幾種高大空間公共建筑氣流組織形式及熱舒適性的CFD模擬研究

姚賽

同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）有限公司

0 引言

暖通設(shè)計(jì)，幾種典型的高大建筑的空調(diào)對(duì)于設(shè)計(jì)人員非常重要。影劇院、音樂(lè)廳、體育館、展覽廳、航空機(jī)場(chǎng)等高大空間的公共建筑，都有著高度高、體積大、空調(diào)負(fù)荷大、人員活動(dòng)高度遠(yuǎn)低于室內(nèi)總高度、能源消耗量大，對(duì)空調(diào)質(zhì)量要求高等特點(diǎn)。其中，大空間公共建筑的氣流組織形式和空調(diào)節(jié)能問(wèn)題顯得特別重要。國(guó)內(nèi)對(duì)高大空間公共建筑的室內(nèi)熱環(huán)境設(shè)計(jì)和空調(diào)設(shè)計(jì)還不很成熟。除高大空間本身的特點(diǎn)外，室外的氣象參數(shù)、建筑的熱工性能、室內(nèi)的氣流組織形式、室內(nèi)的熱媒分布等，都會(huì)影響室內(nèi)的熱舒適性。設(shè)計(jì)合理的氣流組織形式，將使建筑物內(nèi)的空氣溫度、濕度、速度和潔凈度等，既可滿足人員的舒適性要求，又能實(shí)現(xiàn)保證空調(diào)系統(tǒng)能耗較低、能源利用率高的要求。

近年來(lái)，高大空間空調(diào)系統(tǒng)的氣流組織設(shè)計(jì)尚無(wú)成熟的理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)論。主要研究手段是將氣流分析和數(shù)值模擬相結(jié)合，在高大空間公共建筑的空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中普遍采用CFD技術(shù)預(yù)測(cè)氣流組織、優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。氣流數(shù)值分析能考慮室內(nèi)的各種可能的內(nèi)擾、邊界條件和初始條件、全面反映室內(nèi)的氣流分布情況，尋找最優(yōu)的氣流組織方案。

本文介紹幾種高大空間公共建筑，如某體育館、劇場(chǎng)、展廳的主要?dú)饬鹘M織方式和設(shè)計(jì)的要點(diǎn)，提出對(duì)策，進(jìn)行熱舒適性的CFD模擬研究。

1 高大空間公共建筑的氣流組織形式的比較

高大空間公共建筑（本文指的高大空間公共建筑均為高度超過(guò)5m,占地面積大于500m2），最難處理的是送風(fēng)溫差大、射流長(zhǎng)，可能造成冷風(fēng)下降或熱風(fēng)上浮現(xiàn)象。根據(jù)各種高大空間公共建筑物的特點(diǎn)，選擇合理的空調(diào)氣流組織尤為重要，氣流組織形式主要有如下幾種方式[2]。

1.1 側(cè)送風(fēng)方式

側(cè)送風(fēng)有兩種方式：一種是將送風(fēng)口安裝在空調(diào)房間四周側(cè)墻或者風(fēng)道側(cè)面的上部，進(jìn)行橫向送風(fēng)；一種是將送風(fēng)口設(shè)置在空調(diào)房間中間，向四周送風(fēng)，即所謂的分層空調(diào)。以送風(fēng)口為分層面，將高大空間公共建筑在垂直方向上，分為空調(diào)區(qū)域和非空調(diào)區(qū)域兩部分。分層氣流較均勻。分層氣流的下部渦流劇烈、溫度較低，上部渦流不劇烈、溫度較高,分層效果較好。側(cè)送風(fēng)方式的回風(fēng)口一般設(shè)于側(cè)面或地面。側(cè)送風(fēng)風(fēng)口主要有噴口（單排噴口或雙排噴口等）及百葉風(fēng)口（格柵風(fēng)口、百葉風(fēng)口、條縫風(fēng)口等）。

1.2 上送風(fēng)方式

上送風(fēng)方式指空氣自上而下送至人員長(zhǎng)期或者短期逗留場(chǎng)所，把處理好的空氣均勻送到人員所在部位，以滿足舒適性要求。上送風(fēng)方式通常與下回風(fēng)結(jié)合或與側(cè)回風(fēng)結(jié)合，也有上送上回?；仫L(fēng)口要遠(yuǎn)離送風(fēng)口，以免形成短路。高大空間公共建筑主要有旋流風(fēng)口上送風(fēng)、噴口上送風(fēng)及條縫或孔板上送風(fēng)等方式。

1.3 下送風(fēng)方式

下送風(fēng)方式主要有置換通風(fēng)方式及地板送風(fēng)方式。置換通風(fēng)依靠密度差所產(chǎn)生的壓差為動(dòng)力，以實(shí)現(xiàn)室內(nèi)空氣的置換。主導(dǎo)氣流是由室內(nèi)熱源所控制。地板送風(fēng)是將處理后的空氣由地板下的靜壓箱和送風(fēng)散流器從下至上送入房間，與室內(nèi)空氣混合，消除余熱余濕后從房間頂部排風(fēng)口排出。地板送風(fēng)是一種節(jié)能型氣流組織形式，避免了將燈光散熱、屋頂輻射熱的對(duì)流部分帶入空調(diào)區(qū)域，可使送風(fēng)量大大減少，節(jié)省了設(shè)備投資費(fèi)用和運(yùn)行費(fèi)用。

1.4 多種氣流組織方式合用

為達(dá)到最佳的氣流組織效果、滿足人體的舒適性要求，大型綜合性多功能高大空間的公共建筑一般會(huì)把多種氣流組織方式合用，以達(dá)到節(jié)能高效，滿足人們的舒適性要求。

2 幾種高大空間公共建筑的氣流組織形式設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 展廳、航空機(jī)場(chǎng)類高大空間公共建筑氣流組織設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1）必須與室內(nèi)裝修及使用功能配合布置，達(dá)到完美結(jié)合。

2）送風(fēng)氣流應(yīng)形成均勻的溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)，不應(yīng)給人帶來(lái)吹風(fēng)感。

3）若外立面全是玻璃幕墻，必須防止幕墻外、內(nèi)表面在冬季結(jié)露。

4）必須確?？照{(diào)送風(fēng)能夠到達(dá)人員逗留的場(chǎng)所。

2.2 體育類高大空間公共建筑氣流組織設(shè)計(jì)要點(diǎn)[3]

2.2.1 體育比賽大廳的氣流組織設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1）送風(fēng)氣流要滿足各種體育項(xiàng)目比賽的要求，尤其是小球類比賽，不應(yīng)影響比賽效果[6]。

2）避免觀眾區(qū)的送風(fēng)氣流給人以吹風(fēng)感。

3）觀眾看臺(tái)上部和下部的溫差不能太大，應(yīng)控制在2℃以內(nèi)。

2.3 影劇院、音樂(lè)廳類高大空間公共建筑氣流組織設(shè)計(jì)要點(diǎn)[1]

2.3.1 觀眾廳氣流組織設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1）送風(fēng)氣流分布均勻。觀眾區(qū)能達(dá)到均勻的速度場(chǎng)及溫度場(chǎng)，無(wú)吹風(fēng)感。冬季送熱風(fēng)時(shí)，熱空氣能送至觀眾停留區(qū)域。

2）回風(fēng)口的布置要消除送風(fēng)死角。

2.3.2 舞臺(tái)氣流組織設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1）空調(diào)氣流不能吹動(dòng)幕布，不能有風(fēng)壓作用影響幕布的啟閉或更換。

2）空調(diào)送風(fēng)能完全送達(dá)舞臺(tái)工作者的范圍。3）舞臺(tái)上燈具多、發(fā)熱量大，不穩(wěn)定，空調(diào)氣流要及時(shí)帶走其熱負(fù)荷[5]。

3 幾個(gè)典型的高大空間公共建筑氣流組織形式設(shè)計(jì)的舉例及CFD模擬研究

3.1 展廳的氣流組織形式及舒適性CFD模擬研究[4]

某展廳占地面積約55 000m2,東西跨度288m。南北跨度180m,整幢建筑西側(cè)是一個(gè)180m×144m的大展廳。展廳內(nèi)不設(shè)一根柱子,是一個(gè)非常完整的大空間。展廳空間跨度大，如果采用普通的單層噴口模式送風(fēng),就有可能造成室內(nèi)空氣場(chǎng)均勻性、舒適性不足。最后，展廳空間采用側(cè)送雙層噴口。展廳空間實(shí)際設(shè)計(jì)工況的雙層噴口的模擬結(jié)果見圖1和圖2。

由上看出，速度場(chǎng)控制在0．4m/s范圍內(nèi)，室內(nèi)1．5m高度人員活動(dòng)區(qū)的溫度場(chǎng)控制在23℃～26℃內(nèi)。展廳空間通過(guò)速度場(chǎng)的模擬可看到,上層噴口的射流基本可覆蓋到展廳的中部區(qū)域。雙層噴口的風(fēng)速,尤其是上層噴口的風(fēng)速,主要取決于服務(wù)空間跨度的實(shí)際尺寸,如展廳這樣的大跨度空間,送風(fēng)風(fēng)速一定要達(dá)到14m/s以上，才能控制展廳中部夏季的溫度,保證室內(nèi)人員的舒適性。

圖1 設(shè)計(jì)工況噴口送風(fēng)的溫度場(chǎng)模擬結(jié)果

圖2 設(shè)計(jì)工況噴口送風(fēng)的速度場(chǎng)模擬結(jié)果

3.2 體育館的氣流組織形式及舒適性CFD模擬研究[7]

某體育館長(zhǎng)95 m,寬85 m,高23．5 m。體育館的送風(fēng)方式分為比賽場(chǎng)和觀眾場(chǎng)兩部分。比賽場(chǎng)采用上送旋流風(fēng)口，觀眾席采用座椅送風(fēng)，回風(fēng)口設(shè)在屋頂四周的頂棚和觀眾席下方側(cè)壁回風(fēng)。氣流組織形式如圖3和圖4。

圖3 體育館空調(diào)氣流組織示意圖

圖4 體育館頂部風(fēng)口布置示意圖

實(shí)驗(yàn)測(cè)試和CFD模擬計(jì)算，體育館室內(nèi)高度2 m以下的速度均在0．5 m/s以下,頂部旋流風(fēng)口的實(shí)測(cè)出口風(fēng)速在3．44 m/s左右。頂部旋流風(fēng)口和頂部回風(fēng)口的附近區(qū)域速度比較大,頂部下方高空區(qū)的氣流真空區(qū)氣流流速低。觀眾席前幾排的速度大于后幾排,有的超過(guò)0．15 m/s,這是因?yàn)橛^眾席的送風(fēng)由側(cè)壁回風(fēng)口回風(fēng)而引起,后排的送風(fēng)需經(jīng)過(guò)前排才能到達(dá)回風(fēng)口,前排風(fēng)速較高。旋流風(fēng)口正下方溫度也隨著高度的變化而變化。垂直高度在1 m以上處,溫度基本恒定在20．6℃附近。高度約在20 m處，溫度開始下降,直至旋流風(fēng)口的出口溫度為14．5℃。體育館比賽場(chǎng)2 m以上和觀眾席距臺(tái)階地面2 m以上的空間溫度較低。

體育館采用分區(qū)送風(fēng)的方式對(duì)觀眾區(qū)和比賽區(qū)分別送風(fēng)和回風(fēng),既滿足了比賽要求,又基本滿足了人員的舒適性要求。分區(qū)送風(fēng)的氣流組織能有效地降低體育館室內(nèi)的空氣溫度,溫度場(chǎng)分布比較均勻,但比賽場(chǎng)和觀眾席中人員活動(dòng)區(qū)域的空氣被冷卻的同時(shí),體育館比賽場(chǎng)2 m以上和觀眾席距臺(tái)階地面2 m以上的非空調(diào)區(qū)域也被冷卻,浪費(fèi)了能量。

3.3 劇場(chǎng)的氣流組織形式及舒適性CFD模擬研究

某劇場(chǎng)觀眾廳分兩層，共設(shè)有750個(gè)座位，其中池座618個(gè)，樓座132個(gè)，舞臺(tái)凈高26．5m。觀眾廳采用置換通風(fēng)的送風(fēng)系統(tǒng)，舞臺(tái)區(qū)域采用分層空調(diào)、球形噴口和百葉送風(fēng)口側(cè)送，低處同側(cè)集中回風(fēng)系統(tǒng)形式。

座椅送風(fēng)口出小孔后風(fēng)速很快衰減，至腳踝處風(fēng)速極小，觀眾無(wú)吹風(fēng)感，吸收人體散熱散濕后進(jìn)入觀眾廳上部?？諝庠谏仙^(guò)程中，部分風(fēng)量通過(guò)設(shè)于劇場(chǎng)中部圍護(hù)結(jié)構(gòu)裝飾格柵的回風(fēng)口回風(fēng)至空調(diào)機(jī)組，另一部分向上進(jìn)入頂棚面廣橋，在起到降溫作用之后被屋頂排風(fēng)機(jī)排出室外。整個(gè)觀眾區(qū)域?yàn)橄滤椭谢厣吓诺臍饬鹘M織形式，僅在人員區(qū)維護(hù)一個(gè)較為舒適的溫濕度環(huán)境。舞臺(tái)采用分層空調(diào)設(shè)計(jì)，在舞臺(tái)的南北兩側(cè)7．8m標(biāo)高處設(shè)雙層百葉送風(fēng)口，9．2m標(biāo)高處設(shè)溫控可調(diào)式球型噴口進(jìn)行空調(diào)送風(fēng)，低處同側(cè)設(shè)置集中回風(fēng)，舞臺(tái)頂部設(shè)排風(fēng)機(jī)機(jī)械排風(fēng)。百葉送風(fēng)和球形噴口送風(fēng)干管處設(shè)電動(dòng)閥，與演出區(qū)幕布聯(lián)動(dòng)，落幕布時(shí)噴口送風(fēng)關(guān)閉，百葉送風(fēng)開啟，幕布打開時(shí)噴口送風(fēng)開啟，百葉送風(fēng)關(guān)閉，保證幕布在空調(diào)送風(fēng)情況下不會(huì)擺動(dòng)，不影響演出效果。

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)效果，設(shè)計(jì)人員對(duì)觀眾廳的座椅送風(fēng)及舞臺(tái)的百葉側(cè)送和噴口側(cè)送進(jìn)行了CFD模擬，模擬結(jié)果如圖5、圖6、圖7和圖8。

圖5 排演廳溫度場(chǎng)（百葉側(cè)送）（1．5m標(biāo)高）

圖6 中軸剖面溫度場(chǎng)（百葉側(cè)送）

圖7 排演廳溫度場(chǎng)（噴口側(cè)送）（1．5m標(biāo)高）

圖8 中軸剖面溫度場(chǎng)（噴口側(cè)送）

劇場(chǎng)模擬結(jié)果分析[8]：劇場(chǎng)內(nèi)氣流設(shè)計(jì)較為合理，觀眾區(qū)達(dá)到了置換通風(fēng)效果；舞臺(tái)區(qū)達(dá)到分層空調(diào)效果，節(jié)約了空調(diào)運(yùn)行能耗。

4 結(jié)論

高大空間公共建筑的形式多樣，使用功能不同，氣流組織形式選擇面比較廣泛，設(shè)計(jì)要點(diǎn)各異。設(shè)計(jì)合理的氣流組織形式十分重要，結(jié)合CFD模擬，可以滿足人們的舒適性要求,降低空調(diào)能耗。

崇明區(qū)政府領(lǐng)導(dǎo)調(diào)研生活垃圾分類工作

4月23日，崇明區(qū)政府領(lǐng)導(dǎo)深入基層一線，走訪慰問(wèn)最美綠色生活先行者，調(diào)研崇明區(qū)生活垃圾分類工作。

2017年6月以來(lái)，崇明舉全區(qū)之力，在全市率先開展全域生活垃圾分類探索實(shí)踐，經(jīng)過(guò)一年多努力，基本形成了“全域覆蓋、全程閉環(huán)、全面處置、全民參與、全智管理、全力保障”的生活垃圾分類“六全模式”，并初步建成全生命周期管理、全過(guò)程綜合治理、全社會(huì)普遍參與的生活垃圾分類制度體系。

區(qū)政府領(lǐng)導(dǎo)表示，站在新的起點(diǎn)，必須對(duì)生活垃圾分類工作有新的認(rèn)識(shí)、新的舉措、新的行動(dòng)，必須對(duì)這項(xiàng)工作再認(rèn)識(shí)、再提升，確保這項(xiàng)工作實(shí)現(xiàn)更高質(zhì)量、更高水平的全區(qū)全覆蓋，將其打造成崇明世界級(jí)生態(tài)島建設(shè)的亮麗名片。