汪君 劉東 吳利瑞 李超

某高大空間宴會廳空調氣流組織的模擬研究

汪君 劉東 吳利瑞 李超

同濟大學機械與能源工程學院

結合上海某酒店宴會廳夏季空調運行情況，利用Airpak軟件對宴會廳內部的氣流進行模擬研究。在現有的上送上回的氣流組織形式上，結合宴會廳實際使用情況，提出了上送下回的氣流組織形式，并對這兩種氣流組織效果分別進行模擬。通過研究發(fā)現，當采用上送下回風的氣流組織形式時，宴會廳內部的溫度場與速度場更均勻，為高大空間宴會廳的空調效果的改善提供了參考。依據模擬優(yōu)化結果，對該酒店宴會廳提出了可行的節(jié)能改造方案。

氣流組織高大空間宴會廳數值模擬

1 工程概況

上海某酒店裙樓四層宴會廳的建筑面積為660m2，層高8m，屋頂為鋼結構，上部有2m高的石膏吊頂空間，北墻為雙層玻璃幕墻，整個外圍護結構無任何保溫措施。該宴會廳現采用多聯機空調系統(tǒng)形式，根據現場調研，該宴會廳室外機單臺制冷量為45.0kW，共6臺，布置在裙樓樓頂；室內機單臺制冷量14.0kW，共19臺，布置在宴會廳上部吊頂空間內。室外機及室內機的規(guī)格型號見表1。

表1 多聯機室外機及室內機規(guī)格型號

在宴會廳的吊頂中根據室內機的布置位置，分別布置送風口和回風口。室內機送風口接風管，根據需求送風到不同位置，連接散流器送風；回風口對應室內機回風口的位置；宴會廳采用獨立的新風系統(tǒng)，在宴會廳的吊頂上設置4個新風口。宴會廳形成上送上回的氣流組織形式，宴會廳的新風口、送風口及回風口的尺寸和風量詳見表2。

表2 新風口、送風口及回風口的規(guī)格尺寸

2 模型建立及初始條件確定

2.1物理模型的簡化

機械通風房間內的空氣流動多屬于非穩(wěn)態(tài)湍流流動，在解決實際問題時，需要對物理模型進行一定的假設和簡化處理[4]。

因此本文做出以下假設：①室內空氣為低速不可壓縮氣體，且符合Boussinesq假設；②室內空氣流動為準穩(wěn)態(tài)湍流流動；③忽略能量方程中由于黏性作用引起的能量耗散；④壁面之間的溫度相差不大，忽略固體壁面間的熱輻射；⑤送風口處送風射流參數均勻。

2.2數值模擬條件的設置

按照相關規(guī)范規(guī)定和酒店要求，一般宴會廳夏季人員活動區(qū)溫度要求為24℃，風速0.15～0.3m/s。本文擬采用6℃送風溫差，送風溫度為18℃，送風口風速為3.59m/s；回風口設自由出流；新風送風溫度為20℃，新風口風速為2.08m/s。墻壁、天花板、地面設為固體壁面；人員密度、設備及照明均根據實際功率及分布情況建立相應模塊；各圍護結構的傳熱情況，根據其傳熱系數和室內外溫度情況，設置第三類邊界條件。具體參數設置見表3。

表3 宴會廳數值模擬參數的設置

根據研究，大空間建筑內部流動通常為自然對流和強迫對流并存的混合對流流動，且基本為湍流流動。如果采用工程中最常用的標準k-ε模型進行模擬并不一定能取得滿意的模擬結果[5]，因此本文中采用Chen Q等提出的室內零方程[6]模型進行模擬。文中采用有限容積法離散方程，對流差分格式采用迎風格式，壓力梯度項、擴散項均采用二階差分格式，壓力速度耦合采用SIMPLE算法。

2.3具體模型的建立

2.3.1上送上回風形式的模型的建立

根據宴會廳空調系統(tǒng)現有形式，風口的數量、尺寸及位置均按照實際布置情況在Airpak中建立上送上回風的模型如圖1所示，坐標軸X、Y、Z正方向如圖所示，宴會廳底面幾何中心為坐標原點（0，0，0）。

圖1 上送上回形式模型圖

2.3.2上送下回風形式的模型的建立

上送下回風形式的模型同上送上回風形式的模型相比，回風口的位置發(fā)生改變，即回風口由吊頂下移至側墻上，風口中心距離地面0.6m，其他條件均與2.3.1模型保持一致。改進后的模型如圖2所示。

圖2 上送下回形式模型圖

3 模擬結果與分析

3.1上送上回風形式

對2.3.1中所建模型進行六面體網格劃分，網格數量為538729個，輸入邊界條件，在求解的過程中，根據迭代運算的結果，不斷修正邊界初始數據和松弛因子，直到得到正確的收斂結果。

為考察送風的速度和溫度在豎直方向上的變化過程，由模擬可得到的送風口所在豎直截面的溫度云圖、速度矢量圖如圖3、4所示。

圖3 送風口所在豎直截面溫度云圖

圖4 送風口所在豎直截面速度矢量圖

由圖3可見，除靠近內墻壁的送風口外，其余送風口送風氣流的溫度沿送風方向衰減變化很快；靠近外墻區(qū)域和靠近內墻區(qū)域的空氣溫度存在明顯差異，二者溫差在4.5℃左右；由圖4可見，送風氣流和垂直于送風方向上的空氣的擾動較小。由圖3、4均可看出，沿送風方向上，送風氣流的速度和溫度發(fā)生較大變化，而在垂直于送風方向上，空氣溫度和速度基本不變，造成整個區(qū)域內氣流速度場、溫度場的分布不均勻。

為考察人員活動區(qū)域氣流分布的均勻性，通過模擬可得到Y=1.5m平面的溫度云圖、速度矢量圖如圖5、6所示。

圖5 Y=1.5m平面溫度云圖

圖6 Y=1.5m平面速度矢量圖

由圖5可見，在人員活動區(qū)域平面上，靠近外圍護結構區(qū)域內的空氣溫度明顯高于靠近內圍護結構區(qū)域內的空氣溫度，且宴會廳內部人員活動區(qū)域隨著溫度的不同形成3個明顯溫度分區(qū)，高溫區(qū)和低溫區(qū)（相對而言）的溫差達到4℃左右。由圖6可見，在人員活動區(qū)域內，局部區(qū)域（送風口正下方區(qū)域）的速度明顯過大，超過了人體對吹風感的舒適上限值0.3m/s，達到1m/s以上，造成明顯吹風感，整個區(qū)域內的氣流流速分布不均勻。

3.2上送下回風形式

對2.3.2中所建模型進行六面體網格劃分，網格數量為712703個，對比3.1節(jié)中所得模擬結果，改變氣流組織形式后的模擬結果如圖7～10所示。

圖7 送風口所在豎直截面溫度云圖

圖8 送風口所在豎直截面速度矢量圖

圖9 Y=1.5m平面溫度云圖

圖10 Y=1.5m平面速度矢量圖

由圖7可見，靠近外墻區(qū)域和靠近內墻區(qū)域的空氣溫度存在差異，二者溫差在3.75℃左右；由圖8可見，送風氣流和垂直于送風方向上的空氣的擾動增強，特別是在宴會廳的下部，氣流混合得更為充分，整個下部區(qū)域內氣流分布較為均勻。由圖9可見，在人員活動區(qū)域的平面上，靠近外墻區(qū)域的空氣溫度高于靠近內墻區(qū)域的空氣溫度，整個區(qū)域內按照溫度高低形成2個分區(qū)，2個分區(qū)內的空氣溫差在2.5℃左右，且大部分區(qū)域溫度相差不大，室內溫度分布比較均勻。由圖10可見，在人員活動區(qū)域的平面上，氣流分布較為均勻，大部分區(qū)域的風速在0.25 m/s及以下，滿足人體舒適性要求（送風口正下方個別區(qū)域除外）。

3.3兩種形式的對比分析

3.3.1人員活動區(qū)域溫度場的分析

對比圖9和圖5，可以看出，在兩種送回風形式下：

1）相同的控制條件下，上送下回風時人員活動區(qū)域的溫度均勻性得到較大改善。

2）在圖9和圖5中，由于建模時模型大小跟宴會廳實際大小相比有所縮小，且VRV送風量按照室內機最大送風量進行設置，這造成了人員活動區(qū)域的溫度整體略偏低。

3）宴會廳內部人員活動區(qū)域的溫度云圖的形狀大致相同，高溫區(qū)和低溫區(qū)在圖9、圖5中呈對角線狀分布，即靠近外墻的區(qū)域的空氣溫度較高，靠近內墻區(qū)域的空氣溫度較低。因此，在對角線上均等地取29個比較有代表性的點，涵蓋了高溫區(qū)和低溫區(qū)的各代表點，可知，上送上回風形式下，對角線上各點溫度差值最大達到3.55℃，上送下回風形式下，對角線上各點溫度差值最大達到2.63℃，且上送下回風形式下各點溫度曲線要比上送上回風形式下的溫度曲線平緩，變化幅度小。

3.3.2人員活動區(qū)域速度場的分析

對比圖10和圖6，可以看出，兩種送回風形式下：

1）相同的控制條件下，上送下回風時，宴會廳內部人員活動區(qū)域的氣流擾動性增強，從圖10看出，相對于圖6，整個區(qū)域內的氣流分布均勻性得到改善。

2）在人員活動區(qū)域，氣流速度最大值均出現在局部區(qū)域（送風口正下方），明顯高于非送風口正下方區(qū)域的氣流速度。為考察人員活動區(qū)域的氣流流速，分別在兩個模型中的人員活動區(qū)域選取對應于送風口正下方的23個典型點，包括此區(qū)域內所有最大風速出現點，獲得其氣流速度值?？芍纤蜕匣仫L時，各送風口送風至人員活動區(qū)域對應點的風速平均值達到0.79m/s，上送下回風時，各送風口送風至人員活動區(qū)域對應點的風速平均值達到0.65m/s，且除個別點之外，上送下回風各點的風速值均小于上送上回風時對應各點的風速值。

4 建議改進方案

根據實際模擬中發(fā)現的問題，結合宴會廳的使用功能，應業(yè)主方要求，依據節(jié)能性、舒適性、穩(wěn)定性、美觀性和經濟性的原則，從外圍護結構、空調系統(tǒng)兩個方面對該宴會廳進行簡單合理的施工改造。

4.1外圍護結構

模擬中發(fā)現靠近外圍護結構區(qū)域和靠近內圍護結構區(qū)域的空氣存在較大溫差，雖然改變氣流組織形式能有效降低此溫差，但更應從外圍護結構的保溫

隔熱方面加以改善，盡量減少外圍護結構傳熱，既節(jié)能又從根本上改善溫度不均勻問題。因此針對宴會廳的北向的大面積玻璃幕墻的表面進行貼膜處理。玻璃幕墻表面所貼金屬著色膜基材采用光學級PET，阻擋紫外線效果非常突出，具體性能參數見表4。貼膜施工如下：采用聚氨酯樹脂復合膠緊密封閉金屬涂層布，防止金屬氧化、腐蝕；安裝膠經過抗氣候驟變處理、固化處理，不易起泡變形，更易安裝貼合玻璃；貼膜表面涂覆透明丙烯酸樹脂，施工或者經常清洗都不容易出現刮痕。玻璃貼膜通過和玻璃復合之后具有較高的熱阻，夏季可有效降低由于對流和傳導增加的空調冷負荷，冬季則可降低室內熱量散失，降低空調熱負荷。實驗表明，通過對門窗玻璃進行貼膜處理可有效降低空調能耗10%～15%。

表4 金屬著色膜性能參數

4.2空調系統(tǒng)

1）氣流組織形式。根據模擬，上送下回的氣流組織形式下，宴會廳室內的溫度場和速度場更均勻，因此宴會廳后期改造中，采用上送下回的氣流組織形式。在模擬中為了更鮮明地突出氣流組織形式對室內氣流均勻性的影響，盡量保持控制條件的一致性，只改變氣流組織形式，也即只改變回風口的位置，將全部回風口布置在側墻上，這樣一定程度地破壞了宴會廳的美觀性。在實際改造過程中，建議可在宴會廳四個墻角位置各設置一個矩形回風管，回風管上部延伸至吊頂空間內，連接室內機回風口；下部根據回風量要求開口，做成格珊百葉式回風口，既不影響宴會廳的實用和美觀要求，又能減少改造成本。

2）送風口形式。由于本案例中新風以及VRV送風均是散流器下送風，送風至人員活動區(qū)域所需時間較長，造成了宴會廳需要較長的預冷時間，考慮到旋流風口具有誘導比大，風速衰減快的特點，適合大空間空調送風，因此改造方案中全部采用旋流風口送風。

3）改造方案的模擬結果。根據4.2.1及4.2.2中所提出的空調系統(tǒng)的改造方案，將回風口集中布置在宴會廳四個墻角位置，送風口采用旋流風口，進行模擬論證，發(fā)現當送風口采用旋流風口時，送風射程明顯增大，能較快送風至宴會廳下部，有效減少宴會廳夏季空調預冷時間；改造后人員活動區(qū)的溫度場較均勻，基本達到氣流組織優(yōu)化的效果；速度場均勻性得到改善，而在送風口正下方局部區(qū)域出現風速過大現象，是由于進行夏季空調預冷工況的模擬時，送風口采用旋流風口且垂直向下送風至人員活動區(qū)所造成，在宴會廳正常使用時可以通過調節(jié)送風角度來改善這一現象。

5 結論

1）宴會廳采用上送下回風的氣流組織形式，室內人員活動區(qū)域溫度的均勻性優(yōu)于采用上送上回風的氣流組織形式。當采用上送上回風形式時，室內高溫區(qū)和低溫區(qū)溫度差值最大達到3.55℃；采用上送下回風時室內高溫區(qū)和低溫區(qū)的最大溫度差值減小到2.63℃。

2）宴會廳采用上送下回風的氣流組織形式，室內人員活動區(qū)域風速的均勻性優(yōu)于采用上送上回風的氣流組織形式。當采用上送上回風形式時，室內人員活動區(qū)域的對應于送風口正下方各點的平均風速為0.79m/s；采用上送下回風時室內人員活動區(qū)域的對應于送風口正下方各點的平均風速為0.65m/s。

3）在相同的條件下，相對于上送上回的氣流組織形式，高大宴會廳采用上送下回的氣流組織形式可以較好地改善室內的溫度場和風速場，提高室內舒適度。實施節(jié)能改造時，應結合模擬情況，同時應考慮建筑物的使用要求，對改造方案進行優(yōu)化，設計出最合理的改造方案。

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Num e ric a l Sim ula tion of Air Dis tribution in a La rge Spa c e Ba nque t Ha ll

WANG Jun,LIU Dong,WU Li-rui,LI Chao
College of Mechanical and Energy Engineering,Tongji University

Combining with the air conditioning situation of a large space banquet hall in a Shanghai hotel,the software Airpak is used to simulate the internal air distribution in the large space banquet hall.The banquet hall now adopts ceiling air supply and ceiling air return,based on the actual usage,the ceiling air supply and below return is suggested for it.These two air distributions are simulated in this paper,respectively.The results of the simulations show that the temperature and velocity field of the banquet hall is more uniform when the hall adopts ceiling air supply and below return.This paper also provides a reference for the choice of air distribution in large space banquet halls.According to the results of simulation and optimization,some feasible energy-saving programs are proposed for the banquet hall in the hotel.

air distribution,large space banquet hall,numerical simulation

1003-0344（2014）06-043-5

2013-11-8

汪君（1990～），女，碩士研究生；同濟大學機械與能源工程學院（200092）；E-mail:wangjun_9010@126.com