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(jì)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(huì)議廳、宴會(huì)廳等區(qū)域的觀感和實(shí)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(duì)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(shí)測(cè)和數(shù)值模擬研究。T Zhang和XH Liu等對(duì)西安咸陽國際機(jī)場(chǎng)2，3號(hào)航站樓進(jìn)行了實(shí)測(cè)，結(jié)果表明，采用溫濕度獨(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng)的3號(hào)航站樓能耗較低，同時(shí)人員活動(dòng)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(cè)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(chǎng)地和觀眾席的不同需要［3］。近年來，隨著計(jì)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(duì)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(shí)測(cè)和CFD模擬技術(shù)，對(duì)重慶某高級(jí)酒店大空間會(huì)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(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證數(shù)值模擬的可靠性，為優(yōu)化會(huì)議廳空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(huì)議廳，長(zhǎng)40 m，寬 25 m，凈高 6.8 m，總面積 1000 m2。會(huì)議廳空調(diào)設(shè)計(jì)參數(shù)為：夏季室內(nèi)溫度25℃、相對(duì)濕度50%；冬季室內(nèi)溫度22℃、相對(duì)濕度40%。設(shè)計(jì)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(jì)算軟件計(jì)算得夏季總冷負(fù)荷為359 kW，冬季總熱負(fù)荷為14 kW。該會(huì)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(tái)風(fēng)量為27200 m3/h的空氣處理機(jī)組，每臺(tái)機(jī)組設(shè)置16個(gè)旋流風(fēng)口，風(fēng)口間距沿東西向?yàn)? m，沿南北向?yàn)? m，送風(fēng)風(fēng)口采用VDL－400可調(diào)式旋流風(fēng)口，單個(gè)風(fēng)口實(shí)際送風(fēng)風(fēng)量為1700 m3/h。北內(nèi)墻下側(cè)對(duì)稱設(shè)置2個(gè)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(duì)稱設(shè)置于南側(cè)吊頂上，規(guī)格為1 m×0.5 m，共2個(gè)。圖1為酒店會(huì)議廳幾何模型示意。

圖1 酒店會(huì)議廳模型示意

2.2 計(jì)算模型

2.2.1 模型簡(jiǎn)化

為方便計(jì)算，本文模擬時(shí)作如下簡(jiǎn)化：

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

（2）旋流風(fēng)口簡(jiǎn)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(shí)際送風(fēng)情況。相關(guān)文獻(xiàn)表明簡(jiǎn)化模型能正確描述旋流風(fēng)口特性，模擬結(jié)果與實(shí)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(dòng)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(dòng)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(duì)壁面簡(jiǎn)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(dòng)，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(duì)整個(gè)空間區(qū)域進(jìn)行體網(wǎng)格劃分，對(duì)旋流風(fēng)口處使用局部加密網(wǎng)格，綜合計(jì)算資源以及精度要求，共離散為約217萬個(gè)非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格單元，46萬個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)。

3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

3.1 實(shí)測(cè)內(nèi)容

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

3.2 測(cè)點(diǎn)布置

3.2.1 送、回風(fēng)口測(cè)點(diǎn)布置

每個(gè)送風(fēng)口布置12個(gè)測(cè)點(diǎn)，各測(cè)點(diǎn)沿風(fēng)口徑向分布如圖2（a）所示；每個(gè)回風(fēng)口布置30個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)分布如圖2（b）所示。

圖2 送、回風(fēng)口測(cè)點(diǎn)布置

3.2.2 建筑壁面及空間測(cè)點(diǎn)布置

建筑壁面及空間測(cè)點(diǎn)布置如圖3所示。壁面、地面與頂棚測(cè)點(diǎn)只記錄溫度，空間測(cè)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(cè)點(diǎn)與空間測(cè)點(diǎn)。壁面測(cè)點(diǎn)108個(gè)，地面測(cè)點(diǎn)16個(gè)，頂棚測(cè)點(diǎn)16個(gè)，空間測(cè)點(diǎn)96個(gè)。

圖3 建筑測(cè)點(diǎn)布置

4 數(shù)值模擬計(jì)算

4.1 邊界條件

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)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(shí)測(cè)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(dòng)量方程與能量方程采用二階迎風(fēng)格式，湍流動(dòng)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(duì)離散后的方程組進(jìn)行求解計(jì)算。收斂值設(shè)置為：連續(xù)性方程x、y、z方向速度、湍動(dòng)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(gè)系統(tǒng)的質(zhì)量及能量誤差均小于0.2% 時(shí)，可認(rèn)為計(jì)算收斂［15，16］。

5 模擬結(jié)果分析

計(jì)算中取Z=1.5m的水平切面作為典型計(jì)算面，由于篇幅限制，本文僅列出處于人員活動(dòng)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(dòng)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(shí)由于會(huì)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(huì)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(dòng)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(shí)測(cè)與模擬結(jié)果比較

6.1 測(cè)點(diǎn)溫度比較

圖 5（a）～（c）分別為 2，4，6 m 高度處各空間測(cè)點(diǎn)的溫度值對(duì)比折線，溫度測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)值與模擬值相對(duì)誤差平均值為0.44%。由圖可知，各高度測(cè)點(diǎn)的溫度實(shí)測(cè)值與模擬值變化趨勢(shì)一致，除2m高度處的10號(hào)測(cè)點(diǎn)偏差約為0.7℃外，其余各測(cè)點(diǎn)偏差均小于0.5℃，實(shí)測(cè)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(shí)未考慮人員影響，而實(shí)測(cè)時(shí)工作及測(cè)試人員對(duì)測(cè)試儀器附近的溫度場(chǎng)存在一定影響；另一方面是由于建筑以及風(fēng)口的模型簡(jiǎn)化存在一定誤差。

圖5 空間測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)與模擬溫度對(duì)比

6.2 測(cè)點(diǎn)速度比較

圖 6（a）～（c）分別為 2，4，6 m 高度處各空間測(cè)點(diǎn)的速度值對(duì)比折線，速度測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)值與模擬值相對(duì)誤差平均值為18.52%。由圖可知，4 m及6 m高度處測(cè)點(diǎn)的速度實(shí)測(cè)值與模擬值吻合較好，其變化趨勢(shì)基本一致，2 m高度處測(cè)點(diǎn)的個(gè)別數(shù)據(jù)相對(duì)誤差較大。這一方面是由于模型的簡(jiǎn)化對(duì)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(cè)試人員的活動(dòng)對(duì)測(cè)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(dòng)影響較小。

圖6 空間測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)與模擬速度對(duì)比

由圖6實(shí)測(cè)結(jié)果可知，當(dāng)截面高度從6 m降低至2 m時(shí)，截面速度極差從0.71 m/s降低到0.15 m/s，表明會(huì)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(dòng)區(qū)時(shí)衰減到設(shè)計(jì)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(shí)測(cè)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(cè)試結(jié)果表明，該大空間會(huì)議廳溫度場(chǎng)及流速分布均勻，人員活動(dòng)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(huì)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(duì)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(huì)議廳夏季工況下的空調(diào)氣流組織，后續(xù)可深入研究會(huì)議廳旋流送風(fēng)口和排風(fēng)口以及回風(fēng)口的相對(duì)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。

［1］Zhang T，Liu X，Zhang L，et al.Performance analysis of the air－conditioning system in Xi’an Xianyang international airport［J］.Energy & Buildings，2013，59:11－20.

［2］Karava P，Athienitis A K，Stathopoulos T，et al.Experimental study of the thermal performance of a large institutional building with mixed－mode cooling and hybrid ventilation［J］.Building & Environment，2012，57（17）:313－326.

［3］馬曉鈞，曹越，趙彬，等.體育館比賽大廳非等溫工況氣流組織實(shí)測(cè)研究［J］.暖通空調(diào)，2002，32（5）:5－8.

［4］Enrico Fabrizio，Stefano P Corgnati，F(xiàn)rancesco Causone，et al.Numerical comparison between energy and comfort performances of radiant heating and cooling systems vs. air systems［J］.Hvac & R Research，2012，18（4）:692－708.

［5］黃艷山，鄧偉雄，廖堅(jiān)衛(wèi)，等.廣州白云機(jī)場(chǎng)主航站樓空調(diào)氣流組織模擬研究［J］.流體機(jī)械，2011，39（11）:74－76.

［6］喻繼平，何媛，趙玉嬌，等.基于氣流組織CFD優(yōu)化的某報(bào)社印刷車間空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.暖通空調(diào)，2012，42（11）:113－118.

［7］Lee K，Jiang Z，Chen Q，et al.Air distribution effectiveness with stratified air distribution systems［J］.Ashrae Transactions，2009，115：322－333.

［8］譚雙，孫麗穎.辦公室應(yīng)用輻射供暖加新風(fēng)系統(tǒng)的氣流組織研究［J］.流體機(jī)械，2016，44（10）：59－64.

［9］曹雙華，張黎，豐振，等.地板送風(fēng)旋流風(fēng)口數(shù)值模型的比較［J］.制冷與空調(diào)，2015，15（1）:24－26.

［10］趙彬，李先庭，彥啟森.室內(nèi)空氣流動(dòng)數(shù)值模擬的風(fēng)口模型綜述［J］.暖通空調(diào)，2000，3（5）:33－38.

［11］Tavakoli E，Hosseini R.Large eddy simulation of turbulent flow and mass transfer in far－field of swirl diffusers［J］.Energy & Buildings，2013，59（4）:194－202.

［12］Sajadi B，Saidi M H，Mohebbian A.Numerical investigation of the swirling air diffuser：Parametric study and optimization［J］.Energy & Buildings，2011，43（6）:1329－1333.

［13］陶文銓.數(shù)值傳熱學(xué)（第二版）［M］.西安：西安交通大學(xué)出版社，2001，124－132.

［14］Shih T H，Liou W W，Shabbir A，et al.A new k－ε eddy viscosity model for high Reynolds number turbulent flows［J］.Computers & Fluids，1995，24（3）:227－238.

［15］王福軍.計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2004，228－234.

［16］Anderson J D.Computational fluid dynamics：the basic with application［J］.McGraw－Hill series in mechanical engineering，1995：208－212.