高度處由于空氣流速較大，受人員活動影響較小。

圖6 空間測點(diǎn)實測與模擬速度對比

由圖6實測結(jié)果可知，當(dāng)截面高度從6 m降低至2 m時，截面速度極差從0.71 m/s降低到0.15 m/s，表明會議廳空間內(nèi)隨著高度降低，截面速度極差迅速減小，旋流送風(fēng)氣流能迅速卷吸室內(nèi)空氣，和室內(nèi)空氣充分混合，有利于風(fēng)速在進(jìn)入人員活動區(qū)時衰減到設(shè)計要求。

7 結(jié)論

（1）本文溫度和速度的數(shù)值模擬結(jié)果與實測數(shù)據(jù)誤差處于合理誤差范圍內(nèi)，表明采用的數(shù)值模擬方法具有較高可靠性。

（2）本文測試結(jié)果表明，該大空間會議廳溫度場及流速分布均勻，人員活動區(qū)溫度及風(fēng)速均滿足人體舒適性要求。

（3）由于該大空間會議廳南向窗墻比較大，且門窗氣密性較差，因此靠近南外窗處溫度較高。建議對南外窗加裝遮陽設(shè)施和密封條，并加設(shè)low－e膜，減少通過外窗的傳熱，降低室內(nèi)負(fù)荷，進(jìn)一步改善室內(nèi)熱舒適性。

（4）本文研究了大空間會議廳夏季工況下的空調(diào)氣流組織，后續(xù)可深入研究會議廳旋流送風(fēng)口和排風(fēng)口以及回風(fēng)口的相對位置關(guān)系，以節(jié)約能耗并進(jìn)一步優(yōu)化室內(nèi)氣流組織。

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